AMD Vega – Las tarjetas gráficas tope de gama de AMD

AMD Vega es el nombre de la última arquitectura nacida como evolución de GCN, su arquitectura de GPU que nos ha acompañado desde el año 2011. Esta evolución de GCN fue la más ambiciosa de AMD hasta la llegada de RDNA.

¿Quieres saber más sobre las tarjetas gráficas AMD VEGA y todas sus características? En este post repasamos todas las claves de la arquitectura GCN y todos los secretos que esconde Vega.

El nacimiento de la arquitectura GCN y su evolución hasta llegar a Vega

Para comprender la historia de AMD en el mercado de las tarjetas gráficas, tenemos que remontarnos al año 2006, momento en el que la compañía de Sunnyvale se hace con ATI, el segundo mayor fabricante de tarjetas gráficas a nivel mundial, y que llevaba años de lucha con Nvidia, líder del sector. AMD compró toda la tecnología y la propiedad intelectual de ATI en una operación por un valor de 4,3 mil millones de dólares en efectivo y 58 millones en acciones por un total de 5,4 mil millones, completando la acción el 25 de octubre de 2006.

En ese momento ATI estaba desarrollando la que sería su primera arquitectura de GPU basada en el uso de los shaders unificados. Hasta ese momento, todas las tarjetas gráficas contenían en su interior shaders diferenciados para el procesamiento de los vértices y del sombreado. Con la llegada de DirectX 10, se daba soporte a los shaders unificados, lo que significa que todos los shaders de una GPU pueden trabajar con vértices y sombreados de forma indiferente.

TeraScale era la arquitectura que ATI estaba diseñando con soporte para los shaders unificados. El primer producto comercial en hacer uso de esta arquitectura fue la videoconsola Xbox 360, cuya GPU, llamada Xenos, había sido desarrollada por AMD y era mucho más avanzada que lo que se podía montar en los PCs de la época. En el mundo del PC, TereaScale dio vida a las tarjetas gráficas de las series Radeon HD 2000, 3000, 4000, 5000 y 6000. Todas ellas fueron introduciendo pequeñas mejoras de forma continua para mejorar sus capacidades a medida que se avanzaba en los procesos de fabricación, desde los 90 nm hasta los 40 nm.

Los años fueron pasando y la arquitectura TeraScale se iba quedando desfasada frente a Nvidia. El rendimiento de TeraScale en los videojuegos seguía siendo muy bueno, pero tenía un gran punto débil en comparación con Nvidia, este era una baja capacidad para cómputo mediante GPGPU. AMD comprendió que necesitaba diseñar una nueva arquitectura gráfica, capaz de luchar con Nvidia tanto en los juegos como en el cómputo, un apartado que cada vez tenía más importancia.

GCN es la arquitectura gráfica diseñada por AMD desde sus cimientos para suceder a TeraScale de ATI

Graphics Core Next es el nombre que recibe la primera arquitectura gráfica diseñada al 100% por AMD, aunque lógicamente todo lo heredado de ATI ha sido clave para hacer posible su desarrollo. Graphics Core Next es mucho más que una arquitectura, este concepto representa el nombre en clave para una serie de microarquitecturas gráficas y un conjunto de instrucciones. El primer producto basado en GCN llegó a finales del año 2011, la Radeon HD 7970 que tan buenos resultados ha dado a todos sus usuarios.

GCN es una microarquitectura RISC SIMD que contrasta con la arquitectura VLIW SIMD TeraScale. GCN tiene el inconveniente de que requiere muchos más transistores que TeraScale, pero a cambio ofrece capacidades mucho mayores para el cálculo de GPGPU, hace el compilador más simple y permite hacer una mejor utilización de los recursos. Todo ello hace que GCN sea una arquitectura claramente superior a TeraScale, y mucho mejor preparada para adaptarse a las nuevas exigencias del mercado. El primer núcleo gráfico basado en GCN fue Tahiti, el cual dio vida a la Radeon HD 7970. Tahiti se fabricaba con un proceso a 28 nm, lo que representaba un gran salto en eficiencia energética frente a los 40 nm del último núcleo gráfico basado en TeraScale, la GPU Cayman de la Radeon HD 6970.

