NVIDIA Fermi, ora anche sul mercato professionale

Il Siggraph (acronimo di Special Interest Group on Graphics and Interactive techniques) è il nome della conferenza annuale che si tiene negli Stati Uniti e in Asia dedicata al mondo della computer grafica. Le tematiche affrontate nei giorni della conferenza variano dall'animazione virtuale al rendering grafico: per questo motivo, tra i partecipanti sono presneti non solo aziende specializzate nella realizzazione di lavori di computer-grafica, ma anche società dedicate allo sviluppo di videogiochi e, in generale, tutti i principali anelli da cui è composta l'industria. In questo scenario NVIDIA presenta i tre nuovi modelli che andranno a formare la rinnovata famiglia Quadro, segmento da sempre destinato al mondo dei professionisti.

Il nome Quadro definisce la serie di prodotti sviluppati da NVIDIA e dedicati al segmento professionale del mercato: la società californiana ha introdotto questo brand che nel corso degli anni si è imposto come standard all'interno di tale segmento. L'annuncio di oggi porta così Fermi e la sua rinnovata architettura anche in mano a chi con il PC lavora, per complessi progetti CAD o per la creazione di contenuti digitali. Lo sviluppo di una scheda video destinata alla fascia professionale del mercato comporta, rispetto alle soluzioni dedicate al mondo consumer, alcune modifiche hardware ma soprattutto significative ottimizzazioni a livello driver: l'importanza di supportare in modo corretto determinate applicazioni, risolvere problemi ed eventuali bug è di fondamentale importanza nel settore professionale e in questa direzione vanno i miglioramenti apportati.

Se AMD nel corso dell'ultimo anno, grazie soprattutto all'introduzione della famiglia di GPU Radeon HD 5000, ha guadagnato importanti punti di mercato nei confronti del rivale di sempre, NVIDIA ha però mantenuto salda la sua posizione all'interno del mercato professionale. Come è possibile osservare dal grafico sopra proposto le proposte FirePro di AMD, il corrispettivo delle Quadro di NVIDIA in ambito workstation grafica, rappresentano ancora una sensibile minoranza del mercato. I valori proposti in tabella sono estrapolati da una analisi di mercato condotta da IDC: per il 2010 si tratta invece di semplici previsioni.

Il grafico mostra come il rapporto delle unità presenti all'interno delle GPU impiegate nei diversi stadi dell'evoluzione del segmento Quadro sia cambiato nel corso del tempo. La mutazione di questo rapporto non è ovviamente casuale ma è stata studiata per rispondere al meglio alle esigenze del mercato: in questo senso l'impiego di Fermi rappresenta un importante passo avanti per la famiglia Quadro. "Quella che viene definita come Computational Visualization è la nuova era per le GPU in ambito professionale", ha infatti affermato Jeff Brown General manager del professional solutions group per NVIDIA.

Ma cosa si intende per Computational Visualization? La traduzione letterale "visualizzazione computazionale", per quanto un po' ferraginosa, rende abbastanza l'idea. Ci troviamo di fronte quindi alla riproduzione grafica di contenuti calcolati in tempo reale: la scheda grafica si fa così carico non solo della gestione della scena grafica ma anche della simulazione degli elementi in essa contenuti. Ecco quindi come l'arrivo di una nuova architettura sul segmento professionale possa andare a rispondere a questo tipo di esigenze: ad un considerevole aumento della potenza di calcolo in termini di TeraFlop è corrisposto un radicale aumento delle unità destinate ai calcoli geometrici, maggiore precisione geometrica e potenza di calcolo.

Come abbiamo anticipato sono tre i modelli che NVIDIA presenta in occasione di Siggraph e che vanno così a rinnovare la famiglia Quadro. Nella tabella seguente sono riportate le principali caratteristiche tecniche delle nuove soluzioni:

Passiamo ora ad analizzare le caratteristiche principali dei tre nuovi modelli.

