Rendimiento

El primer procesador con ejecución fuera de orden fue el IBM POWER 1, el cual sería la base para los procesadores RISC de este mismo nombre y de los PowerPC. Intel adopto esta tecnología para los x86 en su Pentium Pro. Desde entonces todas las CPUs de PC hacen uso de la tecnología out-of-order como una de las bases para sacar el máximo rendimiento posible.

La inteligencia artificial está en auge desde los últimos años, ya hablemos de Machine Learning o Deep Learning, de aprendizaje o inferencia, de un SoC para móviles a una GPU. Sus aplicaciones son amplias y en diferentes mercados. Es por ello que os vamos a introducir los diferentes tipos de procesadores para la inteligencia artificial, sus características y las diferencias entre estos.

Los chips gráficos o conocidos a día de hoy como GPUs han tenido una evolución interesante a través del tiempo desde sus inicios en los primeros PCs hasta llegar a los mastodontes ultra-complejos que tenemos a día de hoy. Es por ello que vamos a hacer un repaso de su evolución a través de los tiempos en este artículo.

Las tarjetas gráficas o conocidas como GPUs a día de hoy son el componente de un PC más utilizado que no forma parte del diseño de Von Neumann. Lo que ha llevado a la espectacular evolución de las GPUs hasta el día de hoy.

¿Qué es una GPU?

Una tarjeta gráfica es un componente clave de un ordenador que utiliza este para comunicarse con el usuario a través de una pantalla, sobre la cual genera imágenes que informan de la situación actual del ordenador en cada momento. Los componentes principales de una tarjeta gráfica son el chip gráfico por un lado y la memoria de vídeo o VRAM.

Así ha sido desde el lanzamiento de las primeras tarjetas gráficas hasta hoy en día, los chips gráficos y las VRAM se han vuelto más complejas y potentes, pero la configuración estándar se sigue manteniendo.

Primera generación de tarjetas gráficas: terminales y búfer de imagen

La primera generación es la que venía de las terminales de texto, donde se utilizaba un televisor sin receptor de radiofrecuencia para transmitir el texto que se escribía. El nombre que recibían dichas terminales era el de TV Typewriters o máquinas de escribir en la televisión, ya que para una persona de aquellos tiempos era eso.

Su funcionamiento era muy sencillo, una parte de la RAM se utilizaba para almacenar la sucesión de caracteres que íbamos escribiendo. Cada carácter tenía su glifo en forma de mapa de bits guardado en una ROM y en vez de almacenarlos en la RAM lo que hacía la RAM era informarle a la ROM que carácter había que escribir en la salida de vídeo. Para ello se utilizaban una serie de contadores binarios que contaban los tiempos de escaneo vertical y horizontal.

Pero de la misma manera que se pueden escoger caracteres se pueden escoger colores, por lo que algunos de estos chips gráficos primitivos podían dibujar imágenes en pantalla, pero limitadas por la memoria disponible y la paleta de colores, la cual fue evolucionando con el tiempo para mostrar cada vez más definición en una mayor cantidad de píxeles, no obstante se trataba de elementos muy primitivos con los que apenas se podía hacer nada.

Segunda evolución de las GPUs: sprites

Por desgracia la segunda generación no llegó al PC, ya que a principios de los 80 IBM no se había planteado estas para ejecutar videojuegos. ¿El concepto de la segunda generación? Los objetivos móviles o sprites, estos son glifos o mapas de bits que se pueden colocar en cualquier posición en en la imagen.

A principios de los 80 la mayoría de sistemas de 8 bits que tenía la gente en sus hogares hacían uso de un sistema de sprites, ya que la mayoría de su software son videojuegos. Los sistemas de sprites utilizan tablas de atributos para cada sprite que indican la prioridad, si está volteado no, la paleta de colores que utilizan y su posición.

Este sistema se utilizó en consolas de 8 y 16 bits durante casi 15 años antes de dar el salto a los 32 bits. En PC en cambio fue totalmente inédito, lo que influyó por completo a los juegos que salieron para la plataforma durante largos años.

Tercera evolución de las GPUs: listas de pantalla y el Blitter

Las listas de pantalla aparecieron por primera vez en un hardware doméstico a través del ANTIC del ordenador Atari 800. Una lista de pantalla no es más que una serie de órdenes de cómo ha de dibujar el chip gráfico la escena. Hasta el momento lo que se había hecho era copiar una lista de datos en la memoria de vídeo y hacer que el hardware la interpretase.

Pero donde tuvieron su apogeo fue en el Commodore Amiga, a través de su chip gráfico Agnus que en su interior tenía una evolución del ANTIC llamada Copper y un chip llamado Blitter, que revolucionó por completo el funcionamiento. ¿La función del Blitter? El copiar datos de una memoria a otra pero pudiendo modificar estos al vuelo de tal manera que el origen era diferente al destino y todo ello liberando a la CPU.

