Kepler (architecture de carte graphique)

L'architecture Kepler a été développée par NVidia pour ses cartes graphiques. Elle est censée doubler les performances par watt par rapport à Fermi, l'architecture précédente, ce qui permet de l'utiliser dans des cartes graphiques mobiles. La première carte graphique utilisant cette architecture est la GTX 680, utilisant le processeur graphique GK 104.

Historique

Mars 2012 : sortie de la GTX 680, première carte graphique à utiliser l'architecture Kepler
Mai 2012 : sortie de la GTX 690, première carte graphique utilisant deux puces Kepler
Novembre 2012 : sortie des Tesla K20 et K20X, premières cartes à utiliser le GK 110
Février 2013 : sortie de la GeForce Titan, première carte graphique grand public à utiliser le GK 110
Mai 2013 : Sortie de la Geforce GTX 780
Novembre 2013: Sortie de la GeForce GTX 780 Ti, première carte grand public à utiliser un GK 110 complet.
Février 2014 : Sortie de la GeForce GTX Titan Black Edition, évolution de la GTX Titan avec toutes ses unités de calculs actives.
Mai 2014 : Sortie de la GeForce GTX Titan Z, première carte graphique à utiliser deux GK 110 complets.

Architecture

Elle reprend à peu près l'architecture Fermi, c'est donc une puce divisée en plusieurs GPC ou Graphics Processing Cluster qui sont les équivalents d'un cœur de microprocesseur sauf qu'ils sont dépourvus de mémoire cache, ils sont constitués d'un, deux ou trois SMX et ils contiennent 8 unités de ROP. Pour soutenir les cœurs CUDA, qui sont les unités de calculs, la puce propose deux niveaux de mémoire cache (L1 et L2). La puce est dotée de 512 Ko de mémoire cache L2, avec un débit revu à la hausse par rapport à Fermi[1].

Un SMX, est la grande nouveauté introduite par Kepler, c'est le remplaçant des SM de Fermi. Il peut contenir jusqu'à 192 cœurs CUDA, ou unités de calculs, dans la version la plus évoluée contre 32 cœurs CUDA avec les SM de Fermi. Par contre, le SMX abandonne le système de double cadencement de Fermi qui multipliait par deux la fréquence SM et donc des unités de calculs. Chaque SMX dispose de 64 ko de mémoire partagée et 16 unités de textures[2]^,[3].

GPU Boost

NVidia profite de Kepler pour introduire le « GPU Boost » qui augmente la fréquence du processeur en fonction de sa consommation et de sa température, qui sont directement mesurées sur la carte. Le gain peut atteindre plusieurs dizaines de MHz. Avec la GeForce Titan, Nvidia utilise le nom « GPU Boost 2.0 », dont le seul changement est que la température remplace la consommation comme facteur limitant[4]^,[5].

Liste des processeurs et des cartes graphiques utilisant Kepler

L'architecture Kepler est utilisée dans plusieurs GPU :

le GK 104, qui est utilisé dans les GTX 680, GTX 690, GTX 670, GTX 660, GTX 660ti, GTX 760, GTX 770 ,Tesla K10[6], Tesla K8;
le GK 106, qui est utilisé dans les GTX 660, il est composé de 5 SMX;
le GK 107, qui est utilisé dans les cartes mobiles de NVidia, ainsi que dans les cartes d'entrée de gamme, à partir de la GT 640 ;
le GK 110, qui a 15 SMX plus puissants et 1,5 Mo de mémoire cache, il est utilisé dans les Tesla K20, GeForce Titan, GeForce GTX 780 et GeForce GTX 780 Ti

En 2013, les puces Kepler sont toutes gravées en 28 nm.

Sous la marque GeForce

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Elles fonctionnent toutes avec DirectX 11.0[7], OpenGL 4.3, OpenCL 1.2, et le PCI-Express 16x 3.0.

