مقایسه GDDR5X با GDDR5 و بررسی مشخصات نسل جدید حافظه‌ی کارت گرافیک‌ها

حافظه‌های GDDR5X به زودی در صنعت کارت گرافیک به کار می‌روند. پهنای باند دو برابر، توان مصرفی در حد GDDR5 و 1.5 الی 2 برابر شدن ظرفیت حافظه، از جمله برتری‌های GDDR5X است. در ادامه به بررسی و مقایسه GDDR5X با GDDR5 می‌پردازم.

فصل پایانی سال 2015 سازمان استانداردسازی حافظه‌هایی با دسترسی تصادفی (به اختصار DRAM و اصطلاحاً رم) مشخصات GDDR5X را نهایی کرد. حافظه‌های GDDR5X کم و بیش در نسل بعدی کارت گرافیک‌ها به کار می‌روند و از این رو استاندارد تصویب شده، اهمیت بسزایی دارد. GDDR5X مثل نسل‌های قبلی GDDR برای ایجاد تغییر و تحول بزرگ در معماری حافظه‌ی کارت گرافیک معرفی نشده بلکه پایه و اساس آن مثل GDDR5 است و هدف اصلی صرفاً بهبود عملکرد و رفع برخی محدودیت‌های فیزیکی است.

GDDR5X حافظه‌ی گرافیکی با دسترسی تصادفی و سنکرون است (به GDDRها، SGRAM گفته می‌شود که مخفف synchronous graphics random access memory است) به این معنی که دسترسی به صورت همزمان صورت می‌گیرد.

GDDR5 در سال 2007 استاندارد شد و سپس برای اولین بار در سال 2008 مورداستفاده قرار گرفت. GDDR5X سه تغییر مهم و کلیدی نسبت به نسل قبلی دارد: بهبود پهنای باند در حد دو برابر، بهبود مصرف انرژی و افزایش تراکم تراشه‌های حافظه برای افزایش بافر گرافیکی کارت گرافیک‌های رده‌اول. البته کاربری این حافظه صرفاً در کارت گرافیک نیست. مشخصه‌ها و قابلیت‌ها تغییر خاصی نکرده و به همین جهت است که نام استاندارد و حافظه‌های جدید، GDDR6 نیست. در ادامه به بررسی هر یک از تغییرات یاد شده می‌پردازیم.

بهبود عملکرد و افزایش پهنای باند

در حال حاضر حداکثر فرکانس کاری موثر حافظه‌های GDDR5 که 4 برابر فرکانس کاری است، بین 7 تا 8 گیگاهرتز است. کمپانی مایکرون یکی از تولیدکنندگان بزرگ حافظه می‌گوید می‌توان عملکرد واسط ارتباطی بخش دستور، داده و آدرس را بالا برد ولیکن سرعت آرایه و پروتکل ارسال دستور و آدرس گرفتار محدودیت‌های جدی است و می‌بایست در معماری حافظه تغییر ایجاد شود. اسلاید زیر خلاصه‌ای از تغییرات مهم است:

دقت کنید که پهنای باند GDDR نسبت به DDR به مراتب بیشتر است ولیکن تأخیر نیز بالاتر است و به همین جهت این نوع خاص حافظه، کاربری خاص خود را دارد.

معماری پیش‌دریافت از 8n به 16n تغییر می‌کند و در نتیجه در هر دسترسی به آرایه‌ی حافظه، 512 بیت داده خوانده و یا نوشته می‌شود. لذا مقدار داده‌ی خوانده یا نوشته شده در هر سیکل کلاک، دو برابر بیشتر از GDDR5 است. بدیهی است که برای استفاده‌ی بهینه از این تغییر اساسی، کنترلر حافظه و حتی بازی و نرم‌افزار می‌بایست بهینه شوند.

فرکانس موثر حافظه GDDR5X، هشت برابر فرکانس معمول آن است

GDDR5X مثل نسل‌های قبلی دو سرعت کلاک دارد، سرعت کلاک بخش دستور یا CK و سرعت کلاک بخش تبادل داده یا WCK. سرعت دوم 2 برابر CK است و می‌توان داده را با سرعت 2 برابر (Double Data Rate یا به اختصار DDR) و یا سرعت 4 برابر (QDR) نسبت به سرعت WCK منتقل کرد، در حالت اول پیش‌دریافت 8n و در حالت دوم معماری پیش‌دریافت 16n فعال می‌شود. به عنوان مثال یک حافظه‌ی GDDR5 با سرعت 1.5 گیگاهرتز، فرکانس موثر 6 گیگاهرتزی دارد و GDDR5X در حالت QDR یا همان 16n، فرکانس موثر 12 گیگاهرتزی دارد. لذا پهنای باند 2 برابر است. سه حالت عملکردی در اسلاید زیر مطرح شده است:

همان‌طور که در اسلاید فوق مشاهده می‌کنید برای استفاده از حالت QDR به فعال بودن PLL و DLL نیاز است و در نتیجه طراح تراشه می‌بایست کنترلر حافظه را کمی تغییر دهد.

مایکرون معتقد است که می‌توان سرعت را به 16 گیگابیت بر ثانیه هم رساند ولیکن اگر سرعت 12 و یا 14 را به عنوان سرعت متداول فعلی فرض کنیم، پهنای باند حافظه‌ی GDDR5X با باس 256 بیتی به 448 گیگابایت بر ثانیه می‌رسد؛ 12.5 درصد کمتر از HBM به کار رفته در R9 Fury X ای‌ام‌دی. بنابراین GDDR5X برای کارت گرافیک‌های رده‌اول هم انتخاب خوبی است و شاید تنها لازمه، باس 384 یا 512 بیتی باشد و بس.