Antes de la aparición del Blitter, las CPUs solo tenían para ellas el tiempo en el que no se dibujaba la pantalla, con el Blitter una CPU podía pasar a tener todo el tiempo del mundo y su capacidad para manipular los datos gráficos al vuelo dieron un salto de calidad en los PCs.

Cuarta evolución de las GPUs: memoria multipuerto

Pese a que la CPU estaba completamente libre, los chips gráficos tenían el problema de que no podían acceder a la RAM para manipular los datos si se estaba generando la pantalla. Por lo que la siguiente evolución fue el uso de memoria multipuerto. Lo que se traduce en memoria de varios canales. Lo que se traduce en que el adaptador de pantalla y el chip gráfico pueden acceder al mismo tiempo sin que uno tenga que esperar al otro.

Con esto llegamos a la evolución de las tarjetas 2D, a partir de ese punto su evolución no fue arquitectural sino en especificaciones, con la capacidad de dibujar más píxeles por pantalla y con mayor precisión de color.

La aparición del hardware 3D en PC

Las primeras tarjetas 3D no tenían los elementos 2D sino dos elementos de hardware completamente inéditos en el hardware en 2D, los cuales eran los siguientes:

• Unidades de manejo de texturas: las cuales pueden tomar una parte concreta de una imagen guardada en memoria y manipularla. Una unidad de texturas es capaz de coger esa parte concreta de una imagen y rotarla, cambiarla de tamaño e incluso ajustarla para ser colocada en una superficie en 3D. Las unidades de texturas fueron las últimas en aparecer en las estaciones de trabajo para el 3D, pero en cambio en PC de cara a la adopción de los gráficos en 3D fue la primera parte del hardware en ser adoptada.
• Unidades de rasterizado: Las unidades de rasterizado se encargan de convertir los datos 3D basados en vectores en datos cartesianos 2D que se pueden mostrar en pantalla. Este proceso era altamente pesado para las CPUs de la época y su inclusión permitió que el software 3D llegase a los hogares y no fuese necesario utilizar estaciones de trabajo.

Las primeras tarjetas 3D eran un sobrecoste y no tuvieron el éxito esperado pese a su adopción en el mercado de los videojuegos para PC, el motivo era que pedían una tarjeta 2D aparte, pero no tardaron en ser integradas las dos partes del hardware en una sola.

La GPU se completa para llegar a su forma final

La NVIDIA GeForce 256 fue la primera GPU en tener el pipeline 3D al completo, esto significaba que toda la escena en 3D era calculada por la GPU y la CPU solo tenía que crear la lista de pantalla. Fue un cambio importante a partir del cual se han dado el resto de evoluciones desde entonces, las cuales resumidamente han sido las siguientes:

• Unidades Shader: se trata de procesadores basados en la ejecución multihilo, lo que les permite ejecutar programas con los que primero modificaban primitivas gráficas y con el tiempo datos más genéricos. Su evolución llevó a los gráficos a la computación científica e inicialmente se encontraban separados por el tipo de primitiva gráfica, pero luego se unificaron y siguen así desde entonces.
• Aceleradores: los códecs de vídeo, adaptadores de pantalla y demás hardware se integraron dentro de las GPUs durante este periodo. Dejando de ser chips aparte.
• Arrays sistólicos para la ejecución de algoritmos de inteligencia artificial.
• Unidades para acelerar la ejecución del trazado de rayos.

Aunque en los últimos veinte años hemos visto generación tras generación de GPUs, realmente a nivel de arquitectura si descartamos el añadido de nuevas unidades para la IA y el Ray Tracing, lo que hemos visto realmente es una evolución en el que cada vez hay más unidades pero con una arquitectura en común.

Los procesadores AMD Ryzen han sido toda una revolución en la industria. Estos procesadores se han convertido en una excelente solución para cualquier tipo de usuario. Ahora, puedes optimizar al máximo el funcionamiento de estos procesadores gracias a la aplicación Clock Tuner Ryzen, que te vamos a enseñar a utilizar.

Intel Memory Latency Checker es una pequeña aplicación de Intel tanto para Windows como para Linuz, la cual nos permite medir el rendimiento de la comunicación entre los diferentes núcleos de la CPU y la memoria RAM. En este artículo os hacemos una introducción al mismo y que parámetros mide.

A la hora de medir el rendimiento de la RAM y la VRAM tenemos se suelen hablar de dos parámetros de rendimiento, los cuales son el ancho de banda y la latencia. Pero, ¿qué relación hay entre estas dos características y si podemos catalogarlas como constantes?

