Voodoo 5 и VSA 100: Архитектура и особенности графических карт 3dfx

Введение

Линейка графических карт Voodoo 5 была последней и самой мощной линейкой графических карт, выпущенной компанией 3dfx Interactive. Все модели семейства были построены на базе графического процессора VSA 100. На рынок вышли только однокристальная Voodoo 4 4500 и двухкристальная Voodoo 5 5500.

Архитектура и производительность

Графический чип VSA 100 является прямым потомком "Мстителя", более известного как Voodoo3. Он был изготовлен по 250-нм полупроводниковому технологическому процессу, как и Voodoo3. Однако процесс был усовершенствован за счет добавления шестого металлического слоя для повышения плотности и скорости, а транзисторы имеют немного меньшую длину канала и более тонкий диэлектрик затвора. VSA 100 содержит около 14 миллионов транзисторов, по сравнению с ~8 миллионами в Voodoo3. Чип оснащен более крупным кэшем текстур, чем его предшественники, а ширина шины данных составляет 32 бита вместо 16 бит. Вычисления рендеринга выполняются с шириной 40 бит в VSA 100, но операнды и результаты хранятся в 32-битном формате. Одной из целей разработки VSA 100 была масштабируемость. Название чипа является аббревиатурой от "Voodoo Scalable Architecture" (Масштабируемая архитектура Voodoo). Используя один или несколько чипов VSA 100 на плате, можно удовлетворить потребности различных сегментов рынка графических карт, используя единую конструкцию графического чипа. Теоретически, от 1 до 32 графических процессоров VSA 100 можно запускать параллельно на одной графической карте, при этом скорость заполнения (fillrate) карты будет увеличиваться пропорционально. На картах с более чем одним чипом VSA 100, чипы соединяются с использованием технологии Scan Line Interleave (SLI) от 3dfx. Основным недостатком этого метода масштабирования производительности является избыточное дублирование аппаратных компонентов на картах и увеличение сложности платы с каждым добавленным процессором. 3dfx изменила конвейер рендеринга с одного пиксельного конвейера с двумя блоками текстурирования (Voodoo2/3) на двухпиксельный конвейер с одним блоком текстурирования на каждый. Эта конструкция, обычно называемая 2×1, имеет преимущество перед предыдущей 1×2, поскольку она позволяет всегда выдавать 2 пикселя и 2 текселя за такт, вместо 1 пикселя и 2 текселей за такт. Это первый графический чип 3dfx, поддерживающий полную 32-битную глубину цвета в 3D, по сравнению с 16-битной глубиной цвета во всех предыдущих моделях. Также было снято ограничение на максимальный размер текстур 256×256 пикселей, и VSA 100 может использовать текстуры размером до 2048×2048 пикселей. Кроме того, 3dfx реализовала методы сжатия текстур FXT1 и DXTC. Чип оснащен 128-битным интерфейсом SDRAM, аналогичным Voodoo3. Емкость и пропускная способность памяти выделены отдельно для каждого процессора VSA 100. Хотя емкость не суммируется для всей карты, пропускная способность эффективно суммируется, поэтому карта с двумя процессорами VSA 100 имеет аналогичную пропускную способность, как и одночиповая графическая карта с 128-битной памятью DDR. Память синхронизирована с чипом VSA 100. Позже планировалось использовать 64-битную конструкцию памяти DDR в невыпущенных платах, чтобы снизить стоимость платы за счет упрощения конструкции, сохраняя при этом аналогичную производительность памяти. Voodoo 4 и Voodoo 5 поддерживают аппаратное ускорение MPEG 2 видео. Хотя VSA 100 является графическим процессором, поддерживающим AGP 4×, 3dfx не реализовала AGP-текстурирование.

