Bộ nhớ băng thông rộng của AMD thách thức Nvidia

(PCWorldVN) AMD đã công bố điều mà họ cho là sẽ thay đổi cuộc chơi card đồ họa: công nghệ chip xếp chồng siêu nhanh băng thông rộng, thậm chí AMD còn tự hào cho rằng Nvidia bị bỏ lại phía sau ít nhất là một năm.

• Card đồ họa - Sức mạnh lai
• Card đồ họa - GeForce 9 cao cấp
• PRAM sẽ thay thế bộ nhớ flash NOR
• Chip di động Turion của AMD thách thức Intel
• Tối ưu hiển thị đồ họa

Dùng chip nhớ RAM chồng lên nhau và giao tiếp qua những lỗ nhỏ, bộ nhớ băng thông rộng HBM (high bandwidth memory) có hiệu năng gấp 3 lần bộ nhớ GDDR5 truyền thống dùng trong bộ xử lý đồ họa (GPU) hiện nay, cho phép giảm rất nhiều điện năng tiêu thụ, giám đốc công nghệ (CTO) của AMD cho biết.

Tầm quan trọng: Băng thông bộ nhớ của card đồ họa có vai trò không kém gì bộ xử lý đồ họa đối với hiệu năng của trò chơi. Sự gia tăng băng thông của bộ nhớ gần như luôn làm tăng hiệu năng khi kết hợp với những thay đổi của GPU.

Thách thức

Card đồ họa hiện đại ngốn băng thông bộ nhớ không khác gì những cỗ xe 8 xi lanh uống nhiên liệu. Vấn đề là bộ nhớ GDDR5 hiện thời đang nhanh chóng đạt đến điểm mà hiệu quả đầu tư ngày càng giảm. Nếu tăng thêm băng thông với GDDR5 thì điện năng tiêu thụ sẽ quá lớn đến mức tăng hiệu năng không còn hiệu quả nữa.

Một trong những vấn đề mà GDDR5 gặp phải là cách các chip nhớ kết nối với GPU. RAM GDDR5 sử dụng các tiếp điểm trên các cạnh của mỗi chíp nhớ, vì thế khi muốn tăng băng thông bạn phải tăng thêm chip nhớ. Tuy nhiên, những chip này phải được bố trí tuần tự cạnh nhau trên bo mạch của card đồ họa gây ra vấn đề tương tự như tình trạng phát triển "ngổn ngang" của các vùng ngoại ô. Ngoài việc chiếm dụng nhiều không gian của bo mạch, nó còn đòi hỏi dây dẫn dài để nối với GPU. Không chỉ có RAM mà bộ điều chỉnh điện áp cấp nguồn cho chúng cũng phải thay đổi vì khi đẩy tín hiệu trên dây dẫn dài bạn phải tốn nhiều điện năng hơn, hay những bộ điều chỉnh điện áp lớn hơn.

Hình trên cho thấy bố trí của RAM trên card Radeon R9 290X dùng GDDR5 của AMD minh họa không gian bị chiếm dụng cũng như khoảng cách dây dẫn phải đi qua để nối đến GPU ở trung tâm.

HBM giải quyết những hạn chế của GDDR5 bằng cách tiếp cận chiều dọc như kiểu các tòa nhà cao tầng. Bằng cách chồng 4 chip nhớ lên nhau, AMD có thể đưa RAM lại gần GPU hơn, nhờ vậy thu ngắn đáng kể dây dẫn. Khác với GDDR5, HBM RAM dùng công nghệ kết nối xuyên dọc silicon có tên là TSV (through-silicon via) nhờ những lỗ nối trong chồng chip. Mỗi lớp còn được nối trực tiếp đến lớp tiếp theo bằng những tiếp điểm dạng bướu nhỏ.

Nhờ những kết nối nội tại giữa các lớp và dây dẫn không phải đi quá xa để đến GPU nên có thể thiết kế các tuyến truyền rộng hơn mà không phải gánh lấy mức tiêu thụ điện năng của GDDR.

