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PCI Express para gráficos
Enviado el 04/04/04 a las 02:00 por noticias

Agalisa

Os ofrecemos la traducción de un análisis realizado por Tech Report en el que se evalúan las soluciones de NVIDIA y ATI para poder ofrecer ya tarjetas gráficas PCI Express.

Aunque las placas madre y los chipsets con soporte PCI Express no aparecerán hasta dentro de varias semanas, ATI y NVIDIA ya han anunciado sus planes de hacer compatibles con éste sus actuales chips Radeon y GeForce FX. Ambas empresas coinciden en que PCI Express es el próximo gran interfaz para gráficos, pero lo soportarán en sus primeras etapas de maneras distintas: ATI conseguirá compatibilidad con PCI Express mediante una nueva linea de GPUs con soporte nativo, mientras que NVIDIA usará un bridge (chip puente) que convierta las señales AGP de la GPU al interfaz PCI-E.

Según ATI, el uso de un bridge supone una gran cantidad de problemas de rendimiento y compatibilidad, problemas que no aparecen en su implementación nativa. Por su parte, NVIDIA insiste en que su solución es perfecta. Procedamos a analizar ambas con detalle.

Introducción a PCI Express

Antes de sumergirnos en ello, vamos a pararnos en recordar qué es exactamente PCI Express y qué ofrece para gráficos.

PCI Express es la tecnología de interconexión de tercera generación, destinada a sustituir a PCI, PCI-X y AGP. Para evitar los problemas de rendimiento que surgirían de la compartición de ancho de banda de un bus común, la arquitectura PCI Express se basa en una serie de conexiones punto a punto. Estas emplean un esquema de transferencia de datos en serie, basada en paquetes, más similar a una red Ethernet que a un bus PCI clásico. Cada una de estas conexiones tiene líneas separadas para cada sentido, y permite transferencias bidireccionales simultáneas. Para los casos es que dos o más dispositivos se han de comunicar con un tercero, los fabricantes pueden incluir un switch que arbitre las distintas conversaciones sin comprometer el ancho de banda de ningún dispositivo.

Para poder cubrir las distintas necesidades de ancho de banda posibles, PCI Express puede escalar desde 1 hasta 32 líneas. Un enlace X1, con una única línea, ofrece 250MB/seg de ancho de banda en cada sentido, lo que es suficiente para audio, red y almacenamiento, pero no para gráficos. Para sustituir a AGP, las primeras implementaciones de PCI Express para gráficos usarán 16 lineas, X16, que ofrece 4GB/seg en cada sentido (mucho más que los 2'1GB/seg totales de AGP). Aunque también existe X4 y X8, serán X1 y X16 las dos versiones más populares para ordenadores personales. De hecho, cabe esperar que las primeras placas madre incluyan un único PCI Express X16, y varios X1.

Hay mucho más en PCI-E que el ancho de banda extra. Gracias a su diseño serie, ofrece un mayor ancho de banda por pin que los anteriores estándares E/S, lo que ayuda a reducir costes y permitir formatos de caja más pequeños. Además, permite gestión avanzada de energía y conexión en caliente (hot plug), y su protocolo basado en paquetes permite transferencias isócronas para envío de datos sensibles al retardo, así como garantizar la calidad de servicio y así optimizar el ancho de banda en flujos de datos de alta prioridad.

Con tantas características nuevas y ancho de banda para derrochar, PCI Express es un gran salto sobre PCI y AGP. Sin embargo, mantiene compatibilidad con el software PCI, al mantener los modelos de inicialización y memoria, lo que significa que los drivers y sistemas operativos no tendrán muchos problemas a la hora de soportar el nuevo sistema.

