ATI R420 графикалық карталары: Архитектура және мүмкіндіктері

Кіріспе

Видеокарталар сериясы

ATI Technologies компаниясы әзірлеген R420 GPU, DirectX 9.0/OpenGL 2.0 мүмкіндіктеріне ие компанияның 3-ші буын графикалық карталарының негізі болды. Алғаш рет Radeon X800 картасында қолданылған R420, 0,13 микрометрлік (130 нм) төмен K фотолитографиялық процесімен өндірілді және GDDR 3 жады қолданды. Бұл чип AGP графикалық карталары үшін арналған. Catalyst 9.4 драйверінен бастап осы ядроға қолдау тоқтатылды, нәтижесінде X700 және X850 өнімдеріне Windows 7 ресми қолдауы жоқ.

Даму

DirectX мүмкіндіктері тұрғысынан R420 (кодтық атауы Loki) R300-ге өте ұқсас болды. R420 негізінен алдыңғы архитектураға «неғұрлым кеңірек, соғұрлым жақсы» тәсілін қолданды, оны әртүрлі жақсартулармен толықтырды. Чип, Radeon 9800 XT R360-пен (R350-нің шағын эволюциясы) салыстырғанда екі еседен астам пиксел және vertex ресурстарымен жабдықталды, 16 DirectX 9.0b пикселдік құбыр және 16 ROP-пен. X800 XT-ді, негізінен бір-бірімен қосылған Radeon 9800 ядроларының жұбы ретінде қарастыруға болады, сонымен қатар ~30% жоғары сағаттық жылдамдықпен жұмыс істейді. R420 дизайны 4 «квад» (әр квадқа 4 құбыр) конфигурациясын құрады. Бұл ұйымдастыру ATI-ге ішкі жағынан ақаулы «квадтарды» өшіруге және 12, 8 немесе тіпті 4 пикселдік құбырлары бар чиптерді сатуға мүмкіндік берді, бұл Radeon 9500/9700 және 9800SE/9800-де қолданылған техниканың дамуы болды. «Квадтарға» бөлу ATI-ге чиптің жалпы тиімділігін оңтайландыруға арналған жүйені жасауға да мүмкіндік берді. «Квад диспетчерлік жүйе» деп аталатын экран плиткаларға бөлінеді және жұмыс олардың өнімділігін оңтайландыру үшін жеке «квадтар» арасында тең бөлінеді. R300 сериялы чиптер де осылай жұмыс істеді, бірақ R420 плиткалардың өлшемін жетілдіріп, жұмыс ағынын дәл басқаруға мүмкіндік берді. Плитка өлшемін кішірейте келе, ATI әртүрлі үшбұрыштардың өлшемдерін оңтайландыра алды. ATI пикселдік құбырлардың санын екі есеге көбейткенде, vertex шейдер қозғалтқыштарының санын 4-тен 6-ға дейін арттырды. Бұл пиксел/vertex шейдерлерінің арақатынасын 2:1-ден (R300-де) 8:3-ке өзгертіп, ATI-нің 2004 жылдан бастап ойындардағы жүктеме пикселдік шейдерлерге және текстуралауға, геометрияға қарағанда көбірек бағытталған деп санағанын көрсетті. Модельдердің егжей-тегжейлілігі үшін геометриялық күрделіліктің орнына нормальды және parallax карталар қолданыла бастады, сондықтан бұл ойлаудың бір бөлігі болды. Қызығы, X700 негізгі картасында (RV410) тек 2 квадпен жабдықталғанда 6 vertex шейдері болды. Осылайша, бұл чип текстуралаудан гөрі ауыр геометриялық жүктемеге арналған, мүмкін FireGL чипі ретінде бейімделген. RV410 сонымен қатар геометриялық өнімділік бойынша NVIDIA GeForce 6600GT (3 vertex шейдері) -ден айтарлықтай жоғары болды. R420 және RV410-тың 6 vertex шейдерлерімен және алдыңғы буынға қарағанда жоғары сағаттық жылдамдықтармен, ATI 9800XT-тың геометриялық өңдеу қабілетін екі еседен астам арттыра алды. R420 негізделген чиптер R300 негізделген ядроларға ұқсас болғанымен, ATI пикселдік шейдерлік бірліктерді икемділікті арттыру үшін өзгертті және жақсартты. Пикселдік шейдердің жаңа нұсқасы (PS2.b) қарапайым PS2.0-ға қарағанда шейдер бағдарламасының икемділігін сәл арттырды, бірақ PS3.0 мүмкіндіктеріне әлі де жетпеді. PS2.0-ға енгізілген бұл жаңа өзгеріс пикселдік шейдер бағдарламаларына қол жетімді нұсқаулар мен регистрлердің максималды санын арттырды. ATI Temporal Anti Aliasing-ті таныстырды, олардың чиптері қолдай алатын жаңа антиалиасинг технологиясы. 