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Durant la GTC 2013, nous avons pu nous entretenir avec Ian Buck qui est à l'origine de la première version de CUDA et actuellement General Manager chez Nvidia pour les technologies du GPU Computing. Interrogé au sujet de Kayla, la plateforme de développement CUDA on ARM équipée d'un GPU GK208, Ian Buck nous a indiqué que les performances GPU, au niveau de CUDA, étaient bel et bien représentatives de celles de Logan, sans vouloir en dire plus.

Bien que ce niveau de performances représente le bas de gamme sur PC, il s'agit d'une évolution énorme pour un SoC Tegra. Si le passage au 20nm et sans aucun doute plusieurs évolutions de l'architecture (avec probablement une réduction du nombre d'unités de texturing), faciliteront l'arrivée de l'architecture Kepler et de CUDA dans le monde ultra-mobile, il est difficile d'imaginer que ces 384 cores (ou équivalents) flexibles ne consommeront pas plus que les 72 cores avec pipeline fixe de Tegra 4.

De quoi nous laisser spéculer qu'avec Logan, Nvidia devra se contenter de versions bridées (en termes d'unités actives ou de fréquences) pour les "petites" tablettes et les superphones, mais compte par contre revoir ses prétentions à la hausse avec un SoC capable de monter en gamme pour viser les "grosses" tablettes voire des ultra-portables et bien entendu le successeur de Shield.

Parallèlement à cela, Ian Buck nous a indiqué que CUDA devrait progressivement devenir "power aware" et devenir capable de prendre en compte l'aspect consommation ou tout du moins de permettre aux développeurs de le faire. Cela se fera tout d'abord au niveau des outils tels que Nsight (et sa version Tegra) qui d'ici quelques temps reporteront des informations liées à la consommation.

Il est possible qu'à terme, les compilateurs CUDA, permettent optionnellement d'améliorer le rendement énergétique, mais cela est encore à l'état de recherche et prendra encore plusieurs années avant d'éventuellement se concrétiser. Globalement, la meilleure stratégie reste d'exécuter le plus rapidement une tâche pour retourner au repos dès que possible mais ce n'est pas toujours vrai, d'autant plus dans le cas d'une tâche continue telle que le rendu 3D sur GPU. Par exemple, calculer une valeur au lieu de la lire en mémoire peut avoir un léger impact sur les performances mais augmenter le rendement énergétique.

En plus de préparer le futur avec CUDA, dans l'immédiat, le plus important pour Nvidia est probablement d'arriver à convaincre un maximum de développeurs que faire l'effort nécessaire pour arriver à utiliser 2 threads ou plus à fréquence modérée offre un meilleur rendement que se contenter d'un seul thread mais des performances de la fréquence CPU maximale.

Correction du 01/07/2013: le nom du GPU que nous pensions être GK117 est en réalité GK208.

Lorsque nous avions rencontré Nvidia pour parler de l'architecture des Tegra 4 et 4i, il y a un point que le concepteur de ces SoC a catégoriquement refusé d'aborder : la consommation en charge et le TDP. Des chiffres délicats à avancer et à assumer puisque de toute évidence, la consommation maximale de Tegra 4 sera supérieure à celle de Tegra 3. Ceci n'étant bien entendu pas incompatible avec un rendement énergétique supérieur et avec une consommation en baisse lors de scénarios de types charge faible.

Lors d'une présentation dédiée aux investisseurs qui a suivi la keynote principale de la GTC, Jen-Hsun Huang, CEO de Nvidia, a avancé des chiffres concernant les TDP des futurs SoC : 5W pour Tegra 4 et 1W pour Tegra 4i. Deux chiffres relativement faibles, voire très faibles dans le cas du Tegra 4i qui intègre pour rappel 4 Cortex-A9 r4, un GPU relativement véloce et un modem 4G/LTE.

Pour comprendre ces chiffres, il faut cependant savoir que la définition du TDP est à géométrie variable, comme nous l'avions expliqué en nous intéressant de plus près au SDP d'Intel. Globalement le TDP représente la capacité de refroidissement nécessaire pour garantir le bon fonctionnement du composant. Historiquement cela représentait sa limite haute de consommation, mais progressivement, le fait de pouvoir fonctionner à une fréquence réduite pour éviter une surchauffe a été intégré à la définition même de "bon fonctionnement". Ajoutez-y les modes turbo et la prise en compte de l'inertie thermique et vous comprendrez qu'il devient difficile d'interpréter l'impact exact du TDP sur la consommation et sur les performances.