Chip GDDR5 hiện nay hỗ trợ đường truyền bộ nhớ 32-bit với băng thông có thể lên đến 7GBps; trong khi đó mỗi chồng RAM HBM hỗ trợ tuyến truyền 1.024-bit và băng thông bộ nhớ hơn 125GBps. Vì vậy HBM chip còn có thể chạy ở tốc độ xung nhịp thấp hơn nhiều nhưng vẫn đạt băng thông bộ nhớ lớn hơn nhiều.

Hiệu năng tiêu thụ điện hết sức quan trọng và AMD cho biết mỗi chồng HBM sẽ đạt băng thông bộ nhớ 35G Bps trên mỗi watt tiêu thụ so với 10,5 GBps của GDDR5. Hiệu năng tiêu thụ điện không chỉ có ý nghĩa với các ứng dụng di động mà còn có thể tăng xung nhịp của nhân GPU nhờ bộ nhớ sinh ít nhiệt hơn.

Có nhiều cách để xếp chồng chip. Hướng tiếp cận của AMD với HBM là dùng kỹ thuật “2,5D” với một lớp đệm thụ động. Cách làm này khác phương pháp thiết kế có tên “3D” với chip RAM được bố trí ngay trên GPU. AMD khẳng định thiết kế 3D của họ thật sự được hiện thực trên cả 3 trục X, Y và Z, không nên lầm tưởng với tên gọi 2,5D.

AMD cũng không hề quanh co khi nói về đối thủ cạnh tranh chính của mình: Nvidia đã từng chế nhạo công nghệ chồng chip khi hứa hẹn về sản phẩm Volta GPU vào đầu 2013 nhưng Volta đã bị hoãn lại và GPU đầu tiên của Nvidia dùng bộ nhớ xếp chồng không thể có trước năm 2016 là Pascal GPU cũng dùng kỹ thuật 2,5D.

AMD là động lực chính của ngành công nghiệp phát triển bộ nhớ HBM cùng với các đối tác của mình. Tuy AMD thường giới thiệu card đồ họa với GDDR3 và GDDR5 trước nhưng lại gây nên những lo ngại về sản lượng của những sản phẩm công nghệ mới này. AMD cũng trấn an mọi người không nên lo lắng về sản lượng của sản phẩm HBM mới vì họ tin tưởng sẽ có đủ HBM RAM để sản xuất GPU.

Không gian của mạch in (PCB) bị các mạch tích hợp chuyên dụng và bộ nhớ chiếm (R9 290X)

HBM cho phép AMD giảm điện năng và tăng tốc độ bằng cách chuyển các chip gần nhau hơn về vật lý so với card đồ họa chạy trên GDDR5 truyền thống.

HBM không đối chọi với Hybrid Memory Cube

Tỉ số hiệu năng/điện năng của HBM quá tốt và hấp dẫn nên AMD kỳ vọng loại bộ nhớ mới này sẽ được chấp nhận trong nhiều lĩnh vực khác ngoài GPU. HBM có thể dùng cho CPU tích hợp chip đồ họa cũng như máy chủ và trạm làm việc. Nhiều người thích đưa HBM ra tranh tài với một công nghệ bộ nhớ tương tự mà Intel và Micron đang phát triển có tên là khối nhớ lai (hybrid memory cube – HMC). HMC là thiết kế bộ nhớ xếp chồng cao cấp nhưng khác với AMD là Intel và Micron không thông qua JEDEC. AMD cho biết là vấn đề mà Intel và Micron đang cố giải quyết bằng HMC chỉ tác động đến siêu máy tính và không hề xung đột với HBM, đó là công nghệ đắt tiền cho một ứng dụng khác. Giới chức Intel dường như cũng đồng tình khi một phát ngôn viên của hãng này cho biết rằng họ là một đối tác phát triển High Bandwidth Memory trong JEDEC và cũng đang triển khai ứng dụng HBM trong các nền tảng của mình. Tuy Intel không phải là thành viên của Hybrid Memory Cube Consortium (HMCC) nhưng công ty đang phối hợp với Micron Technology phát triển một biến thể của HMC tối ưu cho bộ xử lý Intel Xeon Phi “Knights Landing”.

Nói cách khác, những ai hy vọng sẽ chứng kiến trận thư hùng dữ dội giữa HBM và HMC như Rambus chống DDR vào những năm 1990 sẽ phải thất vọng. Intel cũng ủng hộ HBM.

