Pascal (microarquitectura)

Pascal es el nombre en clave de una microarquitectura de GPU desarrollada por Nvidia , como sucesora de la arquitectura Maxwell . Esta arquitectura se presentó por primera vez en abril de 2016 con el lanzamiento de la Tesla P100 (GP100) el 5 de abril de 2016, y se utiliza principalmente en la serie GeForce 10 , comenzando con la GeForce GTX 1080 y la GTX 1070 (ambas con la GPU GP104), lanzadas el 27 de mayo de 2016 y el 10 de junio de 2016, respectivamente. Pascal se fabricó utilizando el proceso FinFET de 16 nm de TSMC ^{[ 3 ]} y, posteriormente, el proceso FinFET de 14 nm de Samsung ^{[ 4 ] .} 

La arquitectura recibe su nombre del matemático y físico francés del siglo XVII, Blaise Pascal .

En abril de 2019, Nvidia habilitó una implementación de software de DirectX Raytracing en tarjetas basadas en Pascal a partir de la GTX 1060 de 6  GB, y en las tarjetas de la serie 16 , una característica reservada hasta ese momento a la serie RTX basada en Turing. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

En marzo de 2014, Nvidia anunció que la sucesora de Maxwell sería la microarquitectura Pascal; anunciada el 6 de mayo de 2016 y lanzada el 27 de mayo del mismo año. La Tesla P100 (chip GP100) tiene una versión diferente de la arquitectura Pascal en comparación con las GPU GTX (chip GP104). Las unidades de sombreado en el GP104 tienen un diseño similar al de Maxwell . ^{[ 7 ]}

Las mejoras arquitectónicas de la arquitectura GP100 incluyen lo siguiente: ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

• En Pascal, un SM (multiprocesador de flujo) consta de entre 64 y 128 núcleos CUDA, dependiendo de si es GP100 o GP104. Maxwell contenía 128 núcleos CUDA por SM; Kepler tenía 192, Fermi 32 y Tesla 8. El SM GP100 está dividido en dos bloques de procesamiento, cada uno con 32 núcleos CUDA de precisión simple, un búfer de instrucciones, un planificador de hilos, 2 unidades de mapeo de texturas y 2 unidades de despacho.
• Capacidad de cómputo CUDA 6.0.
• Memoria de alto ancho de banda 2: algunas tarjetas incorporan 16  GiB de HBM2 en cuatro pilas con un ancho de bus total de 4096 bits y un ancho de banda de memoria de 720  GB/s.
• Memoria unificada: una arquitectura de memoria en la que la CPU y la GPU pueden acceder tanto a la memoria principal del sistema como a la memoria de la tarjeta gráfica con la ayuda de una tecnología llamada "Page Migration Engine".
• NVLink : un bus de alto ancho de banda entre la CPU y la GPU, y entre múltiples GPU. Permite velocidades de transferencia mucho mayores que las que se pueden lograr con PCI Express; se estima que proporciona entre 80 y 200  GB/s. ^{[ 11 ] [ 12 ]}
• Las operaciones de punto flotante de 16 bits ( FP16 ) (coloquialmente "precisión media") se pueden ejecutar al doble de velocidad que las operaciones de punto flotante de 32 bits ("precisión simple") ^{[ 13 ]} y las operaciones de punto flotante de 64 bits (coloquialmente "precisión doble") se ejecutan a la mitad de velocidad que las operaciones de punto flotante de 32 bits. ^{[ 14 ]}
• Más registros: el doble de registros por núcleo CUDA en comparación con Maxwell.
• Más recuerdos compartidos.
• Sistema de planificación de equilibrio de carga dinámico. ^{[ 15 ]} Esto permite que el planificador ajuste dinámicamente la cantidad de GPU asignada a múltiples tareas, asegurando que la GPU permanezca saturada de trabajo excepto cuando ya no haya más trabajo que pueda distribuirse de forma segura. ^{[ 15 ]} Por lo tanto, Nvidia ha habilitado de forma segura la computación asíncrona en el controlador de Pascal. ^{[ 15 ]}
• Preempción a nivel de instrucción y a nivel de hilo. ^{[ 16 ]}

Las mejoras arquitectónicas de la arquitectura GP104 incluyen lo siguiente: ^{[ 7 ]}

• Capacidad de cómputo CUDA 6.1.
• GDDR5X : nuevo estándar de memoria que admite velocidades de datos de 10 Gbit/s, controlador de memoria actualizado. ^{[ 17 ]}
• Proyección múltiple simultánea: genera múltiples proyecciones de un único flujo de geometría, a medida que ingresa al motor SMP desde etapas de sombreado anteriores. ^{[ 18 ]}
• DisplayPort 1.4, HDMI 2.0b.
• Compresión de color Delta de cuarta generación.
• Interfaz SLI mejorada: interfaz SLI con mayor ancho de banda en comparación con las versiones anteriores.
• PureVideo Feature Set H decodificación de vídeo por hardware HEVC Main10 (10 bits), Main12 (12 bits) y VP9.
• Compatibilidad con HDCP 2.2 para la reproducción y transmisión de contenido 4K protegido con DRM (Maxwell GM200 y GM204 no son compatibles con HDCP 2.2, GM206 sí lo es). ^{[ 19 ]}
• Codificación por hardware NVENC HEVC Main10 de 10 bits.
• GPU Boost 3.0.
• Exclusión a nivel de instrucción. ^{[ 16 ]} En las tareas gráficas, el controlador restringe la exclusión al nivel de píxel, porque las tareas de píxeles suelen terminar rápidamente y los costos de sobrecarga de la exclusión a nivel de píxel son menores que los de la exclusión a nivel de instrucción (que es costosa). ^{[ 16 ]} Las tareas de cómputo obtienen exclusión a nivel de hilo o de instrucción, ^{[ 16 ]} porque pueden tardar más tiempo en terminar y no hay garantías sobre cuándo termina una tarea de cómputo. Por lo tanto, el controlador habilita la costosa exclusión a nivel de instrucción para estas tareas. ^{[ 16 ]}

La potencia de procesamiento teórica de precisión simple de una GPU Pascal en GFLOPS se calcula como 2 × operaciones por instrucción FMA por núcleo CUDA por ciclo × número de núcleos CUDA × velocidad de reloj del núcleo (en GHz).

La potencia de procesamiento teórica de doble precisión de una GPU Pascal es la mitad del rendimiento de precisión simple de la Nvidia GP100 y 1/32 del de las Nvidia GP102, GP104, GP106, GP107 y GP108.

La potencia de procesamiento teórica de precisión media de una GPU Pascal es 2× del rendimiento de precisión simple en GP100 ^{[ 14 ]} y 1/64 en GP104, GP106, GP107 y GP108. ^{[ 20 ]}

La arquitectura Pascal fue sucedida en 2017 por Volta en los mercados de computación de alto rendimiento (HPC) , computación en la nube y vehículos autónomos , y en 2018 por Turing en el mercado de consumo y empresarial. ^{[ 35 ]}

Desde P100, ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]} hasta V100, ^{[ 39 ]} hasta A100, ^{[ 40 ]} hasta H100, ^{[ 41 ]} hasta B200 ^{[ 42 ] [ 43 ]} y hasta R100; ^{[ 44 ]} la comparación de aceleradores utilizados en DGX:

• Lista de epónimos de microarquitecturas de GPU de Nvidia
• Lista de unidades de procesamiento gráfico de Nvidia
• Nvidia NVDEC
• Nvidia NVENC