ATI R420: Архитектура и особенности графических карт Radeon X800

Введение

Серия видеокарт

Графический процессор R420, разработанный компанией ATI Technologies, стал основой для графических карт третьего поколения, поддерживающих DirectX 9.0/OpenGL 2.0. Впервые примененный в Radeon X800, R420 производился по 0,13-микронному (130 нм) низко-K фотолитографическому процессу и использовал память GDDR 3. Чип был разработан для графических карт AGP. Поддержка драйверов для данного ядра была прекращена с версии Catalyst 9.4, что привело к отсутствию официальной поддержки Windows 7 для продуктов серий X700 и X850.

Разработка

В плане поддерживаемых функций DirectX, R420 (кодовое название Loki) был очень похож на R300. R420 в основном придерживался подхода "чем больше, тем лучше" по отношению к предыдущей архитектуре, с небольшими доработками для её улучшения. Чип был оснащен более чем вдвое большим количеством ресурсов для обработки пикселей и вершин по сравнению с R360 в Radeon 9800 XT (незначительная эволюция R350), с 16 пиксельными конвейерами DirectX 9.0b и 16 ROP. X800 XT можно рассматривать как пару ядер Radeon 9800, соединенных вместе и работающих на ~30% более высокой тактовой частоте. Конструкция R420 состояла из 4 "квадов" (по 4 конвейера на квад). Такая организация позволяла ATI отключать дефектные "квады" и продавать чипы с 12, 8 или даже 4 пиксельными конвейерами – это развитие техники, использовавшейся в Radeon 9500/9700 и 9800SE/9800. Разделение на "квады" также позволило ATI разработать систему для оптимизации эффективности чипа в целом. Эта система, названная "системой распределения по квадам", разбивает экран на блоки и равномерно распределяет нагрузку между отдельными "квадами" для оптимизации их пропускной способности. Чипы серии R300 выполняли задачи аналогичным образом, но R420 усовершенствовал это, разрешив программируемые размеры блоков для более точного управления рабочим процессом. Уменьшая размер блоков, ATI смогла оптимизировать работу с треугольниками разных размеров. Когда ATI удвоила количество пиксельных конвейеров, они также увеличили количество вершинных шейдерных блоков с 4 до 6. Это изменило соотношение пиксельных/вершинных шейдеров с 2:1 (на R300) до 8:3, что отражает уверенность ATI в том, что в играх 2004 года и позже нагрузка будет больше ориентирована на пиксельные шейдеры и текстурирование, чем на геометрию. Нормальное и параллаксное отображение заменяли сложную геометрию для детализации моделей, и это, безусловно, повлияло на такое решение. Странно, но основная видеокарта X700 (RV410) имела 6 вершинных шейдеров, при этом была оснащена только 2 квадами. Следовательно, этот чип был явно разработан для более высокой геометрической нагрузки, чем для текстурирования, возможно, для использования в качестве чипа FireGL. RV410 также значительно превосходил GeForce 6600GT (3 вершинных шейдера) от NVIDIA по пропускной способности геометрии. Благодаря 6 вершинным шейдерам в R420 и RV410 в сочетании с более высокими тактовыми частотами, чем у предыдущего поколения, ATI смогла более чем удвоить возможности обработки геометрии 9800XT. Хотя чипы на базе R420 в целом похожи на ядра на базе R300, ATI доработала и улучшила пиксельные шейдерные блоки для большей гибкости. Новая версия пиксельного шейдера (PS2.b) обеспечивала немного большую гибкость программ шейдеров, чем обычная PS2.0, но все еще не достигала полной функциональности PS3.0. Эта новая редакция PS2.0 увеличила максимальное количество инструкций и регистров, доступных для программ пиксельного шейдера. ATI представила Temporal Anti-Aliasing (временное сглаживание), новую технологию сглаживания, поддерживаемую их чипами. Используя эффект "кадр к глазу" при частоте кадров выше 60 кадров/с, графический процессор может лучше сглаживать края, вращая шаблон сглаживания между кадрами. Настройка 2X в программном обеспечении стала восприниматься как эквивалент 4X. К сожалению, для работы этой технологии требовалось поддерживать частоту кадров не менее 60 кадров/с, иначе временное сглаживание вызывало бы заметное мерцание, поскольку пользователь мог бы видеть чередующиеся шаблоны сглаживания. Если частоту кадров не удавалось поддерживать, драйвер отключал Temporal AA. Однако в играх, где этот уровень производительности поддерживался, Temporal AA было полезным дополнением к отличным возможностям сглаживания ATI. Важно отметить, что "Temporal AA" от ATI на самом деле был временным фильтром дитеринга для пространственного сглаживания, а не полноценным временным сглаживанием (которое должно включать контролируемое смешивание временных подвыборок из последовательных кадров). Еще одним заметным дополнением к ядру стала новая разновидность сжатия карт нормалей, получившая название "3Dc". Подобно тому, как сжатие текстур было частью спецификации Direct3D на протяжении многих лет и использовалось для сжатия обычных текстур, сжатие карт нормалей сжимало этот новый тип слоя детализации поверхности. Поскольку DirectX Texture Compression (DXTC) был основан на блоках и не был разработан для различных свойств данных карт нормалей, требовался новый метод сжатия для предотвращения потери детализации и других артефактов. 3Dc был основан на модифицированном режиме DXT5, который, по сути, был запасным вариантом для оборудования, не поддерживающего 3Dc. Программное обеспечение, активно использующее карты нормалей, могло получить значительный прирост скорости за счет экономии пропускной способности и заполнения, используя 3Dc. ATI продемонстрировала многие новые функции своих чипов в рекламной демоверсии реального времени под названием Ruby: The Doublecross. Остальная часть графического процессора была чрезвычайно похожа на R300. Контроллер памяти и методы оптимизации пропускной способности памяти (HyperZ) были идентичными. R420 был, по сути, вторичным проектом 4-го поколения для ATI, поскольку первоначальный план R400, внутренне кодировавшийся как "Crayola", был отменен. R400 был бы более функциональным, с поддержкой унифицированного шейдерного модели 3 и другими улучшениями, но, как полагают, ATI посчитала R400 излишне сложным для доступных приложений и потенциально рискованным в разработке с учетом доступных в то время полупроводниковых производственных процессов. Архитектура R400 была реализована только в чипе Xenos, используемом в игровой консоли Xbox 360, и стала основой для мобильного графического процессора Qualcomm Adreno 200, первоначально называвшегося AMD Z430. В линейке Radeon поддержка функций Direct3D 9.0c была перенесена на следующее поколение на базе архитектуры R500, в то время как 4-е поколение обслуживалось R420, производным от R300.