A partir de ahí, la arquitectura GCN ha ido evolucionando ligeramente a lo largo de varias generaciones de tarjetas gráficas de las series Radeon HD 7000, HD 8000, R 200, R 300, RX 400, RX 500 y RX Vega. Las Radeon RX 400 marcaron el paso a un proceso de fabricación a 14 nm, lo que ha permitido a GCN dar un nuevo salto en eficiencia energética. La arquitectura GCN también se utiliza en el núcleo gráfico de APU de PlayStation 4 y Xbox One, las actuales videoconsolas de Sony y Microsoft que ofrecen un rendimiento excepcional para su precio.

La arquitectura GCN se organiza internamente en lo que llamamos unidades de cómputo (CU), las cuales son las unidades funcionales básicas de esta arquitectura. AMD diseña GPUs con un número mayor o menor de unidades de cómputo para crear sus diferentes gamas de tarjetas gráficas. A su vez, es posible desactivar unidades de cómputo en cada una de estas GPUs para crear diversas gamas de tarjetas gráficas basadas en un mismo chip. Esto permite aprovechar los silicios que han salido del proceso de fabricación con problemas en alguna de las unidades de cómputo, es algo que se lleva haciendo en la industria desde hace muchos años. La GPU Vega 64 dispone en su interior de 64 unidades de cómputo y es la GPU más potente fabricada por AMD hasta la fecha.

Cada unidad de cómputo combina en su interior 64 procesadores de sombreado o shaders con 4 TMUs. La unidad de cómputo está separada de las unidades de salida de procesamiento (ROP), pero se alimenta de ellas. Cada Compute Unit consta de un Scheduler CU, una Branch & Message Unit, 4 SIMD Vector Units, 4 64KiB VGPR files, 1 unidad escalar, un archivo 4 KiB GPR, una cuota de datos local de 64 KiB, 4 unidades de filtro de textura, 16 unidades de carga / almacenamiento de recuperación de textura y un caché L1 de 16 kB.

AMD Vega es la evolución más ambiciosa de GCN

Las diferencias entre las diferentes generaciones de la arquitectura GCN son bastante mínimas y no se diferencian demasiado entre sí. Una excepción es la arquitectura de GCN de quinta generación, llamada Vega, que ha modificado en gran medida los shaders para mejorar el rendimiento por ciclo de reloj.  AMD comenzó a publicar detalles de AMD Vega en enero de 2017, causando muchas expectativas desde los primeros instantes. AMD Vega aumenta las instrucciones por reloj, alcanza mayores velocidades de reloj, ofrece soporte para memoria HBM2 y un espacio de direcciones de memoria más grande. Todas estas características le permiten mejorar el rendimiento de forma significativa frente a las anteriores generaciones, al menos sobre el papel.

Las mejoras arquitectónicas también incluyen nuevos programadores de hardware, un nuevo acelerador de descarte primitivo, un nuevo controlador de pantalla y un UVD actualizado que puede decodificar HEVC a resoluciones de 4K a 60 imágenes por segundo con una calidad de 10 bits por canal de color.

Las unidades de cómputo se ven fuertemente modificadas

El equipo de desarrollo de AMD Vega, liderado por Raja Koduri modificó el plano fundamental de la unidad de cálculo para lograr objetivos de frecuencia mucho más agresivos. En las arquitecturas anteriores de GCN, la presencia de conexiones de cierta longitud era aceptable porque las señales podían recorrer la distancia total en un solo ciclo de reloj. Algunas de esas longitudes de pipeline tuvieron que reducirse con Vega para que las señales pudieran atravesarlas en el lapso de los ciclos de reloj, los cuales son mucho más cortos en Vega. Las unidades de cómputo de AMD Vega pasaron a conocerse como NCU, lo que se puede traducir como unidad de cómputo de nueva generación. A la reducción de las longitudes de pipeline de AMD Vega se unieron modificaciones en la lógica de búsqueda y decodificación de instrucciones, las cuales fueron reconstruidas con el objetivo de cumplir los objetivos de tiempos de ejecución más cortos en esta generación de tarjetas gráficas.