NVIDIA Quadro 4000

Il modello entry-level dei tre introdotti nella giornata di oggi si caratterizza per un design a singolo slot. È strano vedere una scheda sviluppata su GF100 con un sistema di raffreddamento così contenuto: lo spazio all'interno delle workstation è di estrema importanza e pertanto per la propria proposta d'ingresso NVIDIA ha progettato Quadro 4000 con questo elemento in mente. La nuova proposta va a sostituire la vecchia Quadro FX 3800: caratterizzata dalla presenza di 256 stream processor, o "Cuda core", la soluzione è destinata a rappresentare il best seller della nuova famiglia Quadro. La dotazione di memoria video è pari a 2 Gbytes, con l'utilizzo di un bus da 256bit di ampiezza.

NVIDIA Quadro 5000

La soluzione NVIDIA Quadro 5000 è caratterizzata dalla presenza di 2,5GB di memoria GDDR5 e da 352 shader: sviluppata con un design dual slot, la proposta è indirizzata alla stessa fascia di mercato fino ad ora occupata dalla proposta Quadro FX 4800. La proposta in questione è dedicata ad un tipo di utenza che fa largo uso di applicazioni di ray tracing, vido processing o operazioni computazionali particolarmente intense, come la fluidodinamica.

NVIDIA Quadro 6000

Il modello di punta della nuova famiglia Quadro di NVIDIA è la proposta 6000: la nuova soluzione si caratterizza per avere 6GB di memoria GDDR5, interfacciate con bus da 384-bit alla GPU GF100. Il target di riferimento per Quadro 6000 sono le workstation destinate al broadcasting 3D o laddove si palesi la necessità di avere una potenza di calcolo particolarmente elevata. Una dotazione di memoria video da 6 Gbytes appare per la prima volta in abbinamento ad una scheda video: la stessa dotazione viene proposta da NVIDIA anche per le soluzioni della famiglia Tesla top di gamma, schede video sviluppate per gli ambiti di GPU Computing.

I tre nuovi modelli introdotto da NVIDIA sono sviluppati con due connetori DisplayPort, di fatto il nuovo standard per la connessione di monitor. DisplayPort è in grado di supportare correttamente anche i pannelli da 27-30" con risoluzioni da 2560x1600 pixel. Come terza uscita è stata anche impiegata un'immancabile DVI-I di tipo dual-link: anche in questo caso viene supportato l'impiego di pannelli di grandi dimensioni con risoluzioni superiori a quella di 1920x1200 pixel. Nonostante siano presenti tre connettori video, come avviene per le soluzioni consumer della famiglia GeForce 400, anche in questo caso è possibile usarne due contemporaneamente. Sulle due schede con layout dual-slot è inoltre presente un connettore proprietario a 3 pin per il collegamento del trasmettitore per il segnale stereoscopico: la funzione è anche supportata dal modello Quadro 4000 e, se necessario, sarà sufficiente utilizzare una basetta secondaria con il connettore in questione.

Parallelamente ai tre modelli che abbiamo fino ad ora analizzato, NVIDIA presenta, anche se in sordina, Quadro 5000M, proposta destinata alle workstation mobile. Le informazioni a disposizione su questo prodotto sono molto più limitate di quelle già ridotte fornite per le schede discrete.

Il modello destinato al mercato mobile si presenta come la prima declinazione di GF100 dedicata al mondo dei portatili. Il TDP dichiarato di 100 Watt e l'indicazione da parte di NVIDIA di un form factor destinato ai soli modelli da 17", unito ai 320 shader di cui la GPU è dotata, sono indizi chiari e lampanti a come ci si trovi di fronte ad una GPU GF100 e non ad una versione di chip GF104, architettura recentemente presentata dal produttore americano per le soluzioni desktop GeForce GTX 460. La soluzione, che sarà commercializzata a partire dal mese di Settembre in soluzioni HP e Dell, è ovviamente destinata a workstation portatili.

