اختصاصی: تحلیل تخصصی کارت گرافیک های NVIDIA GeForce RTX 20

بر خلاف AMD که در هنگام معرفی محصولات جدید، سخت افزارهای خود را با مدل های رقیب مقایسه کرده و بنچمارکهای آزمایشگاهی خود را ارائه می کند، انویدیا تنها به مقایسه کارت گرافیک های Turing با نسل های پیشین خود پرداخت. Jensen Huang گفت: این معماری و کارت گرافیک های NVIDIA GeForce RTX 20، در ۱۰ سال گذشته، برترین معماری این شرکت هستند. فاصله پرفورمنس کارت گرافیک های تورینگ با پاسکال، بسیار بیشتر از مدل های پاسکال با مکسول است. امکان اجرای بسیار ساده بازی های ۴K در فرکانس های ۶۰ هرتز نیز برای این محصولات تضمین شده است.

کارت گرافیک های تورینگ به فناوری بسیار پیشرفته Real-Time Ray Tracing مجهز شده اند. همچنین توانایی های هوش مصنوعی (AI) در این محصولات به طور چشمگیری افزایش یافته است. جنسن هوانگ، بنیانگذار و مدیر عامل شرکت NVIDIA، قبل از Gamescom، بزرگترین نمایشگاه بازی در جهان، گفت: معماری Turing یک عصر طلایی را به دنیای بازی آورده است؛ بخشی از این پیشرفت را مدیون رندر ترکیبی هستیم. با استفاده از ترکیب فناوری Real-Time Ray Tracing و ردیابی آنی، در کنار هوش مصنوعی، انویدیا قصد دارد تا یک نگاه جدید را در کارت گرافیک های مخصوص بازی باز نماید. ویژگی های مورد استفاده در کارت گرافیک های تورینگ، تا کنون در هیچ کارت گرافیکی در جهان مورد استفاده قرار نگرفته اند.

برای رندرهای Real-Time Ray Tracing، انویدیا از هسته های RT بهره گرفته است. هسته های RT به صورت آنی، سایه های فیزیکی، انعکاس، ردیابی اشیاء و اشعه های نور و بازخورد را رندر خواهند کرد. هسته های بسیار پیشرفته Turing Tensor که به تازگی معرفی شده و تنها در مدل های شتاب دهنده حرفه ای مورد استفاده قرار می گیرند نیز در بخش پردازش “شبکه های عصبی” مورد استفاده قرار می گیرند. رشته های عصبی NGX، چهارچوب AI را به بخش های پردازش گرافیکی متصل خواهند کرد تا الگوریتم های هوش مصنوعی، تصاویری شگفت انگیر را خلق نمایند. در بخش حافظه، انویدیا از تراشه های GDDR6 استفاده کرده است که می توانند پهنای باندی حتی بیشتر از ۶۰۰ گیگابایت در ثانیه را به این محصولات ارائه دهند. در نتیجه تمامی هسته و بخش هایی که بدانها اشاره کردیم، با سرعت خیره کننده امکان رندر آنی را خواهند یافت.

رابط SLI جدید انویدیا اینک با نام NVIDIA NVLink شناخته می شود. پهنای باند آن بیش از ۱۰۰ گیگابایت در ثانیه است! در نتیجه آرایش multi-GPU جدیدی را در معماری تورینگ تجربه خواهیم کرد. اینبار به طور جدی شاهد استفاده از درگاه USB Type-C در کارت گرافیک های تورینگ هستیم. در روز گذشته مطلبی را برای شما عزیزان منتشر کردیم که به ویژگی های USB Type-C در کارت گرافیک ها می پردازد. پشتیبانی از سیستم های جدید VR، مانیتورهای جدید، انتقال جریان با توان ۶۰ وات و… از جمله ویژگی های استفاده از این درگاه در کارت گرافیک های NVIDIA GeForce RTX 20 هستند. شاید با این حساب بتوان فرکانس ۹۰ هرتز برای هر چشم را در واقعیت مجازی افزایش داد.