En la ruta de datos de descompresión de textura de la memoria caché L1, el equipo de desarrollo agregó más etapas al pipeline para reducir la cantidad de trabajo realizado en cada ciclo de reloj para cumplir con los objetivos de aumentar la frecuencia de funcionamiento. La adición de etapas es un medio común de mejorar la tolerancia de frecuencia de un diseño.

Rapid Packet Math

Otra importante novedad de AMD Vega, es que admite el procesamiento simultáneo de dos operaciones de menor precisión (FP16) en lugar de una sola de mayor precisión (FP32). Esto es la tecnología llamada Rapid Packet Math. Rapid Packet Math es una de las características más avanzadas de AMD Vega y no está presente en las versiones anteriores de GCN. Esta tecnología permite hacer un aprovechamiento más eficiente de la potencia de procesamiento de la GPU, lo que permite mejorar su rendimiento. La PlayStation 4 Pro es el dispositivo que mejor provecho ha sacado de Rapid Packet Math y lo ha hecho con uno de sus juegos estrella, Horizon Zero Dawn.

Horizon Zero Dawn es una gran muestra de lo que Rapid Packet Math puede aportar. Este juego utiliza esta avanzada tecnología para procesar todo lo relacionado con la hierba, ahorrando así recursos que pueden ser usados por los desarrolladores para mejorar la calidad gráfica de otros elementos del juego. Horizon Zero Dawn impactó desde el primer instante por su abrumadora calidad gráfica, hasta el punto de que resulta impresionante que una consola de solo 400 euros pueda ofrecer tal apartado artístico. Desgraciadamente, el Rapid Packet Math aún no ha sido usado en los juegos de PC, gran parte de la culpa de ello al tiene el que sea una característica exclusiva de Vega, pues los desarrolladores no quieren invertir recursos en algo que muy pocos usuarios podrán aprovechar.

Primitive Shaders

AMD Vega también agrega soporte para la nueva tecnología Primitive Shaders que proporcionan un procesamiento de geometría más flexible y reemplazan los sombreadores de vértices y geometría en una tubería de renderizado. La idea de esta tecnología es eliminar los vertices no visibles de la escena para que la GPU no los tengan que calcular, con ello se reduce el nivel de carga sobre la tarjeta gráfica y se mejora el rendimiento del videojuego. Desgraciadamente, esta es una tecnología que requiere de mucho trabajo por parte de los desarrolladores para poder ser aprovechada y se encuentra con una situación muy similar a la de Rapid Packet Math.

AMD tenía la intención de implementar los Primitive Shaders a nivel de drivers, lo que permitiría que esta tecnología funcione de forma mágica y sin que los desarrolladores tengan que hacer nada. Esto es algo que sonaba muy bonito, pero finalmente no ha sido posible por la imposibilidad de implementarlo en DirectX 12 y el resto de las APIs actuales. Los Primitive Shaders siguen disponibles, pero deben ser los desarrolladores los que inviertan recursos para su implementación.

ACE y los Shaders Asíncronos

Si hablamos de AMD y su arquitectura GCN tenemos que hablar de los Shaders Asíncronos, un término de que se hablaba mucho hace tiempo, pero del que ya no se dice casi nada. Los Shaders Asíncronos hacen referencia a la computación asíncrona, se trata de una tecnología que ideó AMD para reducir la deficiencia que sufren sus tarjetas gráficas con la geometría.

