Larrabee – najazd Intela na rynek kart graficznych

Larrabee to nazwa kodowa przyszłego dedykowanego procesora graficznego Intela – pierwszego od wielu lat produktu tego typu. Mimo, że w ostatnich latach jedyne tworzone przez Intela układy graficzne to te zintegrowane z chipsetami, warto pamiętać, że Intel miał już w swojej historii epizod z tworzeniem dedykowanych kart graficznych. Była to Intel i740, karta AGP stworzona w 1998 roku przez oddział Intela, utworzony z zakupionej wcześniej przez „niebieskich” firmy Real3D. Jednym z najważniejszych zadań nowej karty graficznej była promocja nowy wówczas interfejsu Accelerated Graphics Port, wprowadzonego przez Intela w 1997. Podobnie, jak ma to miejsce również u innych producentów, których kolejne generacje chipów są do pewnego stopnia oparte na poprzednikach, również współczesne IGP zintegrowane w chipsetach Intela wywodzą się z i740, choć zostały w stosunku do niego znacząco rozbudowane i unowocześnione.

Larrabee przygotowywany jest przez zespół inżynierów Intela w Hillsborro w Oregonie – ten sam, który projektował architekturę procesora Pentium 4. Oprogramowanie pisze z kolei zupełnie nowy team, w skład którego wchodzi wielu ekspertów do spraw grafiki, takich jak Michael Abrash, pracujący wcześniej nad silnikiem gry Quake, a później współtworzący konsolę Microsoft XBOX.

Koncepcja i architektura Larrabee są już właściwie gotowe. Pierwsze próbki chipów Intel powinien mieć gotowe jeszcze przed koncem 2008 roku. Premierę gotowych kart koncern zapowiada na koniec 2009 lub początek 2010.

GPGPU według Intela

Nowy chip Intela wpisuje się w nowe trendy, polegające na łączeniu wydajności karty graficznej z wszechstronnością procesora (GPGPU – General Purpose computing on Graphics Processing Units). Jednak o ile można oczekiwać od Larrabee, że będzie wydajną jak na standardy 2009 roku kartą graficzną, o tyle nie należy się spodziewać iż jego wydajność w przeciętnej aplikacji osiągnie poziom choćby współczesnych procesorów Core 2. Nowa kość Intela będzie raczej ewolucyjnym rozszerzeniem obecnych GPU, takich jak te produkowane przez ATI, czy NVIDIĘ. Pamiętajmy, że już dzisiaj są one w stanie, oprócz generowania grafiki, wykonywać wielowątkowe obliczenia.

Czym Larrabee będzie różnił się od dzisiejszych GPU? Po pierwsze, jest dalece bardziej programowalny i dysponuje większymi możliwościami, niż współczesne procesory graficzne. Po drugie, oferuje nie tylko zgodność ze standardami DirectX i OpenGL w kwestii generowania grafiki, ale również z x86 (32-bit i 64-bit), jeśli chodzi o uruchamianie oprogramowania. Konkurencyjne chipy GeForce i Radeon wymagają kompilowania pisanego na nie kodu specjalnym kompilatorem (CUDA w przypadku NVIDII i Stream SDK u ATI).

 Ogólna architektura Larrabee

Larrabee składa się (podobnie jak współczesne GPU) z wielu małych, stosunkowo prostych rdzeni Multithreaded Wide SIMD, w których znajdują się jednostki x86 oraz jednostki przetwarzania wektorowego (VPU).

Co może stanowić pewną niespodziankę, każda z jednostek x86 oparta jest na architekturze P54C – czyli klasycznego procesora Pentium, wprowadzonego na rynek w 1993 roku. Na potrzeby Larrabee została ona zaktualizowana między innymi o obsługę 64-bitowych instrukcji EM64T oraz kontroler L1/L2 z funkcją prefetch (umożliwiający odczytywanie „na zapas” danych z pamięci cache).

Architektura jednostek przetwarzania wektorowego

Z kolei jednostki przetwarzania wektorowego (VPU) zawierają 512-bitową logikę i są zdolne do wykonywania szesnastu 32-bitowych operacji o pojedynczej lub podwójnej precyzji w ciągu jednego taktu zegara. Można to porównać do jednostek SSE we współczesnych CPU, z tym że w Larrabee będą one szybsze i bardziej rozbudowane.

Architektura rdzeni Multithreaded Wide SIMD

Każdy z rdzeni będzie dysponował Multithreaded Wide SIMD 64 KB pamięci podręcznej L1 (32 KB na instrukcje i 32 KB na dane). Do tego dochodzi pamięć cache drugiego poziomu, która będzie współdzielona pomiędzy rdzenie – każdy z nich będzie miał szybki dostęp do 256 KB L2. Za komunikację pomiędzy rdzeniami i pamięcią oraz pomiędzy samymi rdzeniami odpowiedzialna będzie dwukierunkowa 1024-bitowa sieć pierścieniowa (ring-bus) – po 512 bitów w każdym kierunku. Intel zapowiada, że pamięci L1 i L2 będą zorientowane na wysoką przepustowość przy jednoczesnym niskim poziomie opóźnień (latency).