Buona parte delle novità introdotte con la nuova generazione di schede grafiche NVIDIA Quadro derivano dall'implementazione della nuova architettura NVIDIA Fermi, di cui ci siamo occupati in occasione del lancio ufficiale con questo articolo. Andiamo a riassumere brevemente quali sono le caratteristiche principali dell'architettura GF100 Fermi che vengono sfruttate specificamente con wokstation grafiche e con gli ambiti d'utilizzo di riferimento per le schede della famiglia Quadro.

Una delle prime tecnologie implementate all'interno di Fermi che trova una diretta applicazione con NVIDIA Quadro all'interno del mercato professionale è il GigaThread Engine. La seconda generazione di questa tecnologia infatti è stata sviluppata per riuscire a garantire una velocizzazione dello switch delle operazioni rispetto alla passata generazione di GPU. Viene così migliorata l'efficienza usando allo stesso tempo diversi Kernel, consentendo così a differenti applicazioni di poter accedere alle risorse della o delle GPU contemporaneamente. Sviluppata quindi per riuscire a parallelizzare al massimo l'esecuzione di kernel, la tecnologia GigaThread Engine consente così di eseguire più operazioni contemporaneamente: all'interno di Quadro, ma medesimo discorso vale anche per le soluzioni GeForce, sarà così possibile far eseguire alla scheda grafica operazioni di calcolo parallelamente alla gestione di una scena 3D, incarnando al meglio le proprietà delle architetture di GPU Computing.

Una delle peculiarità dell'architettura Fermi rispetto a quelle delle altre GPU, sia ATI come NVIDIA, disponibili in commercio è il supporto all'Error Correcting Code (ECC) per proteggere i dati in memoria. ECC rappresenta una funzione fondamentale in ambito professionale, quando si vuole assicurare massima integrità dei dati che vengono elaborati; la protezione di dati di tipo ECC è in grado di correggere i basilari errori a singolo-bit, spesso causati da problemi di interferenze elettriche. Le nuove schede video della famiglia Quadro sono inoltre in grado di supportare la funzione Single-error Correct Double-Error Detect (SECDED), un tipo di codice ECC capace di corregere ogni errore a singolo bit all'interno dell'hardware non appena si accede ai dati. In aggiunta la funzione SECDED ECC assicura che tutti gli errori vengano rilevati e riportati in modo che l'applicazione possa funzionare nuovamente. Gli utenti possono configurare il supporto ECC da pannello di controllo, a seconda dell'utilizzo desiderato.

Assodato il fatto che le workstation sono chiamate a svolgere operazioni sempre più impegnative e a calcolare modelli sempre più complessi, la GPU deve essere in grado di processare i poligoni nel modo più veloce possibile. Per poter rispondere a questa esigenza le nuove soluzioni Quadro sono caratterizzate dalla presenza della tecnologia definita Scalable Geometry Engine, grazie alla quale la capacità di generazione poligonale per ogni ciclo di clock è stata aumentata di 2 volte.

L'implementazione delle connessioni video DisplayPort consente di supportare correttamente uscite a 30-bit (10 bit per ogni canale colore). A trarne diretto vantaggio saranno i professionisti che necessitano di avere la massima fedeltà di colore, ovviamente abbinando display in grado di gestire segnali a 10 bit di precisione per componente e applicazioni che siano in grado di operare con 30bit di spazio colore.

La stereoscopia, comunemente identificata come 3D, sta facendo la sua progressiva comparsa sulle console da gioco. Dopo essere arrivata nelle sale cinematografiche, dopo aver fatto la sua comparsa nel mondo dei PC ed essere diventata una funzionalità supportata da tutte le schede grafiche della serie GT200, NVIDIA pensa anche all'utilizzo di questa tecnologia nel mondo dei professionisti. 3D Vision Pro è la declinazioni dedicata a chi, per lavoro, può trarre sensibili vantaggi dalla stereoscopia.