Chip GDDR5 RAM kết nối bằng cạnh trong khi HBM dùng những lỗ nhỏ xuyên qua chính các chip này để giao tiếp.

Hiện thực HBM của AMD được gọi là 2,5D và dùng một lớp đệm (interposer) tĩnh làm nền.

Card HBM chỉ có 4GB?

Dù AMD không bàn luận về một sản phẩm GPU cụ thể nào của AMD với HBM nhưng trên Internet đã tràn ngập những rò rỉ và tin đồn về loại card được cho là có tên Radeon R9 390X dùng HBM. Nhiều người tin rằng 390X sẽ đưa AMD trở lại cuộc đua tranh với Nvidia vốn đã từng thắng thế về hiệu năng; trong khi đó đáp trả duy nhất của AMD cho dòng card Nvidia GeForce 9 là tiếp tục giảm giá những card Radeon hàng đầu.

Thậm chí những card Radeon này từ lâu có tiếng về nhiệt độ làm việc cao và tiêu thụ nhiều điện năng hơn sản phẩm của Nvidia. Nếu AMD đáng tin thì HBM chắc chắn sẽ giúp giải quyết vấn đề điện năng và nhiệt nhưng một điểm yếu mà Nvidia có thể khai thác là dung lượng RAM.

AMD không nói cụ thể là card HBM đầu tiên của họ sẽ giới hạn với 4GB RAM nhưng với hầu hết hình minh họa của AMD, kể cả trong bài này, đều cho thấy 4 chồng chip nhớ mà mỗi chồng là 1GB. Trong khi Nvidia đưa đến 12GB trong GeForce Titan X thì không khó để hình dung mức tác động của việc tiếp thị dựa trên tổng dung lượng đến cảm xúc mua hàng của người dùng cuối.

AMD cũng nhận thấy điều đó nhưng cho rằng người dùng cuối sẽ đánh giá cao hiệu năng, kích thước và mức tiêu thụ điện; ngoài ra 4GB là dung lượng RAM khổng lồ và có nhiều cách tiếp cận chứ không chỉ cứ "đổ thêm" ngày càng nhiều bộ nhớ.

Chiphell.com tuyên bố hình ảnh bị rò rỉ này được cho là phiên bản card đồ họa Radeon 390X của AMD làm mát bằng chất lỏng với bộ nhớ HBM có kích thước nhỏ gọn.

GPU với nhiều tùy biến phong phú của các nhà sản xuất sẽ chỉ còn một vài chọn lựa với bộ nhớ HBM.

Thiết kế tùy biến GPU sẽ ít tùy biến hơn?

Một lo lắng khác là khả năng linh hoạt trong tùy biến card đồ họa. thông thường, khi giới thiệu nhân đồ họa mới thì AMD và Nvidia cũng sẵn sàng thiết kế tham chiếu cho các đối tác sản xuất bo mạch. Những thiết kế này về bản chất đã là bo mạch hoàn chỉnh với RAM, GPU, thành phần làm mát và điện thế nhưng những nhà sản xuất tên tuổi vẫn đưa công nghệ của họ vào bằng cách tạo những thiết kế riêng với những bộ làm mát và linh kiện "khủng" hơn nhằm hấp dẫn game thủ và cộng đồng ép xung. Tuy nhiên, do HBM dùng bộ nhớ tích hợp trực tiếp trên phần đệm tĩnh và được hàn chết như một sản phẩm đóng gói đơn nhất nên những đối tác chế tạo bo mạch có thể bị hạn chế và gặp khó khăn khi muốn thể hiện sự khác biệt cho sản phẩm của mình.

AMD cho rằng HBM sẽ không ảnh hưởng nhiều đến các đối tác này vì tính linh hoạt vẫn còn đó. Tuy nhiên, các nhà sản xuất bo mạch sẽ phải tinh chỉnh theo cách hơi khác trước đây; thậm chí họ còn có thể mua RAM của nhà sản xuất khác cho thiết kế riêng nhưng thường thì các đối tác này không làm vậy.

PC World VN, 06/2015