60 кадр/с-тен жоғары кадр жылдамдығының көзге көрінетін әсерін пайдаланып, GPU антиалиазингтік үлгі алу үлгісін кадрлар арасында айналдыра отырып, псевдолиазингті жиектерді жақсы тегістей алады. 2X бағдарламалық параметр 4X-ке тең болып кетті. Өкінішке орай, жүйе кем дегенде 60 кадр/с ұстап тұруы керек еді, әйтпесе Temporal Anti Aliasing байқалатын жыпылықтауға әкеледі, өйткені пайдаланушы ауыспалы AA үлгілерін көре алады. Егер кадр жылдамдығы сақталмаса, драйвер Temporal AA-ны өшіреді. Алайда, осы өнімділік деңгейін сақтай алатын ойындарда Temporal AA ATI-нің тамаша антиалиасинг параметрлеріне жақсы қосымша болды. Ескеріңіз, ATI-нің «Temporal AA» кеңістіктік AA үшін уақытша дитерлеу сүзгісі болды, де-факто уақытша антиалиазинг емес (оның үшін бірізді экрандардан алынған уақытша субүлгілердің бақыланатын араласуын қамтуы керек). Ядроға тағы бір маңызды қосымша – «3Dc» деп аталған жаңа нормальды картаны сығу түрі болды. Текстуралық сығылу Direct3D спецификациясының көп жылдар бойы бөлігі болған және тұрақты текстураларды сығу үшін қолданылған сияқты, нормальды карталық сығылу осы жаңа типті беттік егжей-тегжейлі қабатты тығыздады. DirectX Texture Compression (DXTC) блокты негізделген болғандықтан және нормальды картаның әртүрлі дерек қасиеттеріне арналған емес, егжей-тегжейлі жоғалу мен басқа да артефакттарды болдырмау үшін жаңа сығылу әдісі қажет болды. 3Dc модификацияланған DXT5 режимінде құрылған, бұл 3Dc-ті қолдамайтын аппарат үшін резервтік нұсқа болды. Нормальды картаны көп пайдаланатын бағдарламалар 3Dc-ні пайдалану арқылы fillrate және өткізу қабілетінің үнемделуінен айтарлықтай жылдамдыққа ие бола алады. ATI өз чиптерінің көптеген жаңа мүмкіндіктерін «Ruby: The Doublecross» деп аталатын жарнамалық нақты уақыттық демода көрсетті. GPU-дың қалған бөлігі R300-ге өте ұқсас болды. Жады контроллері және жад өткізу қабілетін оңтайландыру техникалары (HyperZ) бірдей болды. R420 ATI үшін екінші буын 4-ші ұрпақ жобасы болды, ал бастапқы R400 жоспары, ішкі кодтық атауы «Crayola» болған, жойылды. R400 көбірек мүмкіндіктерге ие болар еді, соның ішінде біріктірілген Shader Model 3 шейдері және басқа да жақсартулар, бірақ ATI R400 қолданыстағы жартылай өткізгіш өндіріс процестерінде қажетсіз күрделі және қауіпті деп санады. R400 архитектурасы тек Xbox 360 ойын консолінде қолданылған Xenos чипінде жүзеге асырылды және бастапқыда AMD Z430 деп аталған Qualcomm Adreno 200 мобильді GPU-ының негізі болды. Radeon желісінде Direct3D 9.0c мүмкіндіктеріне қолдау R500 архитектурасы негізіндегі келесі буында көшті, ал 4-ші буын R300-ден алынған R420-мен қамтамасыз етілді.