ATI se decanta por lo nativo

La estrategia PCI Express de ATI se basa en una nueva linea de GPUs, las cuales serán un duplicado de los actuales productos AGP. Con la excepción de que usan el nuevo interfaz, estos chips serán idénticos a sus correspondientes versiones AGP. ATI afirma que su sistema nativo permite a sus GPUs sacar mayor ventaja del enorme potencial del PCI-E, al reducir la latencia inherente a los sistemas basados en puente (bridge). Así, las GPUs PCI-E de ATI podrán alcanzar los 4GB/seg en cada sentido, algo que, según dice la propia ATI, no pueden hacer las implementaciones basadas en puente.

ATI también sugiere que su sistema es más económico gracias a que no existe el coste adicional del chip puente. Sin embargo, ATI no dice nada sobre los costes extra que supone el mantener dos producciones distintas de chips, una AGP y otra PCI-E.

La estrategia de ATI debería hacer más fácil y económico el diseño de las placas por parte de sus fabricantes asociados. Los fabricantes de tarjetas no se tendrían que preocupar por los costes adicionales ni las complejidades de añadir un chip puente, así como tampoco del hecho de que éste constituye otro potencial punto de fallo. Para los fabricantes que tengan que decidir entre uno y otro fabricante, la simplicidad del sistema nativo de ATI resultará especialmente atractiva. Sin embargo, dado que la mayoría de los fabricantes simplemente fabrican o retocan los diseños base de ATI y NVIDIA, tampoco queda muy claro el peso de ésto.

ATI también asegura que los sistemas con puente tendrán un ligero retardo en el encendido, comparados con los sistemas nativos, y que, además, no podrán soportar todas las características nuevas de PCI-E, sobre todo la gestión avanzada de energía. ATI hizo estas declaraciones antes de que NVIDIA anunciase los detalles de sus puentes, y, finalmente, han resultado ser algo prematuras.

El chip puente de NVIDIA

La estrategia de NVIDIA, al menos para sus productos GeForce PCX, se basa en el nuevo chip puente reversible High-Speed Interconnect (HSI). El puente HSI es un interfaz AGP-a-PCI-E totalmente transparente a nivel software. Inicialmente se usará para conectar chips gráficos AGP a puertos PCI Express, pero también se puede emplear para conectar futuros chips PCI Express a interfaces AGP.

Las tarjetas GeForce PCX usan el chip HSI como puente entre el interfaz AGP del GPU y el slot PCI-E X16. Para aprovechar al máximo el ancho de banda disponible, NVIDIA aumentó la velocidad de reloj de la interfaz AGP en sus GPUs NV3x al doble, consiguiendo así un "AGP 16X". El chip HSI habla con el GPU a 4'2GB/seg de ancho de banda total, que puede ser usado para transferir datos en cualquier sentido. Como comentamos, PCI-E X16 puede transferir datos a 4GB/seg en cada sentido, y, por tanto, da 8GB/seg de ancho de banda total. Esto significa que el "AGP 16X" puede cubrir la mitad del ancho de banda del PCI-E X16; pero dado que la mayoría de las conversaciones de tipo gráfico son en un único sentido (del procesador hacia la tarjeta gráfica), esta solución debería funcionar razonablemente bien.

Según NVIDIA, los chips GeForce FX han sido diseñados con velocidades AGP superiores a 8X en mente, y las GPUs de todas las tarjetas GeForce PCX pueden trabajar al menos a "AGP12X". NVIDIA todavía está validando sus GPUs para su linea PCX, pero es muy probable que las tarjetas gráficas de gama alta, como la GeForce PCX 5950 empleen una GPU trabajando a "AGP 16X".