The VSA 100 graphics chip is a direct descendant of "Avenger", more commonly known as Voodoo3. It was built on a 250 nm semiconductor manufacturing process, as with Voodoo3. However, the process was tweaked with a sixth metal layer to allow for better density and speed, and the transistors have a slightly shorter gate length and thinner gate oxide. VSA 100 has a transistor count of roughly 14 million, compared to Voodoo3's ~8 million. The chip has a larger texture cache than its predecessors and the data paths are 32 bits wide rather than 16 bit. Rendering calculations are 40 bits wide in VSA 100 but the operands and results are stored as 32 bit. One of the design goals for the VSA 100 was scalability. The name of the chip is an abbreviation for "Voodoo Scalable Architecture." By using one or more VSA 100 chips on a board, the various market segments for graphics cards are satisfied with just a single graphics chip design. Theoretically, anywhere from 1 to 32 VSA 100 GPUs could be run in parallel on a single graphics card, and the fillrate of the card would increase proportionally. On cards with more than one VSA 100, the chips are linked using 3dfx's Scan Line Interleave (SLI) technology. A major drawback to this method of performance scaling is that various parts of hardware are needlessly duplicated on the cards and board complexity increases with each additional processor. 3dfx changed the rendering pipeline from one pixel pipeline with twin texture mapping units (Voodoo2/3) to a dual pixel pipeline design with one texture mapping unit on each. This design, commonly referred to as a 2×1 configuration, has an advantage over the prior 1×2 design with the ability to always output 2 pixels and 2 texels per clock instead of 1 pixel and 2 texels per clock. This is the first 3dfx graphics chip to support full 32 bit color depth in 3D, compared to 16 bit color depth with all previous designs. The limitation of 256px × 256px maximum texture dimensions was also addressed and VSA 100 can use up to 2048px × 2048px textures. Additionally, 3dfx implemented the FXT1 and DXTC texture compression techniques. The chip implements a 128 bit SDRAM interface, again similar to the Voodoo3. Memory capacity and bandwidth is separately dedicated to each VSA 100 processor. While capacity is not cumulative across the entire card, bandwidth is effectively cumulative and thus a card with 2× VSA 100 processors has similar bandwidth to a single chip graphics card using 128 bit DDR memory. Memory is clocked synchronously with the VSA 100 chip. Later, unreleased boards were planned to offer a 64 bit DDR memory design instead, in order to reduce board costs through lower complexity, while offering similar RAM performance. Voodoo 4 and Voodoo 5 support MPEG 2 video acceleration. While VSA 100 is an AGP 4× capable graphics processor, 3dfx did not implement AGP texturing.

Воду 4 4500

Выпущенный после Voodoo 5 5500, Voodoo4 4500 является бюджетной версией продукта VSA 100. В нем использовался только один чип VSA 100 и не требовалось дополнительное питание. Несмотря на более высокую цену, он уступал GeForce2 MX и Radeon SDR практически во всех аспектах.

Вуду 5 5000

Невыпущенный Voodoo 5 5000 должен был быть аналогичен 5500, но с вдвое меньшим объемом памяти (32 МБ суммарно).

Вуду 5 5500

Voodoo 5 5500 выпускается в трех вариантах: универсальная версия AGP (AGP 1/2x, прототипы были созданы с интерфейсом AGP4x) с полной поддержкой сайдбенда, PCI и Mac Edition, которая доступна только для PCI, хотя могла работать и в PCI-слотах с частотой 66 МГц. Mac Edition оснащена двумя выходами DVI D и VGA A, в то время как другие версии имеют только один VGA-выход. В играх Voodoo 5 5500 способна превосходить Nvidia GeForce 256 и ATI Rage 128 MAXX, но, к сожалению, Voodoo5 5500 вышла на рынок с опозданием и столкнулась с новыми GeForce 2 GTS и Radeon DDR, обе из которых значительно превосходили Voodoo 5.

Вуду 5 6000

Voodoo 5 6000 – это невыпущенный в продажу высококлассный продукт в линейке Voodoo5. Он должен был использовать четыре процессора VSA 100 с частотой 166 МГц, каждый со своими 32 МБ SDRAM с частотой 166 МГц, что привело к созданию первой графической карты объемом 128 МБ (состоящей из шестнадцати чипов по 8 МБ). Было произведено около 1000 тестовых экземпляров. Поскольку карта потребляла больше энергии, чем допускали спецификации AGP, в комплект поставки должна была входить специальная система питания под названием Voodoo Volts. Это было бы внешнее устройство, подключаемое к розетке. Большинство прототипов карт использовали стандартный внутренний разъем питания Molex. Что касается производительности, мало что было известно, пока энтузиасты не смогли получить предсерийные образцы и провести тестирование. Результаты показали, что Voodoo 5 6000 превосходил GeForce 2 Ultra и Radeon 7500, которые были самыми быстрыми версиями линеек GeForce 2 и Radeon R100 соответственно. (Ходили слухи, что GeForce 2 Ultra был разработан, чтобы не дать 3dfx выйти в лидеры с их Voodoo 5 6000.) В некоторых случаях 6000 демонстрировал конкурентоспособность с GeForce 3 следующего поколения. К сожалению, производственная стоимость Voodoo5 6000, вероятно, снизила бы его конкурентоспособность с точки зрения прибыльности. По сравнению с одночиповыми картами GeForce и Radeon, Voodoo5 6000 страдает от значительной избыточности и сложной конструкции платы. Предполагаемая цена составляла 600 долларов США, что значительно превышало стоимость конкурирующих продуктов. Несмотря на высокую цену, Voodoo5 6000 не предлагал бы вершинные и пиксельные шейдеры DirectX 8.0 следующего поколения, которые были реализованы в GeForce 3 (предназначенном Nvidia для замены GeForce 2 Ultra в качестве флагманского продукта) и Radeon 8500, а также функций DirectX 7, таких как аппаратное преобразование и ускорение освещения для вершин. Неустойчивое финансовое положение 3dfx стало еще одним фактором, способствовавшим гибели 6000. Существовало пять ревизий Voodoo 5 6000: (цифры после модели обозначают неделю сборки: 10 – для 10-й недели, 00 – для 2000 года).