Skalowanie Larrabee – dwa razy więcej rdzeni to dwa razy wyższa wydajność w grach

Jak widać, jednostki x86 w Larrabee potrafią więcej, niż analogiczne jednostki obecne w kartach graficznych ATI, czy NVIDII. W nowym chipie Intela będą one bowiem oferowały takie możliwości, jak stronicowanie pamięci, działanie na kilku wątkach, czy możliwość przełączania kontekstu i wielozadaniowość z wywłaszczaniem. Intel zapewnia również, iż Larrabee bardzo dobrze się skaluje pod względem liczby rdzeni – aby osiągnąć dwa razy wyższą wydajność, wystarczy podwoić liczbę rdzeni.

Pierwsze wersje Larrabee będą najprawdopodobniej oferowały 8 lub 16 rdzeni przy zegarze taktowania wynoszącym około 2 GHz. Chipowi ma towarzyszyć 512MB – 2 GB pamięci GDDR5, chociaż do 2009 roku wielkości te mogą ulec zmianie.

Jedną z ważnych funkcji Larrabee jest generowanie grafiki. Aby je przyspieszyć, Intel postanowił dodać do swojej architektury nieprogramowalny sampler tekstur (fixed-function texture sampler). Jak sama nazwa wskazuje, będzie to specjalizowana jednostka, służąca do wydajnego wykonywania operacji na teksturach – takich, jak ich filtrowanie, czy dekompresja. Sampler będzie również mógł się komunikować z opisywanymi wcześniej rdzeniami x86 za pośrednictwem pamięci L2.

Dzięki samplerowi tekstur, procesory zajmujące się grafiką nie będą musiały marnotrawić swojej mocy obliczeniowej na operacje związane z teksturami – będzie się tym zajmować odrębna, specjalizowana jednostka. Co więcej, nie ma ona wchodzić w drogę pozostałym elementom Larrabee – jej zadaniem jest przyspieszanie, a nie spowalnianie pracy całego układu. Intel podaje, iż sampler jest w stanie filtrować tekstury 12 razy szybciej i dekompresować je 40 razy wydajniej, niż byłby to w stanie robić kod x86, uruchomiony na Larrabee.

Intel obiecuje, że już „pierwsze implementacje architektury Larrabee będą przeznaczone do kart graficznych oraz zastosowań multimedialnych i umożliwią uruchamianie istniejących gier oraz programów.” Czy więc kompatybilność Larrabee z x86 oznacza, że na Larrabee będzie dało się bez problemu uruchomić współczesne systemy operacyjne i oprogramowanie?

Do pewnego stopnia tak, ale w niektórych wypadkach niezbędne będą modyfikacje. Poza tym sam fakt zastosowania rdzeni zgodnych z x86 nie oznacza jeszcze, że każdy kod będzie działał wydajnie – portowanie „zwykłych” programów nie przyniesie dobrej wydajności. Najlepsze wyniki osiąga oprogramowanie, którego pracę da się rozłożyć na wiele wątków – tutaj można spodziewać się wielokrotnego wzrostu wydajności w stosunku do dzisiejszych procesorów. Podobnie wygląda sytuacja w przypadku dostępnych już dziś API CUDA NVIDII, czy Stream SDK ATI.

Larrabee to nie tylko hardware – to oczywiście również oprogramowanie. Oprócz sterowników graficznych do DirectX i OpenGL, Intel będzie dostarczał również środowisko programistyczne, umożliwiające tworzenie programów dla nowego chipu graficznego. W jego skład wchodzi kompilator, debugger oraz narzędzia do analizy i optymalizacji. Środowisko to będzie umożliwiało pisanie programów dla Larrabee w językach C i C++. Będzie oczywiście również możliwość tworzenia software przy pomocy innych narzędzi, jako że Larrabee będzie zgodne z x86, ale wówczas nie będą one prawdopodobnie w stanie wykorzystać wszystkich możliwości chipu.

Jak wypadnie nowy chip „niebieskich”, trudno prorokować. Nie wiadomo bowiem, co do 2009/2010 roku (kiedy Larrabee ma mieć premierę) przygotują ATI i NVIDIA. Są to firmy mające co prawda niższe zasoby finansowe niż Intel, ale za to dysponują większym od niego doświadczeniem na polu kart graficznych.

Z dzisiejszych zapowiedzi „niebieskich” może urodzić się zarówno wielki sukces, jak i wielka porażka. Aby móc powiedzieć coś więcej o przyszłości Larrabee pozostaje czekać na kolejne informacje dotyczące nowych kart oraz na pierwsze wyniki wydajności.