3. 28nm 신공정으로 집적도 증가, GPGPU는 축소
케플러 (Kepler) 아키텍처는 28nm 신공정을 도입함으로써 더 많은 실행 유닛을 포함할 수 있게 되었으며, GPGPU 연산의 유연성은 유지해되 효율과 성능은 다소 희생했다.
28nm 신공정으로 트랜지스터 집적도 증가, GPGPU 축소
[28nm 공정으로 작아진 다이 사이즈, 트랜지스터는 35억 4천만]
28nm 공정을 적용한 케플러 (Kepler) GK104 GPU는 35억 4천만 개 (3.54B)의 트랜지스터가 집적되었다. 지포스 GTX 580에 사용된 GF110 GPU는 30억 개 (3.0B)의 트랜지스터를 집적했다. 경쟁 상대인 라데온 HD 7970/ 7950에 사용된 타히티 (Tahiti) XT/ Pro는 43억개 (4.3B)의 트랜지스터가 집적된다.
케플러 GK104는 294mm^2의 다이 사이즈, GTX 580의 GF110은 520mm^2의 다이 사이즈, HD 7970의 타히티 XT는 365mm^2로 GK104 코어는 타히티 XT보다 오히려 더 작은 크기를 가진다.
[다이 사이즈 감소, 쿠다 코어 (CUDA Cores) 3배 증가]
케플러는 SM (Streaming Multiprocessor)을 확장해 새롭게 SMX로 재편했다. SMX는 SM의 발전형이며, 전체 GPC (Graphics Processing Clusters) 구조는 기존과 같이 4개로 차이가 없다. 기존처럼 기가스레드 엔진 (Giga Thread Engines)을 이용해 스레드를 재분배 및 관리해 효율적인 연산을 가능하도록 해준다.
케플러에 사용된 쿠다 코어는 페르미와 같이 정수와 부동소수점 연산 구조로 CPU의 실행 유닛과 유사한 구조를 가지며, SFU (Special Function Units) 역시 기존과 차이는 없다.
페르미가 그래픽연산에 중요한 FP32와 GPGPU 연산에 중요한 FP64를 모두 고려했다면, 케플러는 그래픽 연산에 중요한 FP32에 보다 집중했다. 페르미에서는 FP64를 1/4 수준으로 설정, 케플러는 FP64 연산이 가능한 유닛을 8개 추가해 FP64를 지원하나 1/ 24 수준으로 크게 낮아졌다. 이러한 변화로 GPGPU 연산 능력은 낮아졌으나 전력 소모는 감소했다. 이를 통해 페르미와 달리 FP64 연산이 강화된 전문가용 제품과 FP32를 강화한 데스크탑 2가지 제품군으로 나뉠 것으로 예상된다.
실행 유닛 증가, 고정 유닛 감소로 그래픽연산 효율 극대화
[SM 대비 크게 증가된 SMX]
지포스 GTX 680에 사용된 GK104 코어는 페르미 GF110보다 3배로 늘어난 쿠다 코어를 제공하며, 와트당 성능비도 2배 개선되었다. 코어 클럭 증가, 코어와 쉐이더 클럭 동기화, 그리고 하드웨어 컨트롤 최소화, SMX 클러스터 당 32 쿠다코어에서 192개로 증가되었고 16텍스처 유닛, 폴리모프 엔진은 2.0으로 업그레이드가 이루어졌다.
또 GK104는 2배로 늘어난 텍스처 유닛을 제공하며, SFU는 4배 증가로 256, 메모리로부터 데이터 읽기와 쓰기를 실행하는 로드/ 스토어 유닛 (LD/ST)은 16유닛 그룹이 2개로 기존과 같다.
폴리모프 엔진은 8개로 줄었고 Warp Schedulers는 2개에 4개로 늘었으며, 스레드 실행은 32개로 기존과 같다. 클럭 당 폴리폰 처리는 4개, 클럭 당 명령어는 2배 (64 x 32) 증가했다. 세부적으로 SMX는 6배 늘어난 쿠다 코어, 8배 늘어난 32 SFU, 디스패치 유닛은 4배인 8로 증가했다.
DirectX 11.1과 PCI-Express 3.0, PhysX 지원
[지포스 GTX 680, GK104 블록 다이어그램]
지포스 GTX 680은 쿼드 코어화와 8개의 지오메트리 엔진을 제공해 기본 구조는 페르미와 유사하나 내부 SMX 구조가 더욱 강력해졌다.
DirectX 11.1과 PCI-Express 3.0 규격 (2.0의 2배인 양방향 32GB/s 대역폭)은 AMD 라데온 HD 7900 시리즈에서 지원하는데 케플러는 경쟁사와 마찬가지로 DirectX11.1과 늘어나는 대역폭 지원을 위해 PCI-Express 3.0을 지원한다. GPU로 가속되는 PhysX 기술도 기존처럼 지원된다.
이 외에도 GPGPU 기술은 엔비디아 지포스 GTX 680은 쿠다 (CUDA)와 DX11 API의 GPGPU 기술인 다이렉트 컴퓨트 (DirectCompute 11), 공개표준인 OpenCL 1.2, Microsoft C++AMP를 모두 지원한다.
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