Los SSD NVMe otorgan una serie de ventajas por sí mismos en los juegos, en especial gracias al enorme ancho de banda que tienen, lo que permite conseguir sus datos a velocidades tan altas que permiten cambiar por completo el diseño de niveles en los juegos. Pero, ¿realmente son los SSD NVMe el Santo Grial del rendimiento en los juegos o existen limitaciones?

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Las unidades DRAM-Less SSD son un tipo de SSD que cómo su nombre indica no tienen memoria DRAM integrada y por tanto son mucho más baratos que los SSD convencionales. Pero, ¿cómo afecta la falta de RAM en un SSD de este tipo y por qué? En este articulo os explicamos como es el acceso de los datos a un SSD, como afecta la falta de DRAM en algunos SSD y cuál es el futuro de este tipo de periféricos.

El minado de criptomonedas y muy especialmente de Ethereum vuelve a estar en un punto álgido, y es más que probable que si tienes una tarjeta gráfica potente te hayas planteado el iniciarte en este mundo. Si es así, en este artículo te vamos a enseñar cómo optimizar las principales GPU para minar Ethereum y así obtener el mejor rendimiento de hashrate posible.

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Una GPU en realidad es un tipo de procesador sumamente complejo, un sistema heterogéneo compuesto por varios tipos de unidades diferentes que han de ir coordinadas para dar un resultado coherente. En este artículo os vamos a describir los procesadores de comandos, la parte de la GPU encargada de dicha tarea.

En toda GPU hay siempre una parte central que independientemente de la arquitectura y la marca que hablemos es común en todas ellas, se trata de los procesadores de comandos, la unidad encargada de gestionar de manera automática el funcionamiento de las decenas de unidades distintas que hay en una GPU.

¿Qué es un procesador de comandos?

El procesador de comandos de una GPU es un microcontrolador encargado de leer la lista de pantalla generada por la CPU, para hacerlo hace servir la unidad DMA en la propia GPU para acceder no a la VRAM sino a la RAM principal del sistema donde se almacena dicha lista de comandos. Tras encontrar la lista de pantalla en la RAM la copia en la memoria interna del microcontrolador.

La lista de comandos incluye todas las instrucciones que han de ejecutar las diferentes unidades de una GPU para renderizar una imagen, ya sea en 2D o en 3D, pero desde la llegada de DirectX 11 al PC llegaron los llamados Compute Shaders, esto son programas shader que no están asociados al pipeline gráfico y que permiten utilizar la GPU para resolver algoritmos en los que la CPU es menos eficiente.

A día de hoy una GPU no solamente se utiliza para renderizar impresionantes gráficos para videojuegos, tiene otras muchas utilidades y se utiliza en varios mercados distintos, pero la evolución de las tarjetas gráficas hacia dichos mercados ha ido en paralelo con la evolución del procesador de comandos y sus posibilidades.

¿Qué significa computación asíncrona?

Primero de todo, hay que aclarar que los Compute Shaders también se utilizan en el caso del pipeline gráfico, especialmente en efectos de post-procesado y pre-procesado de la imagen. Por ejemplo son utilizados para calcular la iluminación en el renderizado en diferido. En esos casos debido a que la ejecución de los Compute Shaders depende de la ejecución del resto del pipeline gráfico decimos que esta sincronizada, pero existen tareas que se benefician del uso de la GPU y que no forman parte del renderizado de la escena, por tanto funcionan de manera asíncrona.

Para poder visualizarlo mejor, solo necesitamos ver dos situaciones distintas:

• En la primera estamos haciendo pan pero nos encontramos que nos falta harina y por tanto le pedimos a alguien que no las vaya a buscar, esto hace que no podamos hacer nada mientras esperamos que nos traigan la harina.
• La segunda situación viene de la primera, debido a que no podemos hacer pan entonces decidimos lavar los platos. Algo que podemos hacer en cualquier momento y que no tiene nada que ver.

Los diseñadores de las diferentes GPUs se dieron cuenta de que en todas las GPUs existían burbujas en la ejecución donde algunas partes de la GPU de estas no hacían nada en pequeños periodos de tiempo. Es por ello que hace unos años decidieron implementar la computación asíncrona y colaborar en el desarrollo de APIs que hacen uso de estas, como por ejemplo DirectX 12 y Vulkan.

¿Qué son las listas de comandos?

A día de hoy, es la propia CPU la encargada de realizar las diferentes listas de comandos, ya sea a través de un solo núcleo o de varios núcleos para crearlas en paralelo. En videojuegos se suele asignar un núcleo para que cree la lista de gráficos, la cual es mucho más compleja que las demás y suele tener como origen un solo anillo en memoria. Las listas de comandos para computación son mucho más sencillas, buscan que las unidades shader solucionen un problema concreto y den la solución.

