Prozessor- und Rechnerarchitekturen (Master)

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1 Prozessor- und Rechnerarchitekturen (Master) Themen am : Was ist ein Grafik-Chip? Was soll berechnet werden? Warum kann das keine Standard-CPU machen?? ProRecArc17_V8 Ulrich Schaarschmidt HS Düsseldorf, SS 2017 Literatur Jähne, Bernd: Digitale Bildverarbeitung 2. Aufl. Springer Verlag 1991 Köhn, Carsten: Bildanalyse und Bilddatenkompression (Fraktale Verfahren und klassische Methoden im praktischen Einsatz) 1. Aufl. 1996, Carl Hanser Verlag Baxes, Gregory A.: Digital Image Processing (Principles and Applications) 1994, John Wiley & Sons, Inc / U.G. Schaarschmidt - HS-D 2 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 1

2 WAS IST EIN Grafik-Controller? Mikroprozessor mit besonderer Architektur und Anpassungen an die digitale Bild-/Video- Verarbeitung, Besondere Befehle, die aus mehreren kleinen Befehlen zusammengesetzt sind, aber gleichzeitig abgearbeitet werden, Optimierung des Datendurchsatzes, Spezialregister, die für mathematische Operationen optimiert sind, / U.G. Schaarschmidt - HS-D 3 EINSATZGEBIETE Bild-/Videotechnik, Bildverarbeitung, Bilderkennung, Zoom / Pan von Abbildungen, Machine vision and analytics, Medical Imaging, Videoschnitt, Schnelle, eingabeabhängige Simulation (Spiel, Flug- / Fahrzeug- / Schiffs- / Fahrradsimulator / U.G. Schaarschmidt - HS-D 4 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 2

3 Historie (Bildschirmarbeit) Eingenständiges ASCII-Terminal oder heute noch: LC-Display / TFT-Display, etc. bei Embedded Systems Textkonsole unter DOS, Linux funktioniert, als Grundfunktion im BIOS verankert, auf jeder Grafikkarte (wenn auch langsam) / U.G. Schaarschmidt - HS-D 5 Historie (Bildschirmarbeit) / U.G. Schaarschmidt - HS-D 6 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 3

4 Historie (Bildschirmarbeit) Grafik als Einsteckkarte für Rechner, erstmals beim AppleII / U.G. Schaarschmidt - HS-D 7 Historie (Bildschirmarbeit) Grafik als Einsteckkarte für Rechner, erstmals beim AppleII / U.G. Schaarschmidt - HS-D 8 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 4

5 Historie In den 1980er Jahren waren (im Heimgebrauch) oft Fernseher das Sichtgerät am Computer, deshalb CGA Auflösung mit 320/640 * 200 Pixel Auflösung (CGA Color Graphics Adapter); MDA Monochrome Display Adapter mit 720 * 350 Pixeln, EGA Enhanced Graphics Adapter mit 640 * 480 Bildpunkten bei 256 Farben aus einer Palette von 4096 Farben) / U.G. Schaarschmidt - HS-D 9 Historie / U.G. Schaarschmidt - HS-D 10 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 5

6 Historie Gegenwart Hardwarebeschleunigung Anforderungen an Simulationen / schnelle Spiele riefen die ersten HW-Beschleuniger auf den Markt. 3dfx brachte mit dem Voodoo Graphics-Chipsatz den ersten 3D-Beschleuniger auf den Markt. Geometrische Figuren in Form von Polygonen und Texturen -> Rendern. Grafikkarte statt CPU -> Beschleunigung für alles / U.G. Schaarschmidt - HS-D 11 Gegenwart Hardwarebeschleunigung Waren die 3D-Beschleuniger der ersten Generation noch auf eigenen Steckkarten verbaut, durch die das Grafiksignal der im System verbauten 2D-Grafikkarte durchgeschleift wurde, setzten sich bald Lösungen durch, die 2D- und 3D- Funktionalität auf derselben Karte vereinten / U.G. Schaarschmidt - HS-D 12 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 6

7 Gegenwart Hardwarebeschleunigung Um noch mehr 3D-Leistung anzubieten, werden heute mit der Multi-GPU-Technik (siehe auch SLI und AMD CrossFireX) zwei oder mehr 3D-Grafikkarten bzw. -prozessoren parallel geschaltet, um noch mehr Grafikelemente je Zeitspanne berechnen zu können. Da diese Technik aber recht hohe Kosten und einen erhöhten Energiebedarf mit sich bringt, hat sie bisher nur geringen Einfluss auf den Grafikkartenmarkt / U.G. Schaarschmidt - HS-D 13 Sonstiges Außer den oben beschriebenen DirectX- Grafikkarten gibt es spezielle Karten, die nur OpenGL unterstützen. Diese werden häufig im Animationsbereich eingesetzt und sind heute für Spieler völlig uninteressant, da die meisten PC-Spiele nur noch DirectX unterstützen (anders jedoch auf der Macintosh-Plattform). Standardmäßig beherrscht jede heutige DirectX- Grafikkarte auch OpenGL, umgekehrt ist das jedoch nicht der Fall / U.G. Schaarschmidt - HS-D 14 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 7

8 WESENTLICHE AUFGABE/ ANFORDERUNGEN AN GC Daten einlesen, verarbeiten und ausgeben Soll häufig in Echtzeit erfolgen ( = innerhalb vorgegebener Zeitschranken) Signalverarbeitung optimieren, Transformationen schnell durchführen, Look-Up-Tables schnellstens verfolgen Fehlfarbendarstellungen erleichtern, Matritzenoperationen durchführen (z.b. für Bildmanipulation, Kanten hervorheben), / U.G. Schaarschmidt - HS-D 15 Softwareschnittstellen Meist Gerätetreiber / API, Bekannt sind: OpenGL, DirectX (genauer: DirectDraw, Direct3D) und Quartz, -> unabhängig von der Grafikkarte 2D und 3D anzeigen / U.G. Schaarschmidt - HS-D 16 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 8

9 Und weiter Seit den Anfängen der programmierbaren Grafikpipeline im Jahr 2000 besteht die Möglichkeit, die Rechenleistung der Grafikprozessoren zur Berechnung von parallelisierbaren Rechenoperationen, wie sie z. B. bei technischen und wirtschaftlichen Simulationen vorkommen, zu nutzen. Diese Anwendung wird als GPGPU (General Purpose Computation on Graphics Processing Unit) bezeichnet, siehe auch bei CUDA / U.G. Schaarschmidt - HS-D 17 HP nvidia Quadro M6000 HP nvidia Quadro M GB nvidia nvidia Quadro M6000-Grafikkarte auf Basis des GM200-Grafikprozessors Stromversorgung: 250 Watt 12GB [ / U.G. Schaarschmidt - HS-D 18 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 9

10 HP nvidia Quadro M6000 nvidia, GPU: Quadro M6000, Maximale Auflösung 4096 x 2160 Pixel. Separater Grafik-Adapterspeicher: 12 GB, Grafikkartenspeichertyp: GDDR5-SDRAM, Breite der Speicherschnittstelle: 384 Bit. Schnittstelle: PCI Express x DirectX-Version: 12.0, Shader Model-Version: 5.0, OpenGL-Version: 4.4. Kühlung: Passiv, Produktfarbe: Schwarz, Grün (+ 4,69 Versand = 7.305,21 Gesamt) [ / U.G. Schaarschmidt - HS-D 19 HP nvidia Quadro M GB Hohe Geschwindigkeiten Rendern Sie Zeichen und Szenen mit beispielloser Skalierung, Komplexität und Vielfalt mit extrem schneller Visualisierung und Rechenleistung von SMX-Streaming-Multiprozessorkernen, die eine bedeutende Steigerung gegenüber den Produkten der vorherigen Generation darstellen. Eine Karte, bis zu vier Displays mit U/min Verwenden Sie vier Bildschirme gleichzeitig mit einer Auflösung von bis zu 4k mit DisplayPort 1.2. Verwalten Sie bis zu vier Displays mit den NVIDIA Mosaic- und NVIDIA nview -Technologien und synchronisieren Sie sie mit der Framelock-Technologie NVIDIA Sync. Quadro Boost integriert Steigern Sie die Anwendungsleistung mit einer Technologie, die automatisch die GPU-Taktzahl auf "Boost Clock" erhöht, aber dennoch innerhalb vorgegebener Energiebudgets bleibt / U.G. Schaarschmidt - HS-D 20 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 10

11 High-End-Grafikkarte von Asus Die extrem kraftvolle ASUS ROG Strix GeForce GTX 1080 OC werkelt auf Basis der brandaktuellen Pascal-Architektur und macht Ihnen Ultra-HD-Welten in schneller Frame-Folge sowie in höchsten Details erfahrbar. Neben einem konventionellen DVI- und HDMI-Port finden Sie daher auch zwei moderne DisplayPort-1.4- Schnittstellen / U.G. Schaarschmidt - HS-D 21 ASUS ROG Strix GeForce GTX 1080 OC 744,41 + 4,69 Versand 749,10 Gesamt [ / U.G. Schaarschmidt - HS-D 22 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 11

12 ASUS ROG Strix GeForce GTX 1080 OC De facto bedient die Grafikkarte eine Kompetenz für 7680 x 4320 Bildpunkte, im spieletauglichen Rahmen agiert diese praktisch "nur" im Ultra-HD-Bereich: Grafikintensive 3D-Games vom Kaliber "Anno 2205" oder "The Witcher 3" meistert sie bei einer Auflösung von Pixeln mit über 50 fps / U.G. Schaarschmidt - HS-D 23 Details Bus-Typ PCI Express 3.0 CUDA-Architektur ja overclocked ja Produktserie OC-Version Anzahl CUDA-Kerne 2560 Full-HD ja Leistungsaufnahme in Watt 300 Maximale Auflösung in Pixel 7680 x 4320 Hersteller Grafikchipsatz nvidia Grafikchipsatz GeForce GTX 1080 Grafikchip-Taktf in MHz Grafikchipsatz Generation Pascal / U.G. Schaarschmidt - HS-D 24 HS Düsseldorf (c) U.Schaarschmidt 12