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GPU-Architektur

Ampere ist die Next-Gen GPU-Architektur, die Nvidia im September 2020 offiziell als Turing-Nachfolger vorgestellt hat und seither im Markt platziert. Flaggschiff der Familie ist der GA102-Grafikchip, der in einem 8-nm-Fertigungsverfahren von Partner Samsung produziert wird und in der maximalen Ausbaustufe satte 28 Mrd. Transistoren beinhaltet. Als abgespecktes Derivat gesellt sich der kleinere GA104 hinzu, der aktuell für die GeForce RTX 3070 und die im Dezember 2020 präsentierte GeForce RTX 3060 Ti als Basis dient. Neu hinzugekommen ist außerdem der GA106-Chip, der in der Variante GA106-300 für die GeForce RTX 3060 Verwendung findet. Ebenso auf dem GA106 basiert die GeForce RTX 3050, die sich der Ausführung GA106-150 bedient.

Die Flaggschiffe GeForce RTX 3090 und RTX 3080 bedienen sich derweil der GA102-GPU und bilden die Speerspitze des neuerlichen GeForce-Lineups von Nvidia. Die maximale Ausbaustufe von Ampere nutzen diese aber dennoch nicht ‒ mehr dazu in den folgenden Abschnitten. Ganz nebenbei führte Nvidia mit Ampere auch PCI Express der vierten Generation in sein Produktsortiment ein und tut es somit Konkurrent AMD gleich. Seit wenigen Wochen umfasst die GPU-Familie auch zwei neue Ti-Versionen: GeForce RTX 3070 Ti und RTX 3080 Ti. Das neue 3070er-Modell basiert auf dem GA104-400 Chip, bei der 3080 Ti handelt es sich um eine weitere GA102-Variante, nämlich den GA102-225. Ingesamt gehören nun neun unterschiedlichen Ausführungen zur GeForce-RTX-3000-Familie: RTX 3050, RTX 3060 (Ti), RTX 3070 (Ti), RTX 3080 (Ti) sowie RTX 3090 (Ti). Erst kürzlich hinzugekommen ist der GA102-350, der für die RTX 3090 Ti dient.

Grundsätzlich hat Nvidia einige GPU-Begrifflichkeiten und Grundgerüste beibehalten, denn die Chips werden weiterhin in mehrere Graphics Processor Cluster (GPC) unterteilt, die wiederum weitere Einheiten beinhalten. Je GPC bietet ein Ampere-Grafikchip die bekannten Streaming Multiprocessors (SMs), Texture Processing Clusters (TPCs), Geometrieeinheiten und ROPs. In den SMs befinden sich die Recheneinheiten (ALUs) für konventionelle Gleitkomma- und Ganzzahl-Berechnungen (FP32 und INT32), die bezogen auf einen Streaming Multiprocessor gegenüber Turing verdoppelt wurden. D.h. die neuen Chips verfügen über bei gleicher Anzahl SMs über doppelt so viele ALUs für verschiedene Rechenaufgaben. Auch Nvidia selbst sieht die neuen SMs als wichtigen Baustein für den schnellsten und effizientesten Grafikprozessor aus eigener Entwicklung, der damit den doppelten FP32-Durchsatz der vorherigen Generation und bis zu 30 Shader-TFLOPS an Rechenleistung bietet.

Die Ampere-Architektur ist die zweite GeForce-RTX-Generation (Bildquelle: Nvidia)

Die Ampere-Architektur ist die zweite GeForce-RTX-Generation (Bildquelle: Nvidia)

Neben den herkömmlichen Rechenknechten in den Ampere-Grafikchips, verspricht Nvidia auch bei den Raytracing-Kernen deutliche Verbesserungen und bezeichnet diese als RT-Kerne der zweiten Generation. Diese neuen, dedizierte RT-Cores liefern den doppelten Durchsatz der vorherigen Generation, plus gleichzeitiges Raytracing sowie Shading und arbeiten mit 58 RT-TFLOPS an Rechenleistung. Ebenso weiterentwickelt wurden die Tensor-Kerne, die in der mittlerweile dritten Generation vorliegen. Die aufpolierten und ebenfalls dedizierten Tensor-Kerne erreichen bis zu doppelten Durchsatz gegenüber der Vorgängergeneration, wodurch KI-gestützte Technologien wie DLSS und 238 Tensor-TFLOPS an Rechenleistung schneller und effizienter ausgeführt werden können. Zwar wurde die Anzahl Tensor-Kerne je SM von acht (Turing) auf vier (Ampere) reduziert, doch stieg gleichzeitig die Leistungsfähigkeit um das Vierfache. Ergebnis soll unterm Strich eine massiv gesteigerte KI-Leistung bei Ampere-GPUs sein.

Die GA102-350-GPU ist das derzeitige Flaggschiff der Ampere-Familie.

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Autor: Andre Hembrock, Stefan Boller
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