Les cartes graphiques/Le multi-GPU
Les techniques dites de multi-GPU, tels le SLI et le Crossfire, permettent de mettre plusieurs cartes graphiques dans un PC pour gagner en performances. Le multi-GPU a eu son heure de gloire durant les années 2000. Dès 1998, il était possible de mettre dans un même PC deux cartes graphiques Voodoo 2, de marque 3dfx. Autre exemple : en 2006, le fabricant de cartes graphiques S3 avait introduit cette technologie pour ses cartes graphiques Chrome. Mais le multi-GPU est tombé en désuétude après 2010, du moins pour le grand public.
Le multi-GPU était destiné aux jeux vidéo, même si les applications de réalité virtuelle, l'imagerie médicale haute précision ou les applications de conception par ordinateur pouvaient en tirer profit. C'est ce genre de choses qui se cachent derrière les films d'animation ou les effets spéciaux créés par ordinateur : Pixar ou Disney ont vraiment besoin de rendre des images très complexes, avec beaucoup d'effets, ce qui demande la coopération de plusieurs cartes graphiques.
La répartition des calculs sur les GPU
[modifier | modifier le wikicode]Tout le problème des solutions multi-GPU est de répartir les calculs sur plusieurs cartes graphiques, ce qui est loin d'être chose facile. Il existe diverses techniques, chacune avec ses avantages et ses inconvénients, que nous allons aborder de suite. Mais elles peuvent être classées en deux types. Le Split Frame Rendering répartit le calcul d'une image sur plusieurs GPU. L'Alternate Frame Rendering calcule une image sur un GPU, les GPU calculent chacun des images différentes.
Le Split Frame Rendering
[modifier | modifier le wikicode]Le Split Frame Rendering (SFR) découpe l'image en morceaux, qui sont répartis sur des cartes graphiques différentes. Le SFR et l'AFR n'utilisent pas les GPU de la même manière. Le SFR demande d'utiliser au moins deux GPU, soit deux GPU sur une même carte imprimée, soit deux cartes graphiques séparées. Les GPU ont une organisation entre maitre-esclave : un GPU est un maitre, les autres sont des esclaves. Tous les GPU font des calculs de rendu pour un morceau de l'image final, mais seul le GPU maitre récupère les résultats calculés par les GPU esclaves et combine le tout pour donner l'imager finale. Pour faire la combinaison, le GPU contient des circuits de composition d'image dédié et c'est lui qui a le framebuffer final.
Historiquement, la première technique multi-GPU inventée est apparue sur les cartes graphiques Voodoo 2 et s'appelait le Scan Line Interleave, ou SLI. Elle fonctionnait avec seulement deux GPU maximum. Le premier GPU rendait les lignes paires et l'autre les lignes impaires. Il faut noter qu'outre des performances améliorées, utiliser le SLI permettait de doubler la résolution, faisant passer d'une résolution maximale de 800 par 600 maximum pour une voodoo 2, à 1024 par 768. En théorie, on peut adapter la technique à un nombre arbitraire de GPU, en faisant calculer par chaque GPU une ligne sur 3, 4, 5, etc.
Il est aussi possible de simplement couper l'image en deux : la partie haute de l'image ira sur un GPU, et la partie basse sur l'autre. Cette technique peut être adaptée avec plusieurs GPU, en découpant l'image en autant de parties qu'il y a de GPU. Intuitivement, on se dit que l'écran est coupé en deux portions égales. Mais en faisant cela, des complications peuvent survenir dans certains jeux où le bas de l'image est plus chargé que le haut, les FPS notamment. Dans ces jeux, le haut représente le ciel ou un plafond assez vide de géométrie, toute la géométrie et les textures sont dans le bas de l'image. Ainsi, le rendu de la partie haute sera plus rapide que celui du bas, une des cartes 3D finira par attendre l'autre.
Mieux répartir les calculs devient alors nécessaire. Pour cela, on peut choisir un découpage statique adapté, dans lequel la partie haute envoyée au premier GPU est plus grande que la partie basse. Cela peut aussi être fait dynamiquement : le découpage de l'image est alors choisi à l’exécution, et la balance entre partie haute et basse s'adapte aux circonstances. Pour cela, le driver dispose d'algorithmes plus ou moins complexes capables de déterminer assez précisément comment découper l'image au mieux. Mais il va de soit que ces algorithmes ne sont pas parfaits.
La technique du Checker Board découpe l'image en carrés de plusieurs pixels, de taille identique. Le premier GPU calcule les carrés pairs, le second GPU calcule les carrés impairs. Les carrés ont une taille fixe, de 16 ou 32 pixels de largeur, identique pour tous les carrés d'une image. L'avantage est que la technique équilibre bien la charge de travail entre les deux GPU : les deux GPU calculent une portion égale de l'écran, autant en haut qu'en bas.
L'Alternate Frame Rendering
[modifier | modifier le wikicode]L'alternate Frame Rendering (AFR) consiste à répartir des images complètes sur les différents GPUs. Dans sa forme la plus simple, un GPU calcule une image, et l'autre GPU calcule la suivante en parallèle. Les problèmes liés à la répartition des calculs entre cartes graphiques disparaissent alors. L'AFR a été inventé par ATI, sur ses cartes graphiques Rage Fury, afin de faire concurrence à la Geforce 256.
Un des défauts de cette approche est le micro-stuttering. Dans des situations où le processeur est peu puissant, les temps entre deux images peuvent se mettre à varier très fortement, et d'une manière beaucoup moins imprévisible. Le nombre d'images par seconde se met à varier rapidement sur de petites périodes de temps. Alors certes, on ne parle que de quelques millisecondes, mais cela se voit à l’œil nu. Cela cause une impression de micro-saccades, que notre cerveau peut percevoir consciemment, même si le temps entre deux images est très faible. Suivant les joueurs, des différences de 10 à 20 millisecondes peuvent rendre une partie de jeu injouable.