در بخش تغذیه، کارت گرافیک های GeForce RTX با تغییرات بسیاری همراه بوده اند. میانگین توان حرارتی-مصرفی آنها با کمی افزایش، تغییراتی را به همراه داشته است. در گونه های پرچمدار از مدار ۱۳ فاز رگولاتور استفاده شده است. این مدار فاز قدرتمند با چوک های iMON DrMOS امکان اورکلاک را افزایش می دهند. تغذیه ثابت با امکان افزایش فرکانس آنی با توجه به تمامی هسته ها، از ویژگی های این منبع تغذیه است. در مطالب روزهای آتی، بیشتر به این بخش خواهیم پرداخت.

در بخش واقعیت مجازی، افزون بر درگاه USB-C، شاهد تکمیل فناوری های دیگری نیز خواهیم بود؛ انویدیا در بخش تقویت واقعیت مجازی از تکنولوژی های پیشرفته ای نظیر Variable Rate Shading، Multi-View Rendering و VRWorks Audio استفاده کرده است. در بخش خنک کننده و کولر، انویدیا دیگر به خنک کننده قدیمی خود به همراه یک عدد فن اکتفا نکرده است. استفاده از یک فن، نیازمند افزایش RPM بوده و بدین ترتیب نویز صوتی نیز بالا خواهد رفت. اما کولرهای جدید دارای ۲ عدد فن به همراه هیت سینک بزرگتر، خنک کننده مدل های مرجع را شکل می دهند. انویدیا از فن هایی با ۱۳ پره استفاده کرده است. این فن ها دارای گردش هوای ۳ برابر بیشتر به نسبت Pascal ها هستند. همچنین نویز صوتی آنها نیز تا یک پنجم کاهش پیدا کرده است. کابینت تا ۲ برابر بزرگتر شده است که تماما از آلومینیوم تولید شده است. در بخش درگاه های ورودی و خروجی (I/O) افزون بر رابط USB-C، انویدیا از رابط DisplayPort 1.4a با DSC استفاده کرده است که می تواند تصاویر ۸K با فرکانس ۶۰ هرتز را به نمایشگر ارسال نماید!

فناوری NVIDIA RTX Ray Tracing چه بوده و اهمیت آن در کارت گرافیک های جدید انویدیا چیست؟

شاید مهمترین بخش از کارت گرافیک های جدید انویدیا را بتوان در فناوری NVIDIA RTX Ray Tracing جستجو کرد. این فناوری تنها با تراشه های معماری Turing سازگار دارد. در سیستم گرافیک کامپیوتری، Ray Tracing یک تکنیک به منظور رندر تصاویر است، با ردیابی مسیر نور و اثرات وابسته است. شبیه سازی اثرات و مواجهه نور با اشیاء، از جمله مواردی است که رندرهای Ray Tracing در آن دخیل هستند. با این وجود تا کنون هیچ یک از کارت گرافیک های موجود در جهان در بخش بازی بدان نپرداخته اند.

این تکنیک قادر به تولید درجه بسیار بالایی از رئالیسم بصری است، با این وجود این پردازش نیازمند منابع قدرتمندی است. ردیابی NVIDIA RTX Ray Tracing قادر به شبیه سازی طیف گسترده ای از اثرات نوری، از جمله انعکاس و رفلکس، انحراف رنگی، پراکندگی و … است. توسعه دهندگان نرم افزاری از طریق رابط برنامه نویسی-نرم افزار NVIDIA OptiX می توانند به تولید محتوا و بازی های سازگار، در کنار APIهایی نظیر DirectX Raytracing اقدام نمایند. با این وجود انویدیا اعلام کرده است که ابزار توسعه Ray Tracing در حال حاضر تنها برای کتابخانه DX آماده شده و نمونه های Vulkan نیز به زودی معرفی خواهند شد.

رندر های ۳D برای نخستین بار در سالهای ۱۹۹۰ معرفی شدند. با ترکیب خط های ۲D و Rasterization از اشیاء، و ایجاد تصاویری مانند مش های مثلثی، موارد چند ضلعی نمایش داده می شدند. سپس تصاویر تولید شده ۳D پیش از نمایش نیز بهسازی شده و مواردی از جمله نور، سایه و حتی رنگ بدانها افزوده می شد. این تکنیک برای سالهای متوالی مورد استفاده قرار می گرفت. اما در کارت گرافیک های RTX Ray Tracing به این سنت پایان داده شده و مهر باطل بر روی آن زده شده است. به واقع اگر درست و واقع بینانه به کارت گرافیک های سری RTX نگاه کنیم، می بینیم که حتی این قیمت برای چنین فناوری ناچیز به نظر می رسد!

تکنولوژی RTX Ray Tracing نه از قبل، و در حین پردازش اصلی تصاویر به صورت Real Time فعالیت می کند که از این رو به پهنای باند بالایی نیاز دارد.  Ray Tracingنور واقعی را با شبیه سازی های رفتار فیزیکی، به تصویر می کشد. Ray Tracing حتی رنگ پیکسل ها را با ردیابی مسیری که نور به چشم بیننده ارسال می کند، از طریق صحنه مجازی ۳D محاسبه می کند. با حرکت نور از صحنه های متفاوت، انعکاس نور از جسم یا شیئی به جسم دیگر منتقل می شود. اشیاء سبب ایجاد سایه می شوند؛ در صورتی که سایه بر جسمی بیفتد، رنگ آن جسم نیز بر اساس سایه قابل تغییر است؛ همچنین نور می بایست از اجسام شفاف عبور نماید. تمامی این موارد به همراه ترکیب رنگ نهایی از طریق Ray Tracing رندر شده و به سرعت به شما نمایش داده می شوند. این نوع ردیابی و رندر بسیار پیشرفته تر از هسته های CUDA است. این فناوری تا بدانجا مهم است که مایکروسافت نیز اعلام کرده است که کتابخانه سطح پایین DirectX 12 را برای این منظور گسترش خواهد داد. اینک می توان متوجه این مسئله شد که چرا انویدیا در بیرون آوردن برگ برنده در برابر Vulkan صبر کرده و حتی برای مدت کوتاهی بازی را به رقیب خود واگذار کرده بود!

سیلیکون های مادر در معماری جدید “تورینگ” از ۳ بخش مهم تشکیل شده اند؛ هسته SM در قالب CUDA، هسته های RT و هسته هایTensor. فناوری Ray Tracing توسط هسته های RT هندل می شوند. دست کم در سیلیکون GTX2080 تعداد ۱۸٫۵ میلیارد ترانزیستور جای گرفته است. نکته جالب توجه در مدیریت هسته های RT آن است که امکان برنامه نویسی تخصصی برای آنها وجود دارد. به عنوان مثال در حین تولید یک بازی جدید، از رابط برنامه نویسی اختصاصی تنها برای هسته های RT و فناوری Ray Tracing استفاده خواهد شد. هسته  های RT از ماتریس محاسباتی ۴x4x4 استفاده می کنند. دانشجویان رشته های “سخت افزار” و مهندسی “نرم افزار” با این نوع ماتریس آشنا هستند. در ماتریس های محاسباتی ۴x4x4 جداولی برای پردازشگر ایجاد می گردد؛ پردازش ها در این جداول پخش شده و سرعت اختصاص هر ماتریس به یک پردازش خاص بسیار بالا است. تمامی خانه های ماتریس شماره گذاری می شوند.

شاید در اینجا از خود بپرسید که پس کاربرد هسته های CUDA در کارت گرافیک های جدید انویدیا RTX چیست؟ هسته های CUDA همچنان برای رندر بازی های بدون Ray Tracing حرف اول را می زنند. این هسته ها که برای نخستین بار در سال ۲۰۰۶ معرفی شدند، همچنان پر استفاده ترین هسته های SM در یک GPU به شمار می روند. هسته های Tensor نیز بخش هوش مصنوعی داستان را بر عهده دارند. در این بخش اطلاعات چندانی وجود ندارد؛ اگر هسته های “تنسور” را در یک کارت گرافیک “کوادرو” یا “تسلا” میدیدیم، جای تعجب نداشت که پردازش های هوش مصنوعی و یادگیری عمیق بر عهده آنها است. اما در یک کارت گرافیک گیمینگ هسته های Tensor چه امکاناتی را خواهند داشت؟ انویدیا در تولید و بازسازی صحنه هایی که هسته های RT نیز در آنها دخیل هستند، به هوش مصنوعی وابسته شده است. پیشبینی، یادگیری عمیق از داده های پیشین و مرور آنها به منظور اجرای بهترین صحنه، از جمله کاربردهای Tensor در یک کارت گرافیک مخصوص بازی به شمار می روند.