La società californiana è convinta che molti ambienti professionali possano trarre sensibili benefici dalla tecnologia stereoscopica: si passa così dal semplice disegnatore CAD in tridimensionale, impegnato nello sviluppo di una soluzione e si arriva alle aziende di creazione di contenuti creativi. La stereoscopia può così aiutare non solo chi lavora ad un contenuto in tre dimensioni per fornire un risultato diretto e più reale del proprio lavoro, ma anche l'azienda che presenta un progetto ad un potenziale cliente. Portiamo un esempio per facilitare l'interpretazione: pensiamo ad un progetto architettonico, al suo sviluppo e alla fruizione dello stesso. Per quanto possa essere dettagliato e ben renderizzato non sarà mai come potersi muovere tra le strutture, avendo, in modo diretto e quanto più simile alla realtà, l'impatto che la nuova struttura avrà sull'ambiente circostante. Le applicazioni in questo senso possono essere numerose. Ma quali elementi differenziano la versione 3D Vision Pro dalla "normale" 3D Vision?

Secondo quanto dichiarato dalla società stessa 3D Vision Pro è svilppato per disegnatori, ingegneri o creativi che si trovano a dover lavorare e condividere materiale stereoscopico. Al pari della sua versione per il mercato consumer, anche in questo caso ci troviamo di fronte ad un paio di occhialini attivi a 120Hz che, alternando la visuale di occhio in occhio, ricreano l'effetto di tridimensionalità. La vera differenza è rappresentata dal trasmettitore impiegato: ci troviamo di fronte ad un dispositivo di tipo RF (radio frequency) e non di IR (infra-red). I vantaggi di questa soluzione consentono di diminuire eventuali disturbi del segnale oltre ad estendere il raggio di azione del trasmettitore. Il controller RF è inoltre capace di poter gestire più utenti contemporaneamente senza per questo interferire con altri eventuali trasmettitori presenti nelle vicinanze.

Rispetto al kit per utenze consumer, la versione professionale di 3D Vision non necessita dell'installazione di particolari driver: le informazioni necessarie al sistema operativo sono già presenti all'interno del pacchetto driver per le nuove schede grafiche NVIDIA Quadro. Sarà possibile attivare o disattivare la funzione attraverso l'apposita voce presente all'interno dei "global settings" nel pannello driver; attraverso il pannello driver sarà inoltre possibile controllare il livello batteria dei proprio occhialini. Il kit sarà disponibile a partire dal mese di Ottobre.

Quali vantaggi consente l'impiego di una scheda video destinata alla fascia professionale del mercato e, più in generale, la presenza di una GPU che si fa carico dei carichi di lavoro più intensi? Come abbiamo più volte spiegato, la particolare architettura che caratterizza le GPU, estremamente parallelizzata, rappresenta una soluzione ideale per affrontare calcoli impegnativi, che esulino anche dalla "semplice" computer-grafica. NVIDIA, offre alcuni importanti esempi di come, in determinati scenari, l'impiego di una GPU possa migliorare sensibilmente il livello prestazionale e qualitativo. Il primo esempio è portato da Siemens ed è dedicato al campo medicale.

L'immagine sopra proposta mostra una comune ecografia: utilizzata in buona parte del mondo, questo esame consente di diagnosticare alcuni dei problemi che possono insorgere al feto, offrendo così l'importante possibilità di poter agire in via preventiva e risolvere importanti patologie. Si tratta però di una immagine in due dimensioni che, per quanto utile, evidenzia importanti limiti. Il reparto dedicato al mondo medicale di Siemens ha da tempo sviluppato una versione "evoluta" della comune ecografia, come possibile osservare dalla seguente immagine:

Attraverso una raccolta dati ed una successiva elaborazione degli stessi, Siemens è in grado di fornire una ricostruzione tridimensionale del feto, con un importante livello di dettaglio. L'operazione di raccolta e di elaborazione dei dati, grazie ad una ottimizzazione del software, offre il risultato disponibile al medico in tempi decisamente inferiori rispetto a quanto possibile in precedenza. Sempre in ambito medicale, è importante anche l'esempio portato da CyberHeart: la società si è specializzata nella simulazione in tempo reale del flusso sanguigno. La possibilità di poter incrociare questa potenzialità con un modello tridimensionale ricavato dall'ecografia consente di evidenziare importanti patologie e non solo: è anche ipotizzabile la simulazione di un intervento per verificare, grazie al flusso sanguigno renderizzato in tempo reale, gli effetti di differenti approcci su determinati pazienti.

A portare la propria esperienza è anche The Foundry, una società britannica specializzata nella realizzazione di effetti speciali e in tecnologie di image processing. La necessità di sfruttare una elevata potenza di calcolo da mettere a disposizione dei creativi per poter renderizzare le proprie creazioni rappresenta una delle principali sfide che The Foundry si è trovata ad affrontare durante lo sviluppo delle proprie soluzioni. In particolare, ad essere messa in evidenza è la tecnologia Motion estimation, conosciuta anche come Optical flow: si tatta di algoritmi utilizzati per identificare la relazione tra i diversi frame dell'immagine.

A partire da questo tipo di algoritmi sono molti gli effetti applicati, come ad esempio quel motion blur che è diventato famoso con il bullet time di Matrix. Si tratta di algoritmi estremamente pesanti e intensi che portano il sistema ad analizzare l'immagine pixel per pixel: con l'arrivo di Cuda e di OpenCL, The Foundry ha investito importanti risorse nello sviluppo di software capace di sfruttare la potenza di calcolo delle GPU.

La possibilità di sfruttare una GPU, ha consentito di raggiungere, durante l'applicazione dell'algoritmo Kronos un picco di 200 frame processati al secondo, contro i 4,5 frame di picco registrati con l'impiego di una CPU. Nell'esempio il confronto è stato fatto tra una NVIDIA Quadro 5000 e un processore Intel Xeon E5504.

Le tre nuove soluzioni sviluppate da NVIDIA e analizzate nelle pagine precedenti rappresentano il debutto dell'architettura Fermi sul mercato professionale: la società Californiana rinnova così la sua offerta prodotto anche a quel segmento di mercato che ha conquistato nel corso degli anni, e che ancora fa poco affidamento su FireGL, la gamma del rivale di sempre, AMD. Analizzando le caratteristiche tecniche che contraddistinguono le soluzioni Quadro dedicate al mondo desktop è possibile notare come non sussistano sostanziali differenze con le proposte destinate al mondo consumer: eccezion fatta per il quantitativo di memoria RAM, e il bus con cui questa è interfacciata alla GPU. Le differenze tra una proposta Quadro e una GeForce vanno però riercate in elementi diversi dal "semplice" hardware: sviluppare una proposta dedicata al mondo professionale significa innanzitutto ottimizzare al massimo il lato software, lavorando in modo proattivo con le principali software house del settore.

Come avevamo riportato in occasione del lancio ufficiale di Fermi, con questa architettura, NVIDIA non si è concentrata allo sviluppo di una soluzione ottimizzata per un impiego videoludico ma anche e soprattutto per fornire una proposta che fosse capace di andare a garantire importanti vantaggi anche in scenari professionali, venendo implementata all'interno delle famiglie Tesla e Quadro. La dimostrazione, indiretta, viene dal lancio di GeForce GTX 460: a distanza di diversi mesi da GF100, NVIDIA ha presentato GF104. Sempre basata su architettura Fermi, ci siamo trovati di fronte ad una soluzione specificatamente progettata per il mondo gaming, capace di unire prestazioni molto buone affiancate da un costo particolarmente competitivo.