Radeon 9700: Архитектура и эволюция GPU R300 от ATI

Введение

Серия видеокарт

GPU R300, представленный в августе 2002 года и разработанный компанией ATI Technologies, является третьим поколением GPU, используемым в графических картах Radeon. Этот графический процессор обеспечивает 3D-ускорение на основе Direct3D 9.0 и OpenGL 2.0, что представляет собой значительное улучшение функциональности и производительности по сравнению с предшествующей конструкцией R200. R300 стал первым потребительским графическим чипом, полностью поддерживающим Direct3D 9. Процессоры также включают ускорение 2D GUI, ускорение видео и поддержку нескольких дисплеев. Первыми графическими картами, использующими R300, стали Radeon 9700. Впервые ATI представила свой GPU как визуальный процессор (VPU). R300 и его производные на протяжении более 3 лет служили основой для потребительских и профессиональных продуктовых линеек ATI. Интегрированный графический процессор на базе R300 – Xpress 200.

Разработка

ATI некоторое время лидировала с Radeon 8500, но Nvidia вернула себе первенство в производительности с выпуском линейки GeForce 4 Ti. В разработке находилась новая высококлассная обновленная модель, 8500XT (R250), которая должна была составить конкуренцию высокопроизводительным решениям NVIDIA, в особенности флагманской Ti 4600. Предварительная информация указывала на тактовую частоту ядра и памяти R250 в 300 МГц. ATI, вероятно, помня о судьбе 3dfx, когда они переключили внимание с процессора Rampage, отказалась от его разработки в пользу завершения работы над видеокартой R300 следующего поколения. Это оказалось мудрым решением, поскольку позволило ATI впервые возглавить процесс разработки, а не отставать от NVIDIA. R300, с его архитектурой нового поколения, обеспечивающей беспрецедентные возможности и производительность, превзошел бы любое обновление R250. Чип R3xx был разработан командой ATI на Западном побережье (ранее ArtX Inc.), а первым продуктом на его основе стал Radeon 9700 PRO (внутреннее кодовое название ATI: R300; внутреннее кодовое название ArtX: Khan), представленный в августе 2002 года. Архитектура R300 радикально отличалась от архитектуры своего предшественника, Radeon 8500 (R200), практически во всех аспектах. Ядро 9700 PRO было изготовлено по 150-нм техпроцессу, аналогично Radeon 8500. Однако усовершенствованный дизайн и технологии производства позволили удвоить количество транзисторов и значительно увеличить тактовую частоту. Одним из ключевых изменений в производстве ядра стало использование технологии flip-chip (перевернутый чип), ранее не применявшейся в видеокартах. Технология flip-chip обеспечивает значительно лучшее охлаждение кристалла за счет его переворачивания и непосредственного контакта с системой охлаждения. Благодаря этому ATI удалось достичь более высоких тактовых частот. Radeon 9700 PRO был выпущен с тактовой частотой 325 МГц, превысив первоначально планируемые 300 МГц. С количеством транзисторов 110 миллионов, он являлся самым большим и сложным графическим процессором того времени. Более медленный чип, 9700, был выпущен через несколько месяцев, отличаясь лишь более низкой частотой ядра и памяти. Тем не менее, Radeon 9700 PRO работал на значительно более высоких частотах, чем Matrox Parhelia 512, карта, выпущенная за несколько месяцев до R300 и считавшаяся вершиной производства графических чипов (с 80 миллионами транзисторов на 220 МГц) до появления R300.