داستان از این قرار است که رندر هماهنگ و قانونی تمامی بخش های یک بازی به صورت آنی کار چندان ساده ای نخواهد بود. این در حالی است که اگر فناوری Ray Tracing هم بدان افزوده شود، به طور حتم زمان بیشتری برای پردازش نیاز خواهد بود. هر چند که یک GPU به دلیل آنکه از داده های یکسان بهره می برد دارای سرعت بالاتری به نسبت CPU است، اما این حجم از پردازش آن هم به صورت آنی، عملیاتی دشوار برای یک GPU خواهد بود. به همین منظور انویدیا از هسته های تنسور استفاده می کند تا بخشی از پردازش و تصمیم گیری را بر عهده این هسته ها بگذارد. با این وجود ویژگی های AI در کارت گرافیک های NVIDIA GeForce RTX 20 آنچنان هم محدود نیستند.

NVIDIA NGX SDK یک پشته فناوری جدید آموزش عمیق است که قابلیت های مبتنی بر AI را فراهم می سازد، که سرعت و افزایش عملکرد گرافیک، عکس برداری و پردازش تصویر را به طور مستقیم به برنامه های کاربردی نظیر بازی و برنامه های مهندسی ارائه دهد. جالب است بدانید که NVIDIA NGX تنها با هسته های Tensor سازگار بوده بوده؛ آن هم هسته هایی که تنها در کنار هسته های RT در یک سیلیکون جمع آوری شده اند. این محدودیت، به خودی خود بیانگر آن است که AI هم در تکنیک Ray Tracing بدون تاثیر نخواهد بود. پلتفرم پردازشی RTX دارای چندین API یا کتابخانه است. به چند نمونه از آنها در این مقاله اشاره کردیم؛ در موارد دیگر می توان به PhysX، FleX و CUDA 10 اشاره کرد. وجود چندین API برای هسته و کاربردهای گوناگون، انعطاف پذیری پلتفرم RTX را ثابت می کند. با تمام این احوال، اشتراک گذاری داده های مهم بین توسعه دهندگان نیز یک مسئله خاص و مهم است. انویدیا برای این منظور NVIDIA Definition Language (MDL) را به عنوان یک برنامه “متن باز” معرفی کرده است. افزون بر آن، NVIDIA MDL نیز توسط بسیاری از برنامه های کاربردی از جمله Adobe، Allegorithmic و Epic Unreal Studio پذیرفته شده است. در رندر نهایی کارت گرافیک های RTX سه بخش مهم به صورت پیاپی اجرا می شوند که همچنان بهبود تصاویر و نزدیکی به واقعیت را در آنها در پی دارد؛ رندر Multi-View، بافت سایه ها و متغییر رنگ های سایه.

به گفته مدیر عامل انویدیا، معماری Turing حاصل ۱۰ سال تحقیق و توسعه تراشه های گرافیکی توسط این شرکت است. ترکیب ۳ موتور پردازشی در قالب هسته هایی که هر یک وظیفه خاص را به همراه دارند، عملکرد این کارت گرافیک ها را به یک رویا مبدل ساخته است. تصور کنید که هسته های Turing SM دارای قدرت پردازشی ۱۴ TFLOPS هستند؛ این مقدار بر اساس پردازشی های “اعداد صحیح” اعلام شده است. هسته های Tensor دارای قدرت خیره کننده ۱۱۰ ترافلاپ، بر اساس پردازش هایی به طول ۱۶ بیت (FP16) هستند. این مقدار در پردازش های ۸ بیتی نوع صحیح (INT) به ۲۲۰ ترافلاپ می رسد! هسته های RT نیز دارای سرعت ۱۰ Giga Rays/sec هستند که به نسبت یک کارت گرافیک پرچمدار پیشین نظیر GTX 1080 Ti تا ۱۰ برابر افزایش یافته است.

و در پایان باید بگوییم که کارت گرافیک های NVIDIA GeForce RTX 20 غول های پردازشی هستند که به واقع در ۱۰ سال اخیر به مانند آنها تولید نشده است. با ترکیب ۳ نوع هسته و موتورهای پردازشی، در های جدیدی به دنیای بازی های کامپیوتری باز شده است! این محصولات با افزایش قیمت به نسبت نسل پیشین معرفی شده اما عملکرد آنها بسیار بالاتر از تمامی نسل های کنونی از AMD و خود NVIDIA است. در مطالب بعدی، به دیگر موارد قابل اشاره در کارت گرافیک های NVIDIA GeForce RTX 20 خواهیم پرداخت.