Las tarjetas gráficas de AMD basadas en la arquitectura GCN incluyen los ACE (Asynchronous Compute Engine), estas unidades consisten en un motor de hardware dedicado al cómputo asíncrono, se trata de un hardware que ocupa espacio en el chip y consume energía por lo que su implementación no es ningún capricho sino una necesidad. La razón de la existencia de los ACE es la poca eficiencia de GCN ala hora de repartir la carga de trabajo entre los diferentes Compute Units y los núcleos que los forman, lo cual hace que queden muchos núcleos sin trabajo y por tanto desaprovechados, aunque siguen consumiendo energía. Los ACE se encargan de dar trabajo a estos núcleos que se han quedado parados para que puedan ser aprovechados.

La geometría se ha visto mejorada en la arquitectura AMD Vega, aunque sigue estando muy por detrás de la arquitectura Pascal de Nvidia en este aspecto. La poca eficiencia de GCN con la geometría es una de las razones de que los chips más grandes de AMD no den el resultado esperado de ellos, pues la arquitectura GCN se vuelve más ineficiente con la geometría a medida que el chip se va haciendo más grande e incluya mayor cantidad de unidades de cómputo. Mejorar la geometría es una de las tareas clave de AMD con sus nuevas arquitecturas gráficas.

HBCC y memoria HBM2

La arquitectura AMD Vega también incluyen un controlador de caché de ancho de banda alto (HBCC), el cual no está presente en los núcleos gráficos de las APU Raven Ridge. Este controlador HBCC permite hacer un uso más eficiente de la memoria HBM2 de as tarjetas gráficas basadas en Vega. Además, permite a la GPU acceder a la memoria RAM DDR4 del sistema si la memoria HBM2 se queda escasa. HBCC permite que este acceso se haga de una forma mucho más rápida y eficiente, lo que resulta en una menor pérdida de rendimiento frente a las generaciones anteriores.

HBM2 es la más avanzada tecnología de memoria para tarjetas gráficas, se trata de la memoria apilada de alto ancho de banda de segunda generación. La tecnología HBM2 apila diferentes chips de memoria unos sobre otros para crear un paquete con una densidad extremadamente alta. Estos chips apilados se comunican entre si mediante un bus de interconexión, cuya interfaz puede alcanzar los 4.096 bits.

Estas características hacen que la memoria HBM2 ofrezca un ancho de banda muy superior al que es posible alcanzar con las memorias GDDR, además de hacerlo con un voltaje y un consumo de energía muy inferior. Otra ventaja de las memorias HBM2 es que se colocan muy próximas a la GPU, lo que permite ahorrar espacio en el PCB de la tarjeta gráfica y simplificar su diseño.

La parte mala de las memorias HBM2 es que son mucho más caras que las GDDR y mucho más difíciles de usar. Estas memorias se comunican con la GPU a través de un interposer, un elemento que es bastante caro de fabricar, y que encarece el precio final de la tarjeta gráfica. Como consecuencia de esto, las tarjetas gráficas basadas en memoria HBM2 son mucho más caras de fabricar que las basadas en memoria GDDR.

Este elevado precio de las memorias HBM2 y su implementación, así como un rendimiento inferior al esperado, han sido las principales causas del fracaso de AMD Vega en el mercado gaming. AMD Vega no ha podido superar a la GeForce GTX 1080 Ti, una tarjeta basada en una arquitectura Pascal casi dos años más antigua.

Tarjetas gráficas basadas en AMD Vega

Las tarjetas gráficas actuales de AMD bajo la arquitectura Vega son la Radeon RX Vega 56 y la Radeon RX Vega 64. La siguiente tabla recoge todas las características más importantes de estas nuevas tarjetas gráficas.

La AMD Radeon RX Vega 64 es a tarjeta gráfica más potente de AMD Vega para el mercado gaming. Esta tarjeta se basa en el silicio Vega 10, formado por 64 Compute Units que se traducen en 4.096 shaders, 256 TMUs y 64 ROPs. Esté núcleo gráfico es capaz de trabajar a una frecuencia de reloj de hasta 1546 MHz con un TDP de 295W.