In terms of supported DirectX features, R420 (codenamed Loki) was very similar to the R300. R420 basically takes a "wider is better" approach to the previous architecture, with some small tweaks thrown in to enhance it in various ways. The chip came equipped with over double the pixel and vertex pushing resources compared to the Radeon 9800 XT's R360 (a minor evolution of the R350), with 16 DirectX 9.0b pixel pipelines and 16 ROPs. One would not be far off seeing the X800 XT basically as a pair of Radeon 9800 cores connected together and also running with a ~30% higher clock speed. The R420 design was a 4 "quad" arrangement (4 pipelines per quad.) This organization internally allowed ATI to disable defective "quads" and sell chips with 12, 8 or even 4 pixel pipelines, an evolution of the technique used with Radeon 9500/9700 and 9800SE/9800. The separation into "quads" also allowed ATI to design a system to optimize the efficiency of the overall chip. Coined the "quad dispatch system", the screen is tiled and work is spread out evenly among the separate "quads" to optimize their throughput. This is how the R300 series chips performed their tasks as well, but R420 refined this by allowing programmable tile sizes in order to control work flow on a finer level of granularity. Apparently by reducing tile sizes, ATI was able to optimize for different triangle sizes. When ATI doubled the number of pixel pipelines, they also raised the number of vertex shader engines from 4 to 6. This changed the ratio of pixel/vertex shaders from 2:1 (on R300) to 8:3, showing that ATI believed the workload in games as of 2004 and onward to be more pixel shader and texturing oriented than geometry based. Normal and parallax mapping were replacing sheer geometric complexity for model detail, so undoubtedly that was part of the reasoning. Strangely, the X700 mainstream card (RV410) had 6 vertex shaders while only being equipped with 2 quads. As such, this chip was obviously designed for a heavier geometry load than texturing, perhaps being tailored for a role as a FireGL chip. RV410 also significantly outgunned NVIDIA's GeForce 6600GT (3 vertex shaders) on geometry throughput. With R420's and RV410's 6 vertex shaders combined with higher clock speeds than the previous generation, ATI was able to more than double the geometry processing capability of 9800XT. Although the R420 based chips are fundamentally similar to R300 based cores, ATI did tweak and enhance the pixel shader units for more flexibility. A new pixel shader version (PS2. b) allowed slightly greater shader program flexibility than plain PS2.0, but was still shy of full PS3.0 capabilities. This new revision to PS2.0 increased the maximum number of instructions and registers available to pixel shader programs. ATI revealed Temporal Anti Aliasing, a new anti aliasing technology their chips were capable of. By taking advantage of the frame to eye effects of a framerate higher than 60 frame/s, the GPU is able to better smooth aliased edges by rotating the anti aliasing sampling pattern between frames. A 2X software setting became perceptively equivalent to 4X. Unfortunately, it required the system to be able to maintain at least 60 frame/s or temporal anti aliasing would cause a noticeable flickering, because the user would be able to see the alternating AA patterns. If the framerate could not be maintained, the driver will disable Temporal AA. However, in games which this performance level could be maintained, Temporal AA was a nice addition to ATI's excellent anti aliasing options. Note, ATI's "Temporal AA" was actually a temporal dithering filter for spatial AA, not de facto temporal anti aliasing (which must involve a controlled blending of the temporal subsamples from consecutive screens). Another notable addition to the core was a new kind of normal map compression, dubbed "3Dc". Similar to how texture compression had been part of the Direct3D specification for years and was used for compressing regular textures, normal map compression compacted this new type of surface detail layer. Because DirectX Texture Compression (DXTC) was block based and not designed for a normal map's different data properties, a new compression method was needed to prevent loss of detail and other artifacting. 3Dc was based on a modified DXT5 mode, which in fact was a fallback option for hardware not supporting 3Dc. Software making heavy use of normal mapping could gain a significant speed boost from the savings in fillrate and bandwidth by using 3Dc. ATI showcased many of their chip's new features in the promotional real time demo called, Ruby: The Doublecross. Most of the rest of the GPU was extremely similar to R300. The memory controller and memory bandwidth optimization techniques (HyperZ) were identical. R420 was actually a secondary 4th generation project for ATI, with the original R400 plan, internally codenamed "Crayola", being scrapped. R400 would have been more feature complete, with unified Shader Model 3 shader support among other enhancements, but it is believed that ATI deemed R400 unnecessarily complex for the applications that would be available, and potentially risky to develop on the available semiconductor manufacturing processes of the time. The R400 architecture was thus implemented only in the Xenos chip used in the Xbox 360 video game console, and became the base for the Qualcomm Adreno 200 mobile GPU, initially called the AMD Z430. In the Radeon line, the support for Direct3D 9.0c features moved to the subsequent generation based on the R500 architecture, while the 4th generation was served with the R300 derived R420.