ATI had held the lead for a while with the Radeon 8500 but Nvidia retook the performance crown with the launch of the GeForce 4 Ti line. A new high end refresh part, the 8500XT (R250) was supposedly in the works, ready to compete against NVIDIA's high end offerings, particularly the top line Ti 4600. Pre release information listed a 300 MHz core and RAM clock speed for the R250 chip. ATI, perhaps mindful of what had happened to 3dfx when they took focus off their Rampage processor, abandoned it in favor of finishing off their next generation R300 card. This proved to be a wise move, as it enabled ATI to take the lead in development for the first time instead of trailing NVIDIA. The R300, with its next generation architecture giving it unprecedented features and performance, would have been superior to any R250 refresh. The R3xx chip was designed by ATI's West Coast team (formerly ArtX Inc.), and the first product to use it was the Radeon 9700 PRO (internal ATI code name: R300; internal ArtX codename: Khan), launched in August 2002. The architecture of R300 was quite different from its predecessor, Radeon 8500 (R200), in nearly every way. The core of 9700 PRO was manufactured on a 150 nm chip fabrication process, similar to the Radeon 8500. However, refined design and manufacturing techniques enabled a doubling of transistor count and a significant clock speed gain. One major change with the manufacturing of the core was the use of the flip chip packaging, a technology not used previously on video cards. Flip chip packaging allows far better cooling of the die by flipping it and exposing it directly to the cooling solution. ATI thus could achieve higher clock speeds. Radeon 9700 PRO was launched clocked at 325 MHz, ahead of the originally projected 300 MHz. With a transistor count of 110 million, it was the largest and most complex GPU of the time. A slower chip, the 9700, was launched a few months later, differing only by lower core and memory speeds. Despite that, the Radeon 9700 PRO was clocked significantly higher than the Matrox Parhelia 512, a card released but months before R300 and considered to be the pinnacle of graphics chip manufacturing (with 80 million transistors at 220 MHz), up until R300's arrival.

Архитектура

Чип использовал архитектуру, состоящую из 8 пиксельных конвейеров, каждый из которых оснащен 1 блоком текстурирования (конфигурация 8x1). Это отличалось от более ранних чипов, использовавших 2 (или 3 для оригинального Radeon) текстурных блока на конвейер, однако это не означало, что R300 не мог выполнять мультитекстурирование так же эффективно, как и предыдущие чипы. Его текстурные блоки могли выполнять новую операцию обратной связи, позволяющую им сэмплировать до 16 текстур за один проход геометрии. Текстуры могли быть любой комбинацией одномерных, двухмерных или трехмерных текстур с билинейной, трилинейной или анизотропной фильтрацией. Это было частью новой спецификации DirectX 9, вместе с более гибкими шейдерами Shader Model 2.0+ на основе чисел с плавающей точкой, а также вершинными шейдерами. Оснащенный 4 вершинными шейдерными блоками, R300 обладал более чем двукратной производительностью в обработке геометрии по сравнению с предыдущими Radeon 8500 и GeForce4 Ti 4600, а также расширенным набором функций по сравнению с шейдерами DirectX 8. Компания ATI продемонстрировала возможности пиксельного шейдера PS2.0 в своей демонстрации Rendering with Natural Light. Демонстрация представляла собой реализацию в реальном времени работы известного исследователя в области 3D-графики Пола Дебевека, посвященной рендерингу изображений с высоким динамическим диапазоном. Важно отметить, что все чипы поколения R300 были разработаны с максимальной точностью чисел с плавающей точкой 96 бит, или FP24, вместо максимальной точности DirectX 9 – 128 бит FP32. DirectX 9.0 определял FP24 как минимальный уровень для соответствия спецификации полной точности. Этот компромисс в точности обеспечивал оптимальное сочетание использования транзисторов и качества изображения для производственного процесса того времени. Он приводил к незначительной, но обычно незаметной потере качества при интенсивном смешении. Чипы ATI Radeon не поддерживали точность выше FP24 до R520. R300 стала первой платой, которая в полной мере использовала преимущества 256-битной шины памяти. Компания Matrox выпустила свою Parhelia 512 за несколько месяцев до этого, но эта плата не продемонстрировала значительного прироста производительности благодаря своей 256-битной шине. ATI не только удвоила ширину своей шины до 256 бит, но и интегрировала передовой контроллер памяти с кросс-баром, частично похожий на технологию памяти NVIDIA. Используя четыре отдельных 64-битных контроллера памяти с балансировкой нагрузки, реализация памяти ATI была способна достичь высокой эффективности пропускной способности, поддерживая достаточную гранулярность операций памяти и, таким образом, обходя ограничения задержки памяти. "R300" также получила последнее усовершенствование инновационной технологии ATI HyperZ III, позволяющей экономить пропускную способность памяти и скорость заполнения. Требования архитектуры 8x1 требовали большей пропускной способности, чем 128-битные шины предыдущего поколения, из-за удвоенной скорости текстурирования и заполнения пикселей. Radeon 9700 представила схему мультисэмплинг-антиалиасинга с гамма-коррекцией ATI. Чип предлагал разреженное сэмплирование в режимах 2x, 4x и 6x. Мультисэмплинг обеспечивал значительно более высокую производительность по сравнению с методом суперсэмплирования на старых Radeon и превосходное качество изображения по сравнению с предложениями NVIDIA того времени. Антиалиасинг впервые стал полностью работоспособным вариантом даже в самых новых и требовательных играх. R300 также предлагала продвинутую анизотропную фильтрацию, которая оказывала гораздо меньшее влияние на производительность, чем анизотропное решение GeForce4 и других конкурентов, при этом обеспечивая значительно улучшенное качество по сравнению с анизотропной фильтрацией Radeon 8500, которая сильно зависела от угла обзора. 14 марта 2008 года AMD выпустила 3D Register Reference для R3xx.

