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NVIDIA Kepler Architecture

Die NVIDIA Kepler-Architecture ist eine High-Performance-Computing-Architektur (HPC), die in vielen NIVIDA-GPUs aus den Jahren 2012-2014 (u.a. in den Serien GeForce 600M, 700M und 800M) verwendet wird. Im 2. Quartal 2014 hat NVIDIA zudem den Tegra K1 vorgestellt, ein mobiles SoC für Tablets und Smartphones, das einen GK20A-Grafikchip integriert, der auf der Kepler-Architecture basiert. Dieser ist mit einem einzelnen aber vollwertigen Kepler-Streaming-Multiprozessor (SMX) ausgestattet und verfügt damit über 192 Shadereinheiten (CUDA-Cores), 8 TMUs und 4 ROPs. Die GPU taktet mit 852 MHz, ist mit aktuellen APIs ausgestattet und bietet daher bis zu diesem Zeitpunkt unerreichte mobile Gaming-Performance.

Architektur
Die NVIDIA-Kepler-Architecture ist die Nachfolgerin der Fermi-Architektur und zeichnet sich durch ein stark überarbeitetes und vergrößertes Streaming-Multiprozessor-Design aus. Das relativ kompakte Design bei Fermi mit 48 Shadereinheiten auf 3 Shadergruppen, 16 Load/Store-Einheiten, 8 Textureinheiten (TMUs) und 8 SFUs pro Streaming-Multiprozessor konnte nur funktionieren, weil die Shader doppelt so hoch wie der Rest des Chips getaktet waren, sodass sie innerhalb eines Taktzyklus 2 Threads ausführen konnten. Dadurch ist der Streaming-Multiprozessor zwar recht klein, verbraucht durch den hohen Shadertakt aber auch mehr Energie. Daher wurde bei Kepler der Shadertakt an den Chiptakt angepasst und die Zahl der Shader pro Shadergruppe von 16 auf 32 erhöht. Darüber hinaus wurden auch doppelt so viele Shadergruppen, Load/Store-Einheiten und SFUs wie bei Fermi verbaut. Auch die Zahl der Warp-Scheduler wurde von 2 auf 4 erhöht, um die gewachsene Anzahl an Recheneinheiten verwalten zu können. Insgesamt verfügt ein SMX damit über 192 Shadereinheiten und 8 TMUs. Der GK20A-Grafikchip ist die einzige Kepler-GPU, die nur einen SMX benutzt. Alle anderen Grafikkarten benutzen mindestens 2 SMX. Die Fertigung der Chips wird mit der 28 nm Prozesstechnologie bei TSMC durchgeführt.

Funktionen
Die NVIDIA Kepler-Architecture wurde bei ihrem Start mit Unterstützung für die APIs DirectX 11, OpenGL 4.5 und OpenCL 1.2 ausgestattet. Eine Ausnahme bildet der GK20A-Chip, der nur OpenGL 4.4 unterstützt, damit aber, im Vergleich zu anderen Tablet- und Smartphone-GPUs, die höchstens OpenGL ES 3.0 unterstützen, immer noch einen Schritt voraus ist. Mit CUDA und OpenCL können die Kepler-Grafikkarten für generelle Berechnungen verwendet werden.

Funktionen
Der Leistungsunterschied bei den Kepler-Grafikkarten ist riesig, da das Spektrum von High-End Gaming-Grafikkarten wie der GeForce GTX 980 bis zum sehr kleinen GK20A-Chip reicht. Der GK20A spielt in einer Liga für sich, da es auf dem Tablet- und Smartphone-Markt kaum eine vergleichbar leistungsfähige GPU gibt. Nur PowerVR ist es gelungen, mit der GXA6850 und der GT7600 den GK20A zu schlagen. Allerdings sind beide nur in Apple-Chips zu finden, wodurch der GK20A auf dem Android-Markt auch Mitte 2016 weiterhin unangefochten an der Spitze steht.
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1 Notebook mit NVIDIA Kepler Architecture

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