R420 және келесі ATI GPU-ның негізгі архитектуралық өзгерістерсіз шығарылуы

Radeon X800 сериясының алғашқы карталары R420 өзегіне негізделген. Бұл желіге Radeon X800 XT Platinum Edition және Radeon X800 Pro кірді. X800 XT PE 520 МГц ядролық және 560 МГц жад жиілігімен, 16 құбыр желісімен жабдықталған. X800 Pro 475/450 МГц жиілікте жұмыс істеді, бір квад өшірілген, нәтижесінде 12 пикселдік құбыр жұмыс істеді. Негізінде, X800 Pro жартылай кемшілдіктерге ие R420 өзегінде құрастырылған. X800 Pro VIVO (Video in Video out) нұсқасы да шығарылды және оверклокерлер арасында танымал болды, себебі өшірілген квад көбінесе қосылуы мүмкін, нәтижесінде төмен бағада толық функционалды X800 XT PE пайда болды. 2004 жылдың қыркүйегінде X600 сериясын Radeon X700 (RV410) сериясы алмастырды. X700 Pro 425 МГц ядролық жиілікте, 0,11 микрометрлік технологиямен өндірілді. RV410 4 ROP-қа қосылған 8 пикселдік құбырдан тұратын макетты қолданды (GeForce 6600-ға ұқсас), X800-дің 6 vertex шейдерлерін сақтап қалды. 110 нм технологиясы шығындарды қысқартуға бағытталған, жоғары тактостық жиіліктерге емес, жоғары өнімділікті сақтай отырып, кристалл өлшемін азайтуға арналған. X700 XT өндіріске жоспарланған және әртүрлі аппараттық веб-сайттарда қарастырылған, бірақ ешқашан шығарылмады. ATI үшін X700 XT тактостық жиілігінің шегі тым жоғары деп саналды, бұл пайдалы өндіріске кедерілді. Сондай-ақ, X700 XT nVidia-ның әсерлі GeForce 6600GT моделімен бәсекелесе алмады. ATI X800 сериясындағы картаны шығарып, оның орнына бәсекелестікке түсуді жоспарлады. Radeon X800 "R430" негізіндегі 110 нанометрлік серия 2004 жылдың соңында ATI-дің жаңа X850 карталарымен бірге ұсынылды. X800 X700 XT-нің орнын толықтыру үшін жасалған, 12 құбыр және 256 биттік жад шинасымен жабдықталған. Бұл карта GeForce 6800 сияқты өнімділікпен 6600GT-ден асып түсті. Жақын туысы, жаңа X800 XL, NVIDIA-ның GeForce 6800 GT моделін жоғары жад жылдамдығымен және өнімділікті арттыру үшін 16 құбырмен тақтан түсіруге арналған. R430 жоғары тактостық жиіліктерге жете алмады, себебі ол негізінен GPU құнын төмендету үшін жасалған, сондықтан жаңа жоғары деңгейлі өзектің қажеттілігі болды. Жаңа R4x0 буыны X850 сериясымен бірге келді, ол "R420" негізіндегі X800 сериясына қарағанда сәл жоғары өнімділік үшін әртүрлі өзектік түзетулермен жабдықталған. "R480" негізіндегі X850 желісі 3 нұсқада қол жетімді болды: X850 Pro, X850 XT және X850 XT Platinum Edition, сенімді және жоғары өнімділікке ие 130 нм Low K технологиясында жасалған. 2005 жылы ATI-де "жұмыс істейтін", бірақ X800 немесе X850 сериялы карталарда қолдануға жеткіліксіз көптеген кристаллдар болды. Сондықтан жаңа SKU құрылды, X800 GT. Ол кез келген "R480" X850 немесе "R430" X800 XL кристаллын қолданды, ол 2 функционалды квадқа ие және 475 МГц жиілікте жұмыс істей алатын. Олар бұрынғы "R430" негізіндегі X800 қатарлы GeForce 6600GT-мен бәсекелесу үшін жасалған. ATI сондай-ақ X800 GTO-ны шығарды, ол 12 құбырлы карта (3 квад), 400 МГц жиілікте "R480" немесе "R430" кристаллымен жұмыс істеді. Бұл карта X800 GT және X800 XL арасында өнімділік көрсетті. Ол GeForce 6800 GT-ден жылдам, бірақ GeForce 6800 GT-ден баяу болды. Бұл картаның жоғары сатылуы оның салыстырмалы түрде жоғары өнімділігімен және X800 GT-ден сәл ғана жоғары бағасымен байланысты. Оверклокинг қауымдастығы R480 негізіндегі GTO жиі X850 XT-ге жақын тактостық жиіліктерге жететінін анықтады. Соңында, тағы бір SKU X800 GTO² болды, ол да R480 негізінде жасалған. Ол X800 GTO сияқты Sapphire Technology компаниясымен өндірілді. Бұл карта әдетте 3 квад конфигурациясымен келді, X800 GTO сияқты. GTO² GTx сериясында бірегей болды, себебі BIOS-ты өзгерту арқылы оны толық 4 квад картаға айналдыруға болады. Кейбір X800 GTO² карталары толық 4 квадпен бірге жеткізілді, бірақ олардың кейбіреулері R480 орнына R430 болды және X850 сияқты тактостық жиіліктерге жете алмады. GTO сериясының соңғы нұсқалары - 16 құбырлы ресми түрде қосылған арнайы GTO тақталары, мысалы Powercolor-тің "R430" негізіндегі X800 GTO 16.