Les chiffres de 5W et de 1W avancés par Nvidia représentent ainsi probablement la capacité de dissipation nécessaire pour les variantes les moins gourmandes de Tegra 4 et de Tegra 4i. Des chiffres qui permettent de se faire une idée des types de designs et de formats qui pourront accueillir ces composants. De quoi confirmer que Tegra 4 est plutôt adapté à une tablette alors que Tegra 4i pourra être intégré facilement dans des smartphones compacts.

Difficile de dire par contre quel sera le niveau de performances soutenu autorisé par ces TDP puisqu'il est probable, comme c'est le cas pour la plupart des SoC actuels, que les Tegra 4 et 4i soient autorisés à consommer plus que cette valeur, jusqu'à atteindre une certaine température et voir leurs fréquences réduites. En plus de ces TDP, soit de la capacité de dissipation requise, il serait ainsi intéressant de connaître la capacité de dissipation conseillée par Nvidia pour pouvoir tirer le meilleur de ces SoC en termes de performances, notamment en ce qui concerne le jeu qui représente l'une des tâches les plus gourmandes qu'ils auront à exécuter.


Enfin, notez que le CEO de Nvidia a précisé le timing de l'entrée en production des périphériques qui intégreront ces futurs SoC : Q2 2013 pour Shield, les tablettes et les superphones Tegra 4, Q4 2013 pour les tablettes Tegra 4 + modem i500 et enfin Q1 2014 pour les smartphones Tegra 4i (i500 intégré).

En plus des plateformes CUDA on ARM destinées à simuler de futurs SoC que ce soit pour une utilisation de type périphérique mobile grand public ou de type micro-serveur, des développements se font également autour d'accélérateurs très puissants tels que les Tesla K20.

C'est le cas chez l'européen PRACE qui développe des systèmes dédiés au supercomputing et s'intéresse à CUDA on ARM depuis quelques temps. En collaboration avec le Barcelona Supercomputing Center, PRACE est en train de mettre au point une plateforme ARM équipée en GK110 : Pedraforca v2. Celle-ci est composée d'une carte mini-ITX sur laquelle prend place un module Q7 Tegra 3 dont 4 des lignes PCI Express 2.0 sont connectées à un switch PLX PCI Express 3.0 sur lequel vont venir se greffer un accélérateur Tesla K20 et une carte contrôleur InfiniBand 40 Gbps.

Cette plateforme a la particularité de ne pas rechercher la complémentarité entre les cores CPU et GPU. Grossièrement, le but est d'utiliser le SoC ARM uniquement pour activer un système CUDA plus ou moins indépendant. C'est la raison pour laquelle le Tesla K20 est associé à un contrôleur InfiniBand sur un même switch PCI Express 3.0 : ils peuvent ainsi communiquer très rapidement avec les accélérateurs d'autres nœuds en ignorant autant que possible la communication avec les SoC et leurs mémoires.

Les développeurs de Pedraforca v2 sont bien conscients qu'une telle approche n'est pas une solution de remplacement générale à un système CUDA classique et se contentera de répondre avantageusement à un sous-ensemble de problématiques : si un problème massivement parallèle peut être résolu sans CPU, autant réduire l'encombrement et la consommation de celui-ci.

Une telle solution permet par ailleurs de simuler le comportement de futurs GPU haut de gamme qui pourraient intégrer un ou plusieurs cores ARMv8 Denver pour gagner en indépendance. De quoi commencer à préparer des algorithmes qui leur seront adaptés ?

Nvidia l'a enfin confirmé, CUDA arrivera enfin dans les SoC Tegra avec Logan. Cela ne veut pas dire pour autant que CUDA sur plateforme ARM doit attendre. Il s'agit d'un point important de la stratégie de Nvidia pour son futur autant dans le monde professionnel que grand public. C'est la raison pour laquelle, depuis quelques temps déjà, Nvidia s'est associé à SECO pour proposer un kit de développement dénommé CARMA. Pour 529€, la plateforme propose un connecteur Q7 qui reçoit un SoC Tegra 3 (T30 à 1.3 GHz) et un connecteur MXM sur lequel prend place une Quadro 1000M de génération Fermi (GF108 avec 96 cores).