The chip adopted an architecture consisting of 8 pixel pipelines, each with 1 texture mapping unit (an 8x1 design). While this differed from the older chips using 2 (or 3 for the original Radeon) texture units per pipeline, this did not mean R300 could not perform multi texturing as efficiently as older chips. Its texture units could perform a new loopback operation which allowed them to sample up to 16 textures per geometry pass. The textures can be any combination of one, two, or three dimensions with bilinear, trilinear, or anisotropic filtering. This was part of the new DirectX 9 specification, along with more flexible floating point based Shader Model 2.0+ pixel shaders and vertex shaders. Equipped with 4 vertex shader units, R300 possessed over twice the geometry processing capability of the preceding Radeon 8500 and the GeForce4 Ti 4600, in addition to the greater feature set offered compared to DirectX 8 shaders. ATI demonstrated part of what was capable with pixel shader PS2.0 with their Rendering with Natural Light demo. The demo was a real time implementation of noted 3D graphics researcher Paul Debevec's paper on the topic of high dynamic range rendering. A noteworthy limitation is that all R300 generation chips were designed for a maximum floating point precision of 96 bit, or FP24, instead of DirectX 9's maximum of 128 bit FP32. DirectX 9.0 specified FP24 as a minimum level for conforming to the specification for full precision. This trade off in precision offered the best combination of transistor usage and image quality for the manufacturing process at the time. It did cause a usually visibly imperceptible loss of quality when doing heavy blending. ATI's Radeon chips did not go above FP24 until R520. The R300 was the first board to truly take advantage of a 256 bit memory bus. Matrox had released their Parhelia 512 several months earlier, but this board did not show great gains with its 256 bit bus. ATI, however, had not only doubled their bus to 256 bit, but also integrated an advanced crossbar memory controller, somewhat similar to NVIDIA's memory technology. Utilizing four individual load balanced 64 bit memory controllers, ATI's memory implementation was quite capable of achieving high bandwidth efficiency by maintaining adequate granularity of memory transactions and thus working around memory latency limitations. "R300" was also given the latest refinement of ATI's innovative HyperZ memory bandwidth and fillrate saving technology, HyperZ III. The demands of the 8x1 architecture required more bandwidth than the 128 bit bus designs of the previous generation due to having double the texture and pixel fillrate. Radeon 9700 introduced ATI's multi sample gamma corrected anti aliasing scheme. The chip offered sparse sampling in modes including 2×, 4×, and 6×. Multi sampling offered vastly superior performance over the supersampling method on older Radeons, and superior image quality compared to NVIDIA's offerings at the time. Anti aliasing was, for the first time, a fully usable option even in the newest and most demanding titles of the day. The R300 also offered advanced anisotropic filtering which incurred a much smaller performance hit than the anisotropic solution of the GeForce4 and other competitors' cards, while offering significantly improved quality over Radeon 8500's anisotropic filtering implementation which was highly angle dependent. On March 14, 2008, AMD released the 3D Register Reference for R3xx.