The Voodoo 5 6000 is the unreleased high end product in the Voodoo5 line. It was to use four 166 MHz VSA 100 processors, each with its own 32 MB of 166 MHz SDRAM, resulting in the first 128 MB graphics card (consisting of sixteen 8 MB chips). Approximately 1000+ test cards were produced. Because the card used more power than the AGP specification allowed for, a special power supply called Voodoo Volts had to be included with it. This would have been an external device that would connect to an AC outlet. Most of the prototype cards utilized a standard internal power supply Molex power connector. With regards to performance, little was known until enthusiasts were able to get pre release hardware and run tests on it. The results showed that the Voodoo 5 6000 outperformed the GeForce 2 Ultra and Radeon 7500, which were the fastest iterations of the GeForce 2 and Radeon R100 lines, respectively. (It was rumored that GeForce 2 Ultra was intended to prevent 3dfx taking the lead with their Voodoo 5 6000.) In some cases, the 6000 was shown to compete well with the next generation GeForce 3. Unfortunately, the production cost of the Voodoo5 6000 would have likely hampered its competitiveness from a profitability standpoint. Compared to the single chip GeForce and Radeon cards, a Voodoo5 6000 is burdened with much redundancy and a complicated board. It was projected to have a US$600 price tag, considerably higher than competing parts. Despite its high price point, the Voodoo5 6000 would not have offered next generation DirectX 8.0 vertex and pixel shaders that would be found in the GeForce 3 (which was intended by Nvidia to replace the short lived GeForce 2 Ultra as its flagship product) and Radeon 8500, nor even DirectX 7 features such as hardware transform and lighting acceleration for vertices. The precarious financial situation of 3dfx was another factor contributing to the 6000's demise. There were five revisions of the Voodoo 5 6000: (the numbers after the model state the build week: 10 for week 10, 00 for year 2000).

Intel Revision 1 (модель 10001900)

Это была ранняя альфа-версия карты, в основном использовавшаяся для фотосъёмки и тестирования. Такие карты обычно имели небольшой срок службы и были в значительной степени несовместимы с различными материнскими платами того времени. Они также, как правило, не могли достигать частоты выше 143 МГц, не сталкиваясь с проблемой "смерти" VSA 100. В этой ревизии использовался чип PCI-моста Intel, карта оснащалась 128 МБ SDRAM с временем доступа 5.4 нс и использовала запатентованный внешний блок питания 3dfx. В первых моделях чипы монтировались в конфигурации, показанной на фотографии, но для этого требовалась печатная плата с восемью слоями проводников (большинство карт GeForce 2 имели четыре слоя, а Voodoo 5 5500 – шесть), что было бы чрезмерно дорого. Во всех последующих ревизиях четыре чипа монтировались в ряд.

HiNT Ревизия 2 (модель 20002900)

В этой версии от чипа PCI-моста Intel отказались в пользу чипа HiNT-моста. Эти карты могли питаться либо от внутреннего блока питания системы, либо от запатентованного внешнего блока питания 3dfx – особенность, сохранившаяся во всех последующих ревизиях прототипов. Тактовая частота варьировалась от карты к карте, обычно составляя 166 или 183 МГц. Чипы VSA 100, которые продолжали использоваться, имели небольшой срок службы и могли испытывать проблемы при использовании сглаживания. В этой ревизии было установлено 128 МБ SDRAM с временем доступа 5.0 нс.

HiNT Ревизия 3 (модель 30003500)

Карты этой ревизии отличались стабильностью – от нерабочих до полностью функционирующих. В этой ревизии было исправлено множество проблем, но проблемы с тепловым режимом VSA 100 сохранялись при частоте выше 183 МГц. Эти карты оснащались графическими процессорами VSA 100 с частотой 166 или 183 МГц.

HiNT Ревизия 4 (36003700)

3dfx остановился на частоте 166 МГц из-за проблем с корректной работой видеокарты 6000 на 183 МГц, вызванных дефектом конструкции печатной платы (PCB). Большинство проблем, обнаруженных в ранних версиях, были устранены, хотя на некоторых картах могли возникать кратковременные сбои в режиме сглаживания. Большинство известных карт – это карты ревизии A, выпущенные на 37-й неделе 2000 года.

HiNT пересмотр 5 (модель 3900)

Об этой серии известно немного, кроме того, что это финальная версия. Изначально она предназначалась для розничной продажи, но вскоре после выпуска партии в 10 экземпляров, серия 6000 была прекращена.