Fermi (microarchitecture)

Fermi est le nom de code d'une architecture de processeur graphique (GPU) de la société NVidia^[1]. Les premiers processeurs, gravés en 40 nm, sont sortis en mars 2010^[2] et comportent plus de 3 milliards de transistors, soit plus qu'un microprocesseur courant. Certaines cartes GeForce 600M disposent de processeurs gravés en 28 nm au lieu de 40 nm^[3].

Nvidia Fermi

Caractéristiques

Date de sortie	avril 2010
Procédé	40 nm

Interfaces supportées

Vulkan	1.3

Historique

Prédécesseur	Tesla 2.0
Successeur	Kepler Maxwell

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Historique

• Mars 2010, NVidia sort la GTX 480, la première carte graphique à utiliser l'architecture Fermi avec le GF 100. Même si la carte est la plus puissante du moment elle souffre d'une surconsommation, de températures très élevées, tout en étant bruyante. À cause de ces inconvénients un des SM est désactivé.
• Novembre 2010, sortie de la GTX 580, par rapport au GF 100 de la GTX 480, son GF 110 dispose des 16 SM de Fermi, et de petites améliorations permettent de réduire un peu la consommation, et l'utilisation d'un refroidissement amélioré réduit les nuisances sonores.
• Mars 2011, lancement de la GTX 590, une carte bi-GPU qui utilise deux GF 110. C'est la plus puissante carte utilisant l'architecture Fermi.
• Avril 2012, arrêt de la fabrication des GTX 580 et abandon de l'architecture Fermi.

Architecture

On retrouve une puce gravée en 40 nm contenant quatre GPC. Chaque GPC contient quatre SM (Streaming Multiprocessor) qui contiennent diverses unités spécialisées (comme les unités de ROP ou de texture, par exemple). Une puce contient 48 unités de ROP. Pour soutenir les SM, la puce propose deux niveaux de mémoire cache auxquels il faut ajouter la quantité de GDDR5^[4].

Le GPC

Le GPC ou Graphics Processing Cluster est l’équivalent d'un cœur d'un microprocesseur sauf qu'il est dépourvu de mémoire cache, il est constitué de quatre SM.

Le SM

Un SM (Streaming Multiprocessor) peut contenir jusqu'à 32 cœurs CUDA et quatre unités de texture dans la version la plus évoluée, ainsi que le premier niveau de mémoire cache. Chaque SM se dote d'un double scheduler (ordonnanceur). Le scheduler est une sorte de chef de gare qui va agencer et distribuer le travail en fonction de la charge et des unités disponibles. Chaque scheduler peut envoyer une instruction à 16 processeurs CUDA à chaque cycle d'horloge. Le SM utilise le système de double cadencement qui multiplie par deux la fréquence des cœurs CUDA.

GPU utilisant l'architecture Fermi

• GF100 : il est utilisé dans les GTX 480
• GF104 : il est utilisé dans les GTX 460
• GF106 : il est utilisé dans certaines GT 440, dans les GTS 450
• GF108 : il est utilisé dans les GT 430, certaines GT 440, GT 530, certaines GT 630, certaines GT 730
• GF110 : il est utilisé dans les GTX 560 Ti 448 Core, les GTX 570, les GTX 580 et les GTX 590
• GF114 : il est utilisé dans les GTX 560 Ti et les GTX 560
• GF116 : il est utilisé dans les GTX 550 Ti, GeForce GT 640
• GF119 : il est utilisé dans les GT 520^[5], GeForce 605, GeForce GT 610, GeForce GT 620
• GF117 : gravure 28 nm^[6]