Выступление

Архитектура Radeon 9700 была очень эффективной и значительно более продвинутой по сравнению с конкурентами 2002 года. В обычных условиях Radeon 9700 Pro превосходит GeForce4 Ti 4600, предыдущую флагманскую модель, на 4101% и до 278% при включенном сглаживании (AA) и/или анизотропной фильтрации (AF). В то время это было весьма необычно и способствовало широкому признанию AA и AF как действительно полезных функций. Помимо передовой архитектуры, обозреватели также отметили изменение стратегии ATI. 9700 стала вторым чипом ATI (после 8500), который поставлялся сторонним производителям, а не производился ATI самостоятельно, хотя ATI продолжала выпускать карты на базе своих самых производительных чипов. Это высвободило инженерные ресурсы, которые были направлены на улучшение драйверов, и 9700 продемонстрировала феноменальную производительность при запуске благодаря этому. Технический директор id Software Джон Кармак использовал Radeon 9700 для демонстрации Doom 3 на E3. Увеличение производительности и качества, обеспечиваемое графическим процессором R300, считается одним из самых значительных в истории 3D-графики, наряду с достижениями GeForce 256 и Voodoo Graphics. Более того, ответ NVIDIA в виде GeForce FX 5800 был запоздалым и не слишком впечатляющим, особенно при использовании пиксельного затенения. R300 стал одним из графических процессоров с самым длительным сроком полезного использования в истории, обеспечивая приемлемую производительность в новых играх как минимум 3 года после запуска.

Дальнейшие релизы

Несколько месяцев спустя были выпущены 9500 и 9500 PRO. 9500 PRO имел вдвое меньшую ширину шины памяти, чем 9700 PRO, а в 9500 также было отключено (деактивировано) половина блоков обработки пикселей и блок иерархической оптимизации Z-буфера (часть HyperZ III). Благодаря своим восьми полноценным конвейерам и эффективной архитектуре, 9500 PRO превосходил все продукты NVIDIA, за исключением Ti 4600. В то же время 9500 стал популярным, поскольку в некоторых случаях его можно было модифицировать в гораздо более мощный 9700. ATI изначально планировал серию 9500 как временное решение для заполнения пробела в преддверии рождественского сезона 2002 года, до выхода 9600. Поскольку все чипы R300 были основаны на одном и том же физическом кристалле, маржа прибыли ATI от продуктов 9500 была невысокой. Radeon 9500 стал одним из самых недолговечных продуктов ATI, позже замененным серией Radeon 9600. Логотип и упаковка 9500 были повторно использованы в 2004 году для продвижения несвязанного и более медленного Radeon 9550 (который является производным от 9600).