Pour diminuer l'ampleur de ce phénomène, les cartes graphiques récentes incorporent des circuits pour limiter la casse. Ceux-ci se basent sur un principe simple : pour égaliser le temps entre deux images, et éviter les variations, le mieux est d’empêcher des images de s'afficher trop tôt. Si une image a été calculée en très peu de temps, on retarde son affichage durant un moment. Le temps d'attente idéal est alors calculé en fonction de la moyenne du framerate mesuré précédemment.
Ensuite, il arrive que deux images soient dépendantes les unes des autres : les informations nées lors du calcul d'une image peuvent devoir être réutilisées dans le calcul des images suivantes. Cela arrive quand des données géométriques traitées par la carte graphique sont enregistrées dans des textures (dans les Streams Out Buffers pour être précis), dans l'utilisation de fonctionnalités de DirectX ou d'Open GL qu'on appelle le Render To Texture, ainsi que dans quelques autres situations. Évidemment, avec l'AFR, cela pose quelques problèmes : les deux cartes doivent synchroniser leurs calculs pour éviter que l'image suivante rate des informations utiles, et soit affichée n'importe comment. Sans compter qu'en plus, les données doivent être transférées dans la mémoire du GPU qui calcule l'image suivante.
L'implémentation matérielle du multi-GPU
[modifier | modifier le wikicode]Le multi-GPU peut se présenter sous plusieurs formes. Il est possible d'utiliser des GPU différents, des GPU identiques, de placer plusieurs GPU sur un même circuit imprimé, et j'en passe. Voyons ces méthodes en revue.
La plus simple des méthodes consiste à placer plusieurs GPU sur une même carte graphique. La technique a été utilisée dès les premières cartes accélératrices 2D. Par exemple, la Voodoo 5500 était une carte avec deux GPU sur son circuit imprimé et elle est sortie en Juin 2000. 3dfx a même envisagé des prototypes avec 4 GPU, portant le nom de Voodoo 5 6000, mais ils ne sont pas sortis dans le commerce. On parle alors de carte double GPU (dual GPU).
Il est aussi possible d'utiliser plusieurs cartes graphiques séparées, connectées à la carte mère via PCI-Express. Pour échanger des informations, les premières implémentations demandaient de connecter les deux cartes avec un connecteur spécialisé. ATI et NVIDIA faisaient ainsi sur les premières implémentations de leurs technologies Crossfire et SLI. Le connecteur n'était pas standardisé, dans le sens où ATI et NVIDIA avaient chacun leur connecteur dédié, incompatibles entre eux.
Par la suite, le connecteur SLI/CrossFire a rapidement été abandonné, pour laisser la place à des échanges passant par le PCI-Express. Le PCI Express permet en effet à deux périphériques de communiquer entre eux sans passer par l'intermédiaire du processeur, de la RAM, ou autre. En configurant des échanges DMA adéquats, plusieurs cartes graphiques dédiées peuvent communiquer entre elles via PCI-Express. ATI/AMD et NVIDIA utilisaient pour cela des technologies propriétaires, comme l'AMD DirectGMA.
Utiliser un connecteur dédié épargnait la bande passante PCI-Express, dans le sens où le connecteur fournissait de la bande passante en plus, utilisée uniquement pour la communication entre GPU. Les transferts PCI Express normaux n'entraient pas en compétition avec ceux du multi-GPU. Mais le gain était surtout pertinent sur les premières versions du PCI-Express dont le débit était limité. Sur les versions ultérieures du PCI-Express, le débit a augmenté suffisamment pour pouvoir gérer à la fois les transferts GPU normaux et les échanges multi-GPU sans trop de casse.
L'ATI Crossfire
[modifier | modifier le wikicode]La technologie multi-GPU d'ATI/AMD était appelée le Crossfire. Elle a été développée durant les années 2000 et a progressivement évolué dans le temps.
La toute première version n'était pas compatible avec toutes les cartes graphiques vendues par ATI. ATI vendait ses cartes graphiques en deux éditions : une édition Crossfire et une édition normale. Elle demandait d'utiliser une carte maitre avec une carte esclave. La carte esclave était une carte graphique normale ou Crossfire, mais la carte maitre devait obligatoirement être une carte Crossfire. La carte maitre était celle branchée sur l'écran. En tant que carte Crossfire, elle incorporait des circuits de composition d'image, afin de combiner les portions d'image calculée par elle-même avec celles calculées par la carte esclave.
Cependant, les circuits de composition d'image étaient un peu faibles. Par exemple, la Radeon XT 8500 ne supportait au maximum que des résolutions de 600×1200 - 60 Hz, or 1920×1440 - 52 Hz. Vu que le taux de rafraichissement était faible à de telles résolutions, surtout pour des écrans CRT qui ont tendance à faire mal aux yeux, le Crossfire était surtout utile pour les résolutions plus basses. Dommage pour du multi-GPU, censé aider pour les hautes résolutions.
Par la suite, les cartes Crossfire ont disparues et toutes les cartes graphiques ATI étaient compatibles Crossfire. La communication entre les GPU se faisait via le bus PCI Express. La technologie devint alors bien plus pratique, les cartes Crossfire étant rares et peu disponibles. Et ce malgré une petite perte en performance liée aux transferts via le PCI Express. Par la suite, l'introduction du CrossfireX ajouta le support d'un connecteur entre cartes graphiques, afin de passer outre le bus PCI Express. Cependant, cela ne dura que pour les générations des AMD HD 2000 à 7000. ATI/AMD a abandonné l'usage d'un connecteur CrossFire avec ses cartes utilisant le PCI-Express 3.0.