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.

Выпуски R420 и следующего графического процессора ATI без существенных изменений в архитектуре

Самые ранние карты серии Radeon X800 были основаны на ядре R420. В линейку вошли Radeon X800 XT Platinum Edition и Radeon X800 Pro. X800 XT PE поставлялся с частотой ядра 520 МГц и частотой памяти 560 МГц, с 16 конвейерами. X800 Pro работала на частоте 475/450 МГц с одним отключенным квадом, оставляя 12 пиксельных конвейеров активными. По сути, X800 Pro построена на полудефектных ядрах R420. Также была выпущена X800 Pro VIVO (Video in Video out), которая пользовалась популярностью у оверклокеров, поскольку обычно можно было включить отключенный квад, что приводило к полностью функциональной X800 XT PE по более низкой цене. Серия Radeon X700 (RV410) заменила X600 в сентябре 2004 года. X700 Pro работала на частоте ядра 425 МГц и производилась по 0,11-микронному техпроцессу. RV410 использовал компоновку, состоящую из 8 пиксельных конвейеров, подключенных к 4 ROP (аналогично GeForce 6600), сохраняя при этом 6 вершинных шейдеров X800. 110-нм процесс был направлен на снижение стоимости, не для высоких тактовых частот, а для уменьшения размера кристалла при сохранении высокой производительности. X700 XT планировалось выпустить в производство и была протестирована различными веб-сайтами, посвященными аппаратному обеспечению, но так и не была выпущена. Считалось, что X700 XT устанавливает слишком высокую планку по частоте для прибыльного производства ATI. X700 XT также не была достаточно конкурентоспособной по сравнению с впечатляющей GeForce 6600GT от nVidia. ATI планировала выпустить карту серии X800 для конкуренции. Серия Radeon X800 "R430", основанная на 110-нанометровом техпроцессе, была представлена в конце 2004 года вместе с новыми картами X850 от ATI. X800 была разработана для замены позиции, которую не удалось занять X700 XT, с 12 конвейерами и 256-битной шиной памяти. Эта карта значительно превзошла 6600GT, продемонстрировав производительность, сопоставимую с GeForce 6800. Близкая родственница, новая X800 XL, была позиционирована как конкурент NVIDIA GeForce 6800 GT с более высокой скоростью памяти и полными 16 конвейерами для повышения производительности. R430 не смогла достичь высоких тактовых частот, поскольку была в основном разработана для снижения стоимости GPU, поэтому требовалось новое ядро высшего класса. Новое высокопроизводительное поколение R4x0 появилось вместе с серией X850, оснащенное различными настройками ядра для немного более высокой производительности, чем серия X800 на основе "R420". Линейка X850 на основе "R480" была доступна в трех вариантах: X850 Pro, X850 XT и X850 XT Platinum Edition и была построена на надежном высокопроизводительном 130-нм Low K процессе. В 2005 году у ATI было большое количество кристаллов, которые "работали", но недостаточно хорошо для использования в картах серии X800 или X850. Поэтому была создана новая модель, X800 GT. Она использовала любые кристаллы "R480" X850 или "R430" X800 XL, имеющие 2 рабочих квада и способные работать на частоте 475 МГц. Они предназначались для конкуренции с GeForce 6600GT наряду с предыдущей X800 на основе "R430". ATI также выпустила X800 GTO, которая была 12-конвейерной картой (3 квада), использующей кристаллы "R480" или "R430" с частотой 400 МГц. Эта карта работала между X800 GT и X800 XL. Она была быстрее, чем обычная GeForce 6800, но медленнее GeForce 6800 GT. Высокие продажи этой карты были обусловлены ее относительно высокой производительностью в сочетании с ценой, лишь немного превышающей стоимость X800 GT. Сообщество оверклокеров обнаружило, что GTO на базе R480 часто может достигать тактовых частот, близких к X850 XT. Наконец, другой моделью была X800 GTO², также основанная на R480. Она снова была произведена компанией Sapphire Technology, как и X800 GTO. Эта карта обычно поставлялась с конфигурацией из 3 квадов, как X800 GTO. GTO² была уникальной в серии GTx, поскольку при изменении BIOS ее почти всегда можно было превратить в карту с 4 квадами. Некоторые карты X800 GTO² поставлялись с уже включенными 4 квадами, но некоторые из них были R430 вместо R480 и не могли достичь тактовых частот X850. Окончательными вариантами серии GTO были специальные платы GTO с 16 официально включенными конвейерами, такие как X800 GTO 16 от Powercolor на базе "R430".

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.