Aún a "AGP 12X", las tarjetas GeForce PCX ofrecerían unos 3'1GB/seg de ancho de banda. Sin embargo, NVIDIA se apresura a indicar que el ancho de banda efectivo de PCI Express es mucho más importante que los máximos de pico teóricos. Ellos ofrecen la siguiente ecuación para describir el ancho de banda efectivo:

ancho efectivo=ancho total * (tamaño /(tamaño + sobrecarga de cabeceras)) * eficiencia

Los chips gráficos admiten un tamaño de 64 bytes y tienen 20 bytes de sobrecarga por cabeceras, lo que supone 3GB/seg de ancho de banda efectivo, si suponemos una eficiencia del 100%. Según NVIDIA, los chips gráficos de ATI sólo admiten tamaños de 32 bytes, lo que reduce el ancho de banda efectivo a 2'5GB/seg (menos que el AGP 12X. Tech Report preguntó a ATI acerca de dichas transferencias de 32 bytes y la ecuación de ancho de banda efectivo de NVIDIA, pero aún no han respondido).

Para contrarrestar la afirmación de ATI de que las implementaciones con puente de PCI-E añadirían una gran latencia, NVIDIA ha indicado que la tolerancia de latencia de su GPU es mayor que la latencia de los propios chipsets e interconexiones. NVIDIA también ha asegurado que sus tarjetas GeForce PCX soportarán gestión avanzada de energía, eliminando otro supuesto escollo de las implementaciones con chip puente.

Es indiscutible que la estrategia de NVIDIA necesita un chip extra. Sin embargo, este sistema tiene sus ventajas. En vez de mantener dos líneas de producción, AGP y PCI-E, NVIDIA Puede fabricar una única GPU para cada tipo de producto y usar el puente HSI según convenga. Según NVIDIA, costaría cerca de 20 millones de dólares el volver a diseñar toda la gama de GPUs GeForce para hacerlas compatibles con PCI-Express. Ante estas cifras, la solución del chip es especialmente económica, sobre todo si tenemos en cuenta que también permite conectar chips PCI-E a puertos AGP.

Los puentes de mi PC

En las próximas semanas, oiremos mucho ruido sobre los inconvenientes de las implementaciones PCI-E con chips puente, pero un rápido vistazo al mundo de los discos duros nos revela que, quizás, no sea un problema tan grave después de todo. Hoy en día, la gran mayoría de los discos duros Serial ATA (incluyendo los terriblemente rápidos Raptor WD740GD de Western Digital) usan chips puente en vez de ser implementaciones SATA nativas. Seagate es la única en ofrecer discos Serial ATA "puros", pero, pese a todo, los Raptors no tienen ninguna dificultad en conseguir mejor rendimiento, además de admitir características de Serial ATA tales como Tagged Command Queuing y conexión en caliente.

Por supuesto, las tarjetas gráficas y los discos duros tienes poco en común, por lo que quizás Serial ATA no sea una buena comparación. Los discos duros no suelen forzar los límites del ancho de banda de sus interfaces porque se basan principalmente en partes móviles, y no en semiconductores. Pese a todo, el Raptor de WD permite ilustrar que los chips puente no tienen por qué ser el fin del rendimiento o del soporte de características, si se dan las condiciones adecuadas.

Una analogía más acertada podría ser lo que ocurre en los sistemas Athlon 64 con enlaces HyperTransport. Al igual que PCI Express, HyperTransport es un sistema de conexión de alta velocidad por paquetes, y con pocas líneas. Antes del debut del Athlon 64, mucha gente mostró sus reticencias sobre la capacidad de un enlace rápido y estrecho como HyperTransport para llevar datos al lento y ancho bus AGP. ¿No introduciría mucha latencia? (tal y como lo entendemos, HyperTransport no actúa de puente, sino que encapsula a AGP, pero la conversión de lento/ancho a rápido/estrecho es similar). Por supuesto, lo que se ha visto es que el Athlon 64 rinde realmente bien, sobre todo en juegos y gráficos.

Por eso tenemos bastantes esperanzas de que el chip puente de NVIDIA no suponga una pérdida de rendimiento apreciable. Hay precedentes que permiten suponerlo.

Fuente: The Tech Report (en inglés).

Más información en: Noticias Agalisa (en castellano).

Más información en: Noticias Agalisa (en castellano).


 
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