Sous la marque GeForce

Modèles GeForce	GT 520	GT 545	GTX 550 Ti	GTX 560 SE	GTX 560	GTX 560 Ti	GTX 560 Ti 448	GTX 570	GTX 580	GTX 590
Finesse de gravure	40 nm
Code de la puce	GF119-300	GF116	GF116-400	GF114-200	GF114-325	GF114-400	GF110-270	GF110-275	GF110-375	2x GF110-351
Surface de la puce	79 mm²	238 mm²		332 mm²			520 mm²			2x 520 mm²
Nombre de transistors	0.29 G	1.17 G		1.95 G			3.0 G			3.0 G
Fréquence GPU (MHz)	810	720	900	736	810	823	732	732	772	608
Fréquence Shaders (MHz)	1620	1440	1800	1472	1620	1645	1467	1467	1544	1215
Nb. Cœurs CUDA	48	144	192	288	336	384	448	480	512	2x 512
Nb. TMU	8	24	32	48	56	64	56	60	64	2x 64
Nb. ROP	4	16	24	24	32	32	40	40	48	2x 48
Cache L2 (ko)	128	256	384	384	512	512	640	640	768	768
Type de mémoire	DDR3	GDDR5	GDDR5	GDDR5	GDDR5	GDDR5	GDDR5	GDDR5	GDDR5	GDDR5
Capacité mémoire (Go)	1	1.5	1	1	1	1	1.28	1.28	1.5	2 x 1.5
Largeur du bus mémoire (bits)	64	128	192	192	256	256	320	320	384	2 x 384
Débit mémoire (Go/s)	14.4	38.4	98.5	92	128	128	152	152	192	2 x 164
Fréquence mémoire (MHz)	900	800	1026	957	1000	1000	950	950	1000	854
Enveloppe thermique (W)	30	70	116	150	150	170	210	220	244	375
Calcul FP32	155 GFLOPS	415 GFLOPS	691 GFLOPS	847 GFLOPS	1.08 TFLOPs	1.2 TFLOPs	1.3 TFLOPs	1.4 TFLOPs	1.6 TFLOPs	2.4 TFLOPs
Calcul FP64	13 GFLOPS	34 GFLOPS	57 GFLOPS	70 GFLOPS	90 GFLOPS	105 GFLOPS	164 GFLOPS	176 GFLOPS	197 GFLOPS	311 GFLOPS
Date de sortie	avril 2011	mai 2011	mars 2011	février 2012	mai 2011	janvier 2011	novembre 2011	décembre 2010	novembre 2010	mars 2011

Sous la marque Quadro

Modèles	Quadro 600	Quadro 2000	Quadro 4000	Quadro 5000	Quadro 6000	Quadro 7000
Finesse de gravure	40 nm	40 nm	40 nm	40 nm	40 nm	40 nm
Code de la puce	GF108	GF106-875	GF100-825	GF100-850	GF100-850	GF110
Surface de la puce	116 mm²	238 mm²	529 mm²	529 mm²	529 mm²	520 mm²
Nombre de transistors	0.58 G	1.17 G	3.1 G	3.1 G	3.1 G	3.0 G
Fréquence GPU	640 MHz	625 MHz	475 MHz	513 MHz	574 MHz	651 MHz
Fréquence Shaders	1280 MHz	1250 MHz	950 MHz	1026 MHz	1157 MHz	1301 MHz
Nb. Cœurs CUDA	96	192	256	352	448	512
Nb. unités de texture	16	32	32	44	56	64
Nb. ROP	4	16	32	40	48	48
Cache L2	128 Ko	256 Ko	512 Ko	640 Ko	768 Ko	768 Ko
Type de mémoire	DDR3	GDDR5	GDDR5	GDDR5	GDDR5	GDDR5
Capacité mémoire	1 Go	1 Go	2 Go	2.5 Go	6 Go	6 Go
Largeur du bus mémoire	128 bits	128 bits	256 bits	320 bits	384 bits	384 bits
Débit mémoire	25.6 Go/s	41.6 Go/s	89.8 Go/s	120 Go/s	143.4 Go/s	177.4 Go/s
Fréquence mémoire	800 MHz	650 MHz	702 MHz	750 MHz	747 MHz	924 MHz
Enveloppe thermique (TDP)	40 W	60 W	140 W	150 W	204 W	204 W
Calcul FP32	245 GFLOPS	480 GFLOPS	486 GFLOPS	722 GFLOPS	1.03 TFLOPS	1.3 TFLOPS
Calcul FP64	20 GFLOPS	40 GFLOPS	243 GFLOPS	361 GFLOPS	518 GFLOPS	667 GFLOPS
Date de sortie	décembre 2010	décembre 2010	novembre 2010	février 2011	décembre 2010	mai 2012

Nouvelles gammes

Selon la roadmap de Nvidia, les nouvelles gammes de cartes se nomment respectivement Kepler et Maxwell ^[7]. Les gains en performance annoncés par le constructeur entre chaque gamme sont :

• 4-6 GFLOPS par watt en double précision pour Kepler
• 15-16 GFlops par watt en double précision pour Maxwell.

L'architecture Maxwell était attendue pour 2013 mais elle ne sera pas utilisée avant 2014^[8].