Lucid Hydra: Công nghệ multi-gpu phá vỡ mọi quy luật

Trong thần thoại Hy Lạp, hydra là con quái vật nhiều đầu hễ bị cắt một đầu là hai đầu khác sẽ mọc lên thế chỗ. Hydra đã trở thành yếu tố chính trong việc chơi game fantasy, tỏ ra là kẻ thù mà các game thủ khó đánh bại.

Bo mạch chủ Big Bang của MSI với Hydra 200 tích hợp

 

Lucid (www.lucidlogix.com) muốn biến Hydra từ kẻ thù thành bạn đối với các game thủ.

Chip Hydra của Lucid hỗ trợ công nghệ multi-GPU (đa GPU). Tuy nhiên không giống hầu hết công nghệ multi-GPU khác hiện có sẵn, Hydra sẽ làm việc với nhiều GPU khác vốn đang cung cấp nhiều mức độ sức mạnh xử lý khác nhau - thậm chí GPU từ những hãng sản xuất khác. Người dùng cuối không phải thay đổi bất kỳ thiết lập nào hay phải lo lắng về những đầu nối độc quyền. Hydra, được xây dựng vào bo mạch chủ, xử lý mọi thứ.

“Giả dụ bạn mua 1 GPU và 9 tháng sau bạn có tiền mua cái khác, nhưng bạn không thể tìm GPU tương tự với những đặc điểm kỹ thuật tương tự”, Offir Remez, chủ tịch kiêm đồng sáng lập Lucid giải thích. “Với Hydra, đó không phải là vấn đề. Bạn chỉ cần đưa cả hai vào PC”.

Sau đó Hydra cho phép hai GPU này làm việc cùng nhau để cung cấp sức mạnh xử lý đồ họa và tốc độ kết hợp. Remez nói lợi ích kết hợp là rất cao, mặc dù người sử dụng không nên hy vọng nhận được đúng 100% sức mạnh có sẵn từ hai chip.

“Có thể bạn không nhận được 100%, nhưng cũng rất gần. Các GPU không cần phải có cùng hiệu năng hoặc từ cùng nhà cung cấp. Tuy nhiên, nếu như vậy, nhiệm vụ sẽ đơn giản hơn một chút, và bạn có hiệu năng tốt hơn”.

Giới thiệu Hydra

Lucid đã công bố công nghệ multi-GPU của mình vào tháng 7/2008. Họ đã công bố series chip Hydra 100 tại Diễn đàn nhà phát triển Intel tháng 8/2008, mặc dù Hydra 100 đã không nhận được sự chú ý của giới truyền thông như Hydra 200.

“Thật ra mà nói chúng tôi hơi trễ một chút đối với thị trường (với Hydra 100)”, Remez thừa nhận. “Chúng tôi trễ trong vài quý. Với Hydra 200, chúng tôi đã nghĩ ra nhiều cách tốt hơn để tận dụng các chip vốn không được tận dụng trong Hydra 100”.

Công ty đã giới thiệu Hydra 200 vào tháng 9/2009. Cả 3 chip trong dòng Hydra 200 đều tận dụng quy trình xử lý 65nm và có kiến trúc RISC 300MHz. Chip LT24102 và LT22102 dùng 6 watt điện và có kích cỡ 23 x 23mm; còn LT22114 dùng 4 watt điện và có kích cỡ 18 x 18mm. Ban đầu Hydra 200 làm việc với các hệ thống đang dùng hai GPU, nhưng trong tương lai gần Lucid sẽ bao gồm 1 cập nhật driver cho LT24102 vốn cho phép dùng 3 hoặc 4 GPU.

Cùng lúc với công bố Hydra 200, Lucid đã công bố sự hợp tác với Intel và nhà sản xuất bo mạch chủ MSI, qua đó MSI Big Bang Fuzion dựa trên Intel P55 sẽ bao gồm Hydra 200.

Lịch sử của Lucid

Lucid, tên chính thức là Lucidlogix, là một công ty bán dẫn fabless (thiết kế chip nhưng không tự sản xuất mà bán thiết kế cho các công ty khác hoặc thuê ngoài để sản xuất chip). Sự hậu thuẫn tài chính của Lucid đến từ các tổ chức gồm: Genesis Partners, Giza Venture Capital, Intel Captal và Rho Ventures.

Tổng hành dinh R&D của Lucid đặt tại Israel, trong khi tổng hành dinh tiếp thị và bán hành của nó nằm tại Santa Clara, Calif. Lucid có hơn 60 bằng sáng chế và nhiều bằng sáng chế chưa giải quyết.

“Lucid là công ty tôi đã bắt đầu cùng với nhà đồng sáng lập (tiến sĩ Raven Bakalash) vào cuối năm 2003”, Remez cho biết. “Khi tôi nói ‘đã bắt đầu’, chúng tôi đã làm những việc lặt vặt trong quán cà phê...Hầu hết ý tưởng không tốt lắm, nhưng chúng tôi đã có 1 ý tưởng mà chúng tôi tiếp tục phát triển”.

Ý tưởng triển khai thiết kế multi-GPU để cung cấp sức mạnh dựng hình (render) bổ sung - thay vì sao chép công nghệ đa lõi mà nhiều nhà sản xuất CPU ưa thích - đã tiếp tục dẫn dắt Lucid. Rõ ràng Lucