Maxwell (microarchitecture)

La première génération de GPU Maxwell (GM107/GM108) a été introduite dans les cartes GeForce GTX 745, GTX 750/750 Ti, GTX 850M/860M (GM107) et dans les cartes GeForce 830M/840M (GM108). Ces nouvelles puces introduisent peu de nouvelles fonctionnalités pour l'utilisateur, Nvidia insistant plus sur l'efficacité énergétique accrue des GPU. La taille du cache L2 est passée de 256 KiB sur Kepler à 2 MiB sur Maxwell, réduisant le besoin d'une plus grande bande passante de la mémoire. Par conséquent, la largeur du bus mémoire a été réduite de 192 bits sur Kepler (GK106) à 128 bits, réduisant la surface de la puce, le coût et la consommation^[2].

La conception du multiprocesseur de flux "SMX" de Kepler a également été retravaillée et partitionnée, et renommée "SMM" pour Maxwell. La structure de l'ordonnanceur de warps a été héritée de Kepler, les TMU et les coeurs CUDA FP64 étant encore partagés, mais l'agencement de la plupart des unités d'exécution a été partitionné de telle sorte que chaque ordonnanceur de warps dans un SMM contrôle un ensemble de 32 coeurs CUDA FP32, un ensemble de 8 unités load/store et un ensemble de 8 unités de fonctions spéciales (SFU). Ceci est différent avec Kepler, où chaque SMX possède 4 ordonnanceurs qui pilotent un pool partagé d'unités d'exécution^[3]. Cette dernière conception nécessitait un bus de la taille du SMX qui employait une énergie inutile pour permettre à toutes les unités d'exécution d'être partagées^[3]. Par opposition, la conception plus modulaire de Maxwell permet une allocation plus fine et plus efficace des ressources, économisant de l'énergie lorsque la charge de travail n'est pas optimale pour les ressources partagées. Nvidia estime qu'un SMM avec 128 coeurs CUDA a 90 % de la performance d'un SMX avec 192 coeurs CUDA tandis que l'efficacité est accrue d'un facteur 2^[2]. Par ailleurs, chaque Graphics Processing Cluster, ou GPC, contient jusqu'à 4 SMX dans Kepler, et jusqu'à 5 SMM dans la première génération de Maxwell^[2].

GM107 supporte également le CUDA Compute Capability 5.0, contre les versions 3.5 sur les GPU GK110/GK208 et 3.0 sur les GPU GK10x. Dynamic Parallelism et HyperQ, deux fonctionnalités des GPU GK110/GK208, sont aussi supportées sur toute la gamme des GPU Maxwell.

Le codeur vidéo de Nvidia, NVENC, a été amélioré pour être 1,5 à 2 fois plus rapide que sur les GPU Kepler, signifiant qu'il peut coder de la vidéo six à huit fois plus rapidement que la vitesse de lecture^[2]. Nvidia revendique aussi une augmentation d'un facteur huit à dix des performances du décodage vidéo PureVideo (en) avec l'ensemble de caractéristiques E due au cache du décodeur vidéo, associée à une augmentation des performances de la mémoire. Cependant, le décodage complètement hardware du H.265 n'est pas supporté par la première génération de GPU Maxwell, s'appuyant sur un mélange de décodage hardware et software^[2]. Lors du décodage vidéo, un nouvel état basse puissance "GC5" est utilisé sur les GPU GPU pour économiser l'énergie^[2].

Les GPU Maxwell de deuxième génération ont introduit plusieurs nouvelles technologies : Résolution Super Dynamique^[4], compression couleur Delta de troisième génération^[5], échantillonnage de programmation multi-pixel^[6], Nvidia VXGI (Illumination globale en temps réel des voxels^[7], VR Direct^[7],[8],[9], accélération multi-projection^[5], Multi-Frame Sampled Anti-Aliasing (MFAA, anticrénelage par échantillonnage multi-cadre)^[10] (cependant, le support du Coverage-Sampling Anti-Aliasing (CSAA, anticrénelage par échantillonnage de couverture) a été supprimé)^[11], et de l’API Direct3D12 au niveau de la fonctionnalité 12_1. Le support de HDMI 2.0 a également été ajouté^[12],[13].

Le ratio nombre de ROP/contrôleur mémoire est passé de 8:1 à 16:1^[14]. Cependant, certains ROP sont généralement au ralenti sur la carte GTX 970 car il n’y a pas assez de SMM activés pour leur fournir du travail, ce qui réduit son taux de remplissage maximal^[15].

Le moteur Polymorph responsable du pavage a été mis à niveau à la version 3.0 dans les GPU Maxwell de deuxième génération, ce qui a amélioré le taux de pavage par cycle d'horloge.

La deuxième génération de Maxwell possède jusqu’à 4 unités SMM par GPC, contre un maximum de 5 unités SMM par GPC sur la première génération^[14].

GM204 prend en charge la capacité de calcul CUDA 5.2 (contre 5.0 sur les GPU GM107/GM108, 3.5 sur les GPU GK110/GK208 et 3.0 sur les GPU GK10x)^{[5],[14],[16]}.

Les GPU GM20x disposent d’un codeur NVENC amélioré qui prend en charge l’encodage HEVC et ajoute la prise en charge des résolutions de codage H.264 à 1440p/60 FPS et 4K/60 FPS (comparé à NVENC sur les GPU GM10x de première génération Maxwell qui ne prenaient en charge que l’encodage H.264 1080p/60 FPS)^[9].

Après des plaintes des consommateurs^[17], Nvidia a révélé qu’il pouvait désactiver des unités individuelles, chacune contenant 256 Ko de cache L2 et 8 ROP, sans désactiver des contrôleurs mémoire complets^[18]. Cela se fait au prix de diviser le bus mémoire en segments haute vitesse et basse vitesse qui ne peuvent pas être accédés simultanément pour les lectures, car l’unité L2/ROP gérant les deux contrôleurs GDDR5 partage le canal de retour de lecture et le bus de données d’écriture entre les contrôleurs GDDR5. Cela rend impossible la lecture simultanée des deux contrôleurs GDDR5 ou l’écriture simultanée sur les deux contrôleurs GDDR5^[18]. Cette technique est utilisée dans la GeForce GTX 970, qui peut donc être décrite comme ayant 3,5 Go dans un segment haute vitesse sur un bus 224 bits et 512 Mo dans un segment basse vitesse sur un bus 32 bits^[18]. La vitesse maximale d’un tel GPU peut encore être atteinte, mais la vitesse maximale n’est atteignable que si un segment exécute une opération de lecture tandis que l’autre exécute une opération d’écriture.