افزایش تراکم و ظرفیت حافظه

در کارت گرافیک‌های رده‌اولی که برای رزولوشن 4K و 5K و ... در نظر گرفته شده‌اند، حافظه‌ی 4 گیگابایتی کافی نیست. ممکن است 8 گیگابایت حافظه هم کافی نباشد و طبعاً نسل بعدی GDDR می‌بایست محدودیت ظرفیت حافظه را کمتر کند.

GDDR5 ماژول‌های 512 مگابیتی، 1 گیگابیتی، 2 و 4 و حداکثر 8 گیگابیتی (1 گیگابایت) را پوشش می‌دهد. GDDR5X ظرفیت‌های 4 و 6 و 8 و 12 و حداکثر 16 گیگابیت (2 گیگابایت) را پشتیبانی کرده و لذا می‌توان حافظه‌ی کارت گرافیک‌های رده‌اول را دو برابر کرد. نکته‌ی جالب این است که دو ظرفیت 6 و 12 گیگابیت متداول‌تر خواهند بود. احتمالاً تولید ماژول 16 گیگابیتی به علت بزرگ بودن قالب تراشه از نظر هزینه به صرفه نیست. هزینه و اندازه‌ی قالب ماژول 12 گیگابیتی که با لیتوگرافی 20، 16 و یا 18 نانومتر تولید شده، منطقی‌تر است. بنابراین باید به 1.5 برابر شدن حافظه‌ی کارت گرافیک‌ها امیدوار باشیم و نه 2 برابر شدن آن.

در استاندارد GDDR5X هم مثل GDDR5 می‌توان 2 ماژول با واسط 32 بیت را توسط یک کنترلر 32 بیتی مدیریت کرد. باس دستور و آدرس به صورت مشترک استفاده شده و تعداد ورودی‌ها و خروجی‌های تراشه به 16 عدد کاهش پیدا می‌کند. در این صورت پهنای باند تغییری نکرده ولیکن ظرفیت حافظه دو برابر می‌شود. بنابراین می‌توان در یک کارت گرافیک رده‌اول، حداکثر 64 گیگابایت حافظه با باس 512 بیتی (32 حافظه‌ی 2 گیگابایتی) در نظر گرفت.

کاهش توان مصرفی سومین هدف معرفی GDDR5X

ولتاژ کاری GDDR5 در کارت گرافیک‌های رده‌اول امروزی، 1.5 ولت است. در GDDR5X ولتاژ کاری مشابه DDR4های رده‌اول، 1.35 ولت است. به این ترتیب توان مصرفی تا 10 درصد کمتر شده و در ضمن گرمای کمتری تولید می‌شود. نرخ نمونه‌برداری کنترلر دما هم به عنوان بخشی از تکنولوژی GDDR5X استاندارد شده تا توان مصرفی در برخی کاربری‌های خاص، بهینه‌تر شود.

توان مصرفی GDDR5X در سرعت کلاک برابر، کمتر از GDDR5 است اما در کارت گرافیک‌های رده‌اولی که پهنای باند بسیار بالا نیاز دارند، GDDR5X توان مصرفی مشابه و حتی بیشتر از GDDR5 دارد. کمپانی مایکرون می‌گوید توان مصرفی هر تراشه‌ی حافظه 2 الی 2.5 وات است و لذا در کارت گرافیک‌های مختلف توان مصرفی بخش حافظه عددی بین 10 الی 30 وات است. 30 وات عددی است که در بررسی توان مصرفی حافظه‌ی کارت گرافیک‌های رده‌اولی مثل R9 390X سراغ داریم، بنابراین GDDR5X می‌خواهد با حفظ توان مصرفی در حد و حدود GDDR5، پهنای باند را 1.5 الی 2 برابر کند و لذا به مراتب بهینه‌تر از GDDR5 است.

پین‌های ارتباطی حافظه GDDR5X در برابر GDDR5

اتصال ماژول‌های GDDR5X به برد، 190 پین دارد حال آنکه GDDR5 دارای 170 پین است. بنابراین نمی‌توان ماژول‌های جدید را به جای نسل قبلی نصب کرد. به دو تصویر زیر که پین‌های ارتباطی را نشان می‌دهد دقت کنید:

زمان استفاده از GDDR5X در کارت گرافیک‌ها

حافظه‌ی HBM2 با پهنای باند ترابایتی! قطعاً انتخاب جالب‌تری است چرا که این حافظه ساختار سه‌بعدی دارد و در فضای اندک، پهنای باند عالی و مصرف انرژی پایین ایجاد می‌کند. اما HBM به تغییرات جدی‌تری نیاز دارد و استفاده از آن دشوارتر است.

GDDR5X تفاوت آنچنانی با GDDR5 ندارد و مهاجرت به این گونه‌ی جدید حافظه، ساده‌تر است اما در نهایت انویدیا و ای‌ام‌دی در مورد زمان استفاده از GDDR5X تصمیم می‌گیرند. ممکن است ای‌ام‌دی اغلب محصولات جدید خود را با تغییر نام و بهینه‌سازی‌های کوچک مدل‌های سابق معرفی کند و در عین حال ممکن است معماری جدید Polaris در اغلب محصولات جدید به کار رود و بخش حافظه هم GDDR5X یا HBM2 باشد.

اینتوتک