Освежается

В начале 2003 года видеокарты 9700 были заменены на 9800 (или R350). Это были R300 с повышенной тактовой частотой и улучшениями в шейдерных блоках и контроллере памяти, что повысило производительность антиалиасинга. Они были разработаны для сохранения лидерства в производительности над недавно выпущенной GeForce FX 5800 Ultra, что им удалось сделать без труда. 9800 по-прежнему успешно конкурировала с обновленной FX 5900, особенно (и значительно) в задачах с интенсивным затенением пикселей SM2.0. Еще одним преимуществом 9800 было то, что она оставалась однослотовой картой, в отличие от двухслотовых требований FX 5800 и FX 5900. Позднее версия 9800 Pro с 256 МБ памяти использовала GDDR2. Другими вариантами были 9800, представлявшая собой версию 9800 Pro с пониженной тактовой частотой, и 9800 SE, у которой была отключена половина блоков обработки пикселей (которые иногда можно было снова активировать). Официальные спецификации ATI предусматривают 256-битную шину памяти для 9800 SE, но большинство производителей использовали 128-битную шину. Обычно 9800 SE с 256-битной шиной памяти называли "9800 SE Ultra" или "9800 SE Golden Version". Параллельно с 9800 в начале 2003 года была выпущена серия 9600 (также известная как RV350), и хотя 9600 PRO не превосходила 9500 PRO, которую она должна была заменить, ее производство обходилось ATI значительно дешевле благодаря использованию 130-нм техпроцесса (все карты ATI, начиная с 7500/8500, производились по 150 нм) и упрощенной конструкции. Ядро RV350 Radeon 9600 по сути являлось 9800 Pro, разрезанной пополам, с точно половиной тех же функциональных блоков, что делало ее архитектурой 4x1 с 2 шейдерами вершин. Она также лишилась части HyperZ III с удалением блока оптимизации иерархического буфера глубины, как и Radeon 9500. Использование 130-нм техпроцесса также способствовало увеличению тактовой частоты ядра. Серия 9600, вся с высокими заводскими настройками, продемонстрировала значительный потенциал для разгона (достигая более 500 МГц, по сравнению с 400 МГц у модели Pro). Хотя серия 9600 была менее мощной, чем замененные ею 9500 и 9500 Pro, она в значительной степени сохранила лидерство 9500 над GeForce FX 5600 Ultra от NVIDIA и стала экономически выгодным ответом ATI на долгоживущую производительную карту GeForce4 Ti 4200. Летом 2003 года была выпущена Mobility Radeon 9600, основанная на ядре RV350. Будучи первым мобильным чипом, предлагавшим шейдеры DirectX 9.0, она пользовалась таким же успехом, как и предыдущие Mobility Radeon. Первоначально планировалось, что Mobility Radeon 9600 будет использовать технологию памяти GDDR2 M. Компания, разрабатывавшая эту память, обанкротилась, и память так и не поступила в продажу, поэтому ATI была вынуждена использовать обычную DDR SDRAM. Безусловно, использование GDDR2 M позволило бы снизить энергопотребление и, возможно, повысить производительность. Осенью 2004 года была выпущена немного более быстрая версия – Mobility Radeon 9700 (которая все еще была основана на RV350, а не на более старой R300 настольной Radeon 9700, несмотря на схожесть в названии). Позднее в 2003 году были представлены три новые карты: 9800 XT (R360), 9600 XT (RV360) и 9600 SE (RV350). 9800 XT была немного быстрее, чем 9800 PRO, а 9600 XT успешно конкурировала с недавно выпущенной GeForce FX 5700 Ultra. Чип RV360 в 9600 XT стал первым графическим чипом ATI, использующим технологию производства Low K, что позволило еще больше увеличить тактовую частоту ядра 9600 (500 МГц по умолчанию). 9600 SE стала ответом ATI на GeForce FX 5200 Ultra от NVIDIA, превзойдя 5200 и при этом будучи более доступной по цене. В начале 2004 года последовала еще одна плата на базе "RV350" – Radeon 9550, которая представляла собой Radeon 9600 с пониженной тактовой частотой ядра (но с идентичной тактовой частотой и шириной шины памяти). Стоит отметить, что вся линейка на базе R300 использовала однослотные системы охлаждения. Только в поколении R420, с Radeon X850 XT Platinum Edition в декабре 2004 года, ATI перешла на официальную двухслотовую конструкцию системы охлаждения.