Tout cela va évoluer à partir du mois de mai, d'une part avec une couche logicielle qui supportera Ubuntu 12.04 et CUDA 5.0, et d'autre part avec la plateforme KAYLA, toujours développée en partenariat avec SECO, et qui existera en 2 versions : connecteur MXM ou PCI Express (câblés en 4x dans les 2 cas). Si nous aurions pu supposer que le SoC passerait en version Tegra 4, c'est bel et bien le Tegra 3 T30 qui reste exploité pour la simple et bonne raison que ses successeurs ne disposent plus de liens PCI Express. La différence (unique ?) entre les 2 cartes concerne les GPU supportés. La version PCI Express en supporte un large choix et la version MXM est annoncée être équipée d'un GPU Kepler de next generation.

Nvidia indique à ce sujet que ce GPU dispose de 2 SMX (384 cores), supporte les compute capabilities 3.5 (Dynamic Parallelism etc.) et est très proche du niveau de fonctionnalité du futur SoC Logan. Nous apprenons ainsi que le GPU de cette plateforme et celui de Logan disposent d'un processeur de commande plus évolué que sur les premiers GPU de la génération Kepler, dérivé de celui du GK110 (Tesla K20 et GTX Titan).


De toute évidence ce GPU est ainsi le GK208 qui prendra place dans les GeForce 700 d'entrée de gamme. Une supposition renforcée par un panneau de contrôle des pilotes Linux que Nvidia a malencontreusement oublié de masquer pendant quelques secondes et qui fait référence à un nom de code produit : D15M2-20. Cela correspond à la famille GeForce 700 desktop (D12 = GeForce 400, D13 = GeForce 500, D14 = GeForce 600…).


Cette plateforme CUDA on ARM continuera bien entendu à évoluer, tout d'abord avec CUDA 5.5 qui intégrera un compilateur CUDA pour l'architecture ARM, et plus tard avec l'arrivée de Logan et de Parker.

Correction du 01/07/2013: le nom du GPU que nous pensions être GK117 est en réalité GK208.

Après la roadmap GeForce, Nvidia nous en a dit un peu plus sur la roadmap des SoC Tegra. Si certains ont été quelque peu déçus de ne pas retrouver un GPU plus moderne dans Tegra 4, cela est en passe de changer. Jen-Hsun Huang a ainsi confirmé que la prochaine architecture Tegra, Logan, intégrerait enfin une évolution GPU majeure qui fera le pont avec les technologies qui nous retrouvons dans la gamme GeForce traditionnelles.

Ainsi, le GPU de Logan sera dérivé de l'architecture Kepler avec un support complet d'OpenGL 4.3 et surtout de CUDA 5 pour permettre d'exploiter la puissance de calcul du GPU d'une manière plus flexible, par exemple pour le traitement d'images. En plus de sa plateforme propriétaire CUDA, nul doute que Nvidia supportera également la plateforme ouverte OpenCL, qui, dernièrement, a enfin reçu un support clair de la part de Google en ce qui concerne Android.

Pour le reste, il est probable que Logan reprenne les mêmes cores Cortex-A15 que Tegra 4 et soit fabriqué en 20 nanomètres. Jen-Hsun Huang a précisé que si Tegra 4 est arrivé en retard, Tegra 4i est de son côté arrivé légèrement en avance alors que Logan devrait être à l'heure avec des premiers prototypes à la fin de l'année et une production qui débutera début 2014. Vous pouvez donc vous attendre à une annonce de Tegra 5 au CES 2014.

Tout ceci n'est cependant qu'une confirmation de ce que nous supposions déjà. La nouveauté est l'arrivée de quelques premières informations sur le successeur de Logan : Parker. Ce dernier arrivera en 2015 et intègrera les premiers cores ARM conçus en interne par Nvidia et basés sur l'architecture ARMv8 qui supporte le 64-bit, nom de code Denver. Au niveau du GPU, Parker passera à la génération Maxwell, avec seulement une année de décalage par rapport aux gros GPU dekstop, les architectures GPU étant dorénavant unifiées entre les différentes divisions de Nvidia.

Parker devrait également être la première puce conçue par Nvidia en vue de l'utilisation d'un procédé de fabrication de type FinFET ("transistors 3D) et nous pouvons supposer qu'il s'agira alors du 14nm.