El núcleo gráfico se acompaña de dos stacks de memoria HBM2, los cuales suman un total de 8 GB con una interfaz de 4.096 bits y un ancho de banda de 483,8 GB/s. Se trata de una tarjeta gráfica con un núcleo muy grande, el más grande nunca fabricado por AMD, pero que no es capaz de rendir al nivel del núcleo Pascal GP102 de la GeForce GTX 1080 Ti, además de que consume más cantidad de energía y produce mucho más calor. Esta incapacidad de AMD para luchar con Nvidia parece dejar claro que la arquitectura GCN necesita una evolución mucho mayor para estar a la altura de las tarjetas gráficas de Nvidia.

El futuro de AMD Vega pasa por los 7 nm

AMD va a dar una nueva vida a su arquitectura AMD Vega con el paso a un proceso de fabricación a 7 nm, lo que debería suponer una importante mejora en eficiencia energética frente a los diseños actuales a 14 nm. Por ahora AMD Vega a 7 nm no llegará al mercado gaming, si no que se enfocará al sector de la inteligencia artificial, el cual mueve grandes cantidades de dinero. Aún no se conocen detalles concretos sobre AMD Vega a 7 nm, la mejora en la eficiencia energética se puede usar para mantener las prestaciones de las tarjetas actuales pero con un consumo de energía mucho más bajo, o para hacer nuevas tarjetas mucho más potentes con el mismo consumo que las actuales.

Las primeras tarjetas en hacer uso de AMD Vega a 7 nm serán las Radeon Instinct. Vega 20 es la primera GPU de AMD fabricada a 7 nm, se trata de un núcleo gráfico que ofrece el doble de densidad de transistores respecto al actual silicio Vega 10.  El tamaño del chip Vega 20 es de 360mm2 aproximadamente, lo que supone una reducción de superficie de un 70% en comparación con Vega 10 que tiene un tamaño de 510mm2. Este gran avance permite a AMD ofrecer un nuevo núcleo gráfico con una velocidad de reloj un 20% más elevada y una mejora en la eficiencia energética de un 40% aproximadamente. Vega 20 tiene una potencia de 20.9 TFLOPs, lo que lo convierte en el núcleo gráfico más potente anunciado hasta el día de hoy, incluso más que el núcleo Volta V100 de Nvidia que ofrece 15,7 TFLOPs, aunque este está fabricado a 12 nm, lo que pone a AMD en una clara ventaja en este sentido.

La llegada de RDNA marca el fin de Vega

Uno de los grandes problemas de la arquitectura AMD Vega es su excesivo bagaje tecnológico. Al estar basada en GCN, después de tantos años quedaron resquicios de tecnologías antiguas por toda la arquitectura, lo cual hace más difícil ofrecer unos productos eficientes. Por ello, AMD decidió que Vega a 7nm sería su último paso en la aventura de GCN, trayendo la renovación con la arquitectura RDNA y las tarjetas gráficas Navi.

RDNA todavía mantiene ciertas características de GCN 5 (Vega), pero lo hace sobre todo para mantener retrocompatibilidad con ciertas funciones que necesitan algunas librerías de juegos, máxime cuando es una arquitectura usada en las últimas consolas de Sony y Microsoft.

Esta tecnología ha avanzado notablemente en varias iteraciones, dando paso al fin total de Vega y GCN como arquitecturas usadas y relegándolas al sólido palmarés de la compañía. Por ello, te recomendamos que eches un vistazo a nuestros distintos artículos sobre esta sucesora de GCN:

• Diferencias entre RDNA y RDNA2, ¿vale la pena cambiar de GPU AMD?
• AMD RDNA 3: Te explicamos todas sus novedades
• AMD Radeon RX 7000: todo sobre las tarjetas gráficas con RDNA 3

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