En el caso de las listas de comandos para computación estas suelen estar compuestas por varias listas distintas, las cuales pueden ser resueltas de manera simultánea entre ellas y respecto a la lista de pantalla. El motivo de ello es que son asíncronas y por tanto no dependen unas de las otras para funcionar, esto las hace totalmente independientes y permite aprovechar partes de la GPU que de otra manera se verían desaprovechadas por inactividad.

El otro tipo de comandos son los relacionados con los accesos a la RAM o la VRAM del sistema, dichos comandos se ejecutan tanto en computación como en gráficos. En el caso de los gráficos las operaciones a memoria se hacen única y exclusivamente en la VRAM, en cambio en modo computación los datos se pueden importar o exportar tanto en la RAM como en la VRAM, ya que en algunos casos la GPU da respuesta a una petición de cálculo de la CPU.

APIs gráficas y procesadores de comandos

Originalmente la lista de gráficos y las de computación se gestionaban juntas, lo cual era totalmente ineficiente. No fue hasta la salida de GPUs con procesadores de comandos separados para gráficos y computación, con la capacidad de funcionar de manera síncrona y asíncrona entre ellos, que estas no fueron capaces de gestionar en paralelo varias listas de comandos distintas.

Las listas de comandos son llamadas también búferes en anillo, el motivo es que a cada procesador de comandos se le asigna una o varias direcciones de memoria en una lista, cuando llegue a la dirección de memoria a la que puede acceder entonces vuelve a empezar el búcle de nuevo. Es como si diera vueltas en círculos. Y por eso lo llamamos búfer en anillo o Ring Bufffer en inglés. Es por eso que los hemos representado en forma de pequeños anillos en el diagrama de más arriba.

Tipos de Procesadores de Comandos

Hay diferentes tipos de procesadores de comandos, cada uno tiene su utilidad y depende del tipo de mercado para el que vaya dirigido la tarjeta gráfica se hace uso de un tipo de procesador de comandos u otro:

• Solo gráficos: se encuentra en total desuso a tiempo de hoy, ya que antiguamente había un solo procesador de comandos y era para gráficos en exclusiva.
• Con planificador inteligente: una de las cosas a la hora de manejar varias listas de comandos en paralelo, en concreto para computación, es que ha de ser la propia CPU del sistema la que en general coordine la ejecución de las diferentes listas de comandos. Un procesador de comandos con planificador inteligente es capaz de reordenar a tiempo real la lista de comandos sin intervención de la CPU.
• Solo computación: se utilizan en la computación científica y de alto rendimiento, estas GPUs no pueden generar gráficos al no tener un procesador de comandos gráfico o estar este inactivo. Es el caso de las GPU CDNA para las AMD Instinct, las diferentes NVIDIA Tesla y las diferentes tarjetas gráficas para computación.
• Virtualizados: utilizados en los centros de datos, en especial para la computación en la nube. Permiten manejar varias listas de comandos gráficos al mismo tiempo, las cuales son independientes las unas de las otras. Cada lista corresponde a una máquina virtual que ejecuta un sistema operativo distinto para un usuario distinto de manera remota.

Interacción del procesador de comandos con el resto de la GPU

El procesador de comandos no procesa ningún programa, sino que es un gran organizador que se encarga de distribuir las tareas entre las diferentes unidades disponibles en cada momento. Si hablamos del procesador de comandos gráficos entonces este tendrá acceso no solo a las unidades shader de la GPU, sino también a las unidades de función fija. En computación en cambio tiene acceso solo a las unidades shader y la forma de operar de los procesadores de comandos para la computación es distinta.

¿Cómo se coordinan las diferentes unidades entre sí? Pues bien, cada unidad de función fija y unidad shader tiene una especie de buzón que puede enviar y recibir mensajes en dos sentidos distintos:

• A la hora de exportar datos, la unidad shader puede exportar hacía un nivel inferior de la caché, hacía una unidad de función fija, hacía otra unidad shader o incluso hacía la RAM que tenga asignada, ya sea un tipo de RAM o de VRAM.
• En cuanto a la importación de datos, es el procesador de comandos y la unidad de envío los encargados de enviar los datos a la unidad shader. Cada cierto tiempo el procesador de comandos es el que llena las caches de datos e instrucciones de cada unidad shader con las tareas que tendrá que realizar, ya que las unidades shader no tienen la capacidad de captar instrucciones como una CPU.

No hace falta aclarar que en la lista de instrucciones y datos que envía el procesador de comandos a cada unidad existe una orden final que le dice a donde ha de exportar esos datos una vez ha terminado de calcularlos. Que unidades reciben las listas de datos y/o instrucciones a procesar y hacía donde son enviadas son cosa del procesador de comandos, el cual realiza la tarea sin que nos tengamos que preocupar.

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