Modèles	GeForce GT 640 (A2)	GeForce GT 640 (DDR3)	GeForce GT 640 (DDR5)	GeForce GTX 650	GeForce GTX 650Ti	GeForce GTX 650Ti Boost	GeForce GTX 660	GeForce GTX 660 OEM	GeForce GTX 660Ti	GeForce GTX 670	GeForce GTX 680	GeForce GTX 770	GeForce GTX 690	GeForce GTX 780	GeForce GTX Titan[8]	GeForce GTX780 Ti
Finesse de gravure des processeurs	28nm
Code de la puce	GK107				GK106			GK104					2× GK104	GK110
Surface de la puce	118mm²				221mm²			294mm²					2× 294mm²	569mm²
Transistors	1,3 G				2.54 G			3.54 G					2× 3,54 G	7,1 G
Fréquence 3D	797 MHz	900 MHz	950 MHz	1058 MHz	928 MHz	980 MHz		823 MHz	915 MHz		1006 MHz	1045 MHz	915 MHz	863 MHz	837 MHz	875 Mhz
Fréquence Turbo	NC	NC	NC	NC	NC	1032 MHz		888 MHZ	980 MHz	1006 MHz	1058 MHz	1084 MHz	1019 MHZ	902 MHz	876 MHz	928 Mhz
Fréquence TDP Headroom	NC	NC	NC	NC	NC	1110 MHz		927 MHz	1136 MHz	1084 MHz	1123 MHz	1136 MHz	1071 MHz	1006 MHz		1020 Mhz
Température maximale avec Turbo										94 °C	94 °C	80 °C		80 °C	80 °C	80 °C
Nombre de ROP	16					24				32			2× 32	48
TMU	32				64		80	96	112		128		2× 128	192	224	240
Nombre de cœurs Cuda	384				768		960	1152	1344		1536		2× 1536	2304	2688	2880
Nombre de FP32	320				640		800	912	1064		1216		2× 1216	1824	1344	2280
Nombre de FP64	-				-		-	48	56		64		2× 64	96	896	120
Nombre de SFU	64				128		160	192	224		256		2× 256	384	448	480
Nombre de GPC	1				2		3		4				2× 4	5
Nombre de SMX	2				4		5	6	7		8		2× 8	12	14	15
Enveloppe thermique	50 watts	65 watts	75 watts	65 watts	85 watts	130 watts	140 watts	130 watts	150 watts	170 watts	195 watts	230 watts	300 watts	250 watts	250 watts	250 watts
Type de mémoire	DDR3		GDDR5
Capacité possible	1/2 Go	1 Go	1/2 Go		1 Go	1/2 Go	2 Go	1,5/3 Go	2/3 Go	2/4 Go			2× 2/4 Go	3 Go	6 Go	3 Go
Vitesse de la mémoire	1782 MHz		1250 MHz		1350 MHz	1500 MHz		1450 MHz	1500 MHz			1750 MHz	1500 MHz			1750 Mhz
Largeur du bus mémoire	128 bits					192 bits				256 bits			2× 256 bits	384 bits
Bande passante mémoire	28,5 Go/s		80 Go/s		86,4 Go/s	144,2 Go/s		134 Go/s	144,2 Go/s	192,3 Go/s		209 Go/s	250 Go/s	2× 192,3 Go/s	268 Go/s
Pixels Fillrate	12,8 Gpixels/s	14,4 Gpixels/s	15,2 Gpixels/s	16,9 Gpixels/s	14,8 Gpixels/s	23,5 Gpixels/s		19,8 Gpixels/s	21,9 Gpixels/s	29,3 Gpixels/s	32,2 Gpixels/s		2× 29,3 Gpixels/s	27,6 Gpixels/s	33,5 Gpixels/s	42,0 Gpixels/s
Turbo	NC	NC	NC	NC	NC	26,6 Gpixels/s		22,3 Gpixels/s	27,3 Gpixels/s	34,7 Gpixels/s	35,9 Gpixels/s		2× 34,3 Gpixels/s	40,2 Gpixels/s	40,2 Gpixels/s	44,54 Gpixels/s
Textures Fillrate	25,5 Gtexels/s	28,8 Gtexels/s	30,4 Gtexels/s	33,9 Gtexels/s	59,4 Gtexels/s	62,7 Gtexels/s	78,4 Gtexels/s	79 Gtexels/s	102,5 Gtexels/s		128,8 Gtexels/s		2× 117,1 Gtexels/s	166 Gtexels/s	187,5 Gtexels/s	210,0 Gtexels/s
Turbo	NC	NC	NC	NC	NC	71 Gpixels/s	88,8 Gpixels/s	89 Gpixels/s	127,2 Gpixels/s	121,4 Gpixels/s	143,7 Gpixels/s		2× 137,1 Gpixels/s	193 Gpixels/s	225,3 Gpixels/s	222,72 Gtexels/s
Filtrage Géométrique	797 Mtriangles/s	900 Mtriangles/s	950 Mtriangles/s	1058 Mtriangles/s	1856 Mtriangles/s	1960 Mtriangles/s	2450 Mtriangles/s	2469 Mtriangles/s	3203 Mtriangles/s		4024 Mtriangles/s		2× 3660 Mtriangles/s	5178 Mtriangles/s	5859 Mtriangles/s	5250 Mtriangles/s
Turbo	NC	NC	NC	NC	NC	2220 Mtriangles/s	2775 Mtriangles/s	2781 Mtriangles/s	3976 Mtriangles/s	3794 Mtriangles/s	4492 Mtriangles/s		2× 4284 Mtriangles/s	6036 Mtriangles/s	7042 Mtriangles/s	5555 Mtriangles/s
Calcul Simple Précision	612,1 Gflo/s	691,2 Gflo/s	729,6 Gflo/s	812,5 Gflo/s	1425,4 Gflo/s	1505,3 Gflo/s	1881,6 Gflo/s	1896,2 Gflo/s	2459,5 Gflo/s		3090,4 Gflo/s		2× 2810,9 Gflo/s	3977 Gflo/s	4500 Gflo/s	?
Turbo	NC	NC	NC	NC	NC	1704,9 Gflo/s	2131,2 Gflo/s	2135,8 Gflo/s	3053,6 Gflo/s	2913,8 Gflo/s	3449,9 Gflo/s		2× 3290,1 Gflo/s	4636 Gflo/s	5408,3 Gflo/s	5040 Gflo/s
Calcul Double Précision	25,7 Gflo/s	28,8 Gflop/s	30,4 Gflop/s	33,9 Gflop/s	59,4 Gflop/s	62,7 Gflop/s	78,4 Gflop/s	79 Gflop/s	102,5 Gflop/s		128,8 Gflop/s		2× 117,1 Gflop/s	166 Gflo/s	1499,9 Gflop/s	?
Turbo	NC	NC	NC	NC	NC	71 Gflo/s	88,8 Gflo/s	89 Gflo/s	127,2 Gpixels/s	121,4 Gpixels/s	143,7 Gpixels/s		2× 137,1 Gpixels/s	193 Gpixels/s	1523 Gpixels/s	210 Gflo/s
Prix actuel (avril 2013)	45€ H.T. l'unité pour 1000ex	79€		99€	119€	169€	179€	185€ H.T. l'unité pour 1000ex	255€	340€	450€		840€	650€	980€	700€