In early 2003, the 9700 cards were replaced by the 9800 (or, R350). These were R300s with higher clock speeds, and improvements to the shader units and memory controller which enhanced anti aliasing performance. They were designed to maintain a performance lead over the recently launched GeForce FX 5800 Ultra, which it managed to do without difficulty. The 9800 still held its own against the revised FX 5900, primarily (and significantly) in tasks involving heavy SM2.0 pixel shading. Another selling point for the 9800 was that it was still a single slot card, compared to the dual slot requirements of the FX 5800 and FX 5900. A later version of the 9800 Pro with 256 MB of memory used GDDR2. The other two variants were the 9800, which was simply a lower clocked 9800 Pro, and the 9800 SE, which had half the pixel processing units disabled (could sometimes be enabled again). Official ATI specifications dictate a 256 bit memory bus for the 9800 SE, but most of the manufacturers used a 128 bit bus. Usually, the 9800 SE with 256 bit memory bus was called "9800 SE Ultra" or "9800 SE Golden Version". Alongside the 9800, the 9600 (a. k. a. RV350) series was rolled out in early 2003, and while the 9600 PRO didn't outperform the 9500 PRO that it was supposed to replace, it was much more economical for ATI to produce by way of a 130 nm process (all ATI's cards since the 7500/8500 had been 150 nm) and a simplified design. Radeon 9600's RV350 core was basically a 9800 Pro cut in half, with exactly half of the same functional units, making it a 4×1 architecture with 2 vertex shaders. It also lost part of HyperZ III with the removal of the hierarchical z buffer optimization unit, the same as Radeon 9500. Using a 130 nm process was also good for pushing up the core clock speed. The 9600 series, all with high default clocking, was shown to have quite a bit of headroom by overclockers (achieving over 500 MHz, from 400 MHz on the Pro model). While the 9600 series was less powerful than the 9500 and 9500 Pro it replaced, it did largely manage to maintain the 9500's lead over NVIDIA's GeForce FX 5600 Ultra, and it was ATI's cost effective answer to the long time mainstream performance board, GeForce4 Ti 4200. During the summer of 2003, the Mobility Radeon 9600 was launched, based upon the RV350 core. Being the first laptop chip to offer DirectX 9.0 shaders, it enjoyed the same success of the previous Mobility Radeons. The Mobility Radeon 9600 was originally planned to use a RAM technology called GDDR2 M. The company developing that memory went bankrupt and the RAM never arrived, so ATI was forced to use regular DDR SDRAM. Undoubtedly there would have been power usage savings, and perhaps performance gains with GDDR2 M. In fall 2004, a slightly faster variant, the Mobility Radeon 9700 was launched (which was still based upon the RV350, and not the older R300 of the desktop Radeon 9700 despite the naming similarity). Later in 2003, three new cards were launched: the 9800 XT (R360), the 9600 XT (RV360), and the 9600 SE (RV350). The 9800 XT was slightly faster than the 9800 PRO had been, while the 9600 XT competed well with the newly launched GeForce FX 5700 Ultra. The RV360 chip on 9600 XT was the first graphics chip by ATI that utilized Low K chip fabrication and allowed even higher clocking of the 9600 core (500 MHz default). The 9600 SE was ATI's answer to NVIDIA's GeForce FX 5200 Ultra, managing to outperform the 5200 while also being cheaper. Another "RV350" board followed in early 2004, on the Radeon 9550, which was a Radeon 9600 with a lower core clock (though an identical memory clock and bus width). Worthy of note regarding the R300 based generation is that the entire lineup utilized single slot cooling solutions. It was not until the R420 generation's Radeon X850 XT Platinum Edition, in December 2004, that ATI would adopt an official dual slot cooling design.

Новый интерфейс

Также в 2004 году ATI выпустила видеокарты Radeon X300 и X600. Они были основаны на графических процессорах RV370 (техпроцесс 110 нм) и RV380 (техпроцесс 130 нм Low K) соответственно. Они были практически идентичны чипам, использованным в Radeon 9550 и 9600, отличаясь лишь поддержкой интерфейса PCI Express. Эти видеокарты были очень популярны среди Dell и других OEM-производителей для продажи в различных конфигурациях; разъемы: DVI против DMS 59, высота платы: стандартная высота против половинной высоты. Позже была выпущена Radeon X550, использующая тот же графический процессор, что и Radeon X300 (RV370).