The earliest Radeon X800 series cards were based on the R420 core. The line included the Radeon X800 XT Platinum Edition and the Radeon X800 Pro. The X800 XT PE came clocked at 520 MHz core and 560 MHz RAM, with 16 pipelines enabled. The X800 Pro came clocked at 475/450 MHz with one quad disabled, leaving 12 pixel pipelines functional. Essentially, the X800 Pro is built on semi defective R420 cores. An X800 Pro VIVO (Video in Video out) was also released and was popular with overclockers because the disabled quad could usually be enabled, resulting in a fully functional X800 XT PE at a lower cost. The Radeon X700 (RV410) series replaced the X600 in September 2004. X700 Pro is clocked at 425 MHz core, and produced on a 0.11 micrometre process. RV410 used a layout consisting of 8 pixel pipelines connected to 4 ROPs (similar to GeForce 6600) while maintaining the 6 vertex shaders of X800. The 110 nm process was a cost cutting process, designed not for high clock speeds but for reducing die size while maintaining high yields. An X700 XT was planned for production, and reviewed by various hardware web sites, but was never released. It was believed that X700 XT set too high of a clock ceiling for ATI to profitably produce. X700 XT was also not adequately competitive with nVidia's impressive GeForce 6600GT. ATI would go on produce a card in the X800 series to compete instead. The Radeon X800 "R430" based 110 nanometer series was introduced at the end of 2004 along with ATI's new X850 cards. The X800 was designed to replace the position X700 XT failed to secure, with 12 pipelines and a 256 bit RAM bus. The card more than surpassed the 6600GT with performance similar to that of the GeForce 6800. A close relative, the new X800 XL, was positioned to dethrone NVIDIA's GeForce 6800 GT with higher memory speeds and a full 16 pipelines to boost performance. R430 was unable to reach high clock speeds, being mainly designed to reduce the cost per GPU, and so a new top of the line core was still needed. The new high end R4x0 generation arrived with the X850 series, equipped with various core tweaks for slightly higher performance than the "R420" based X800 series. The "R480" based X850 line was available in 3 forms: the X850 Pro, the X850 XT, and the X850 XT Platinum Edition, and was built on the reliable high performance 130 nm Low K process. In 2005, ATI had a large number of dies that "worked" but not well enough to be used on the X800 or X850 series cards. So a new SKU was created, the X800 GT. It used any "R480" X850 die or "R430" X800 XL die that had 2 functional quads and could run at 475 MHz. They were meant to compete with the GeForce 6600GT beside the previous "R430" based X800. ATI also released the X800 GTO, which was a 12 pipeline card (3 quads) using either "R480" or "R430" dies clocked at 400 MHz. This card performed between the X800 GT and the X800 XL. It was faster than the plain GeForce 6800, but slower than GeForce 6800 GT. High sales for this card were due to its relatively high performance coupled with a cost only slightly higher than the X800 GT. The overclocking community discovered that the R480 based GTO could frequently reach clock speeds near the X850 XT. Finally, another SKU was the X800 GTO², again based on R480. It was again manufactured by Sapphire Technology, like the X800 GTO. This card usually came with a 3 quad configuration, like X800 GTO. The GTO² was unique in the GTx series because, with a BIOS change, they could almost always be turned into a full 4 quad card. Some X800 GTO² cards shipped with the full 4 quads already enabled, but of these some were R430 instead of R480 and weren't able to reach X850 like clock speeds. The final variations of the GTO series were the special GTO boards with 16 pipelines officially enabled, such as Powercolor's "R430" based X800 GTO 16.