Sous la marque Quadro

La série QUADRO 'Kx000' est conçue via le même schéma que les TESLA K. Les spécifications des GK104/106/110 sont donc identiques entre les séries TESLA et QUADRO.

Modèles	Quadro 410	Quadro K600	Quadro K2000	Quadro K4000	Quadro K5000	Quadro K6000	Quadro K7000
Gravure	28 nm
processeur	GK107			GK106	GK104	GK110
Aire du die	118mm²			221mm²	294mm²	550mm²
Transistors	1.27 G			2.54 G	3.54 milliards	7.10 G
Fréquence GPU	706 MHz	876 MHz	954 MHz	811 MHz	705 MHz		735 MHz
Streams processors	192	192	384	768	1536	2496	2688
Unités TMU	16		32	64	128	208	224
Unités ROP	8	16		24	32	40	48
Nombre de blocs SMX	1		2	4	8	14	15
Nombre de GPC	1			2	4	5
Enveloppe thermique	38 watts	41 watts	51 watts	80 watts	122 watts	225 watts	250 watts
Type de mémoire	DDR3		GDDR5
Mémoire	512 Mo	1 Go	2 Go	3 Go	4 Go	5 Go	6 Go
Vitesse mémoire	891 MHz		1000 MHz	1404 MHz	1350 MHz	1300 MHz	1300 MHz
Largeur de bus	64 Bits	128 Bits		192 Bits	256 Bits	320 Bits	384 Bits
Bande passante	13,3 Go/s	26,5 Go/s	59,6 Go/s	125,5 Go/s	160,9 Go/s	193,7 Go/s	232,5 Go/s
Filtrage Pixels	5,6 Gpixels/s	14 Gpixels/s	15,3 Gpixels/s	19,5 Gpixels/s	22,6 Gpixels/s	28,2 Gpixels/s	35,3 Gpixels/s
Filtrage Textures	11,3 Gtexels/s	14 Gtexels/s	30,5 Gtexels/s	51,9 Gtexels/s	90,2 Gtexels/s	146,6 Gtexels/s	164,6 Gtexels/s
Filtrage Géométrique	706 Mtriangles/s	876 Mtriangles/s	954 Mtriangles/s	1622 Mtriangles/s	2820 Mtriangles/s	4935 MTr/s	5513 Mtriangles/s
Calcul Simple Précision	271,1 Gflo/s	336,4 Gflo/s	732,7 GFLOP/s	1245,7 Gflo/s	1082,9 GFLOP/s	3519,4 Gflo/s	3951,4 Gflo/s
Calcul Double Précision	11,3 Gflo/s	14 Gflo/s	30,5 Gflo/s	51,9 Gflo/s	90,2 Gflo/s	1173,1 Gflo/s	1317,1 Gflo/s
Date de sortie	7 août 2012	1^er mars 2013	1^er mars 2013	1^er mars 2013	17 août 2012	1^er juin 2013	-- 2013

Sous la marque Tesla

L'architecture Kepler est présente dans les Tesla K8, K10, K20, K20X, K40 et K80.

Notes et références

GeForce GTX 680 : Kepler envoie Tahiti à la retraite sur Tom's Hardware.
article sur Kepler
site officiel de NVidia
Article sur le GPU Boost
Article sur les Tesla Kx0
Article expliquant le support de DirectX 11 pour les GeForces 600 séries dans clubic.com; et dans hardware.fr
Chris Angelini, « GeForce GTX Titan : le vrai Kepler haut de gamme », sur Tom's Hardware, 19 février 2013 (consulté le 20 février 2013)

Articles connexes

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[THFR_1-1] GeForce GTX 680 : Kepler envoie Tahiti à la retraite sur Tom's Hardware.

[2] rticle sur Kepler

[3] site officiel de NVidia

[4] Article sur le GPU Boost

[6] Article sur les Tesla Kx0

[7] Article expliquant le support de DirectX 11 pour les GeForces 600 séries dans clubic.com; et dans hardware.fr

[THFR_20022013-8] Chris Angelini, « GeForce GTX Titan : le vrai Kepler haut de gamme », sur Tom's Hardware, 19 février 2013 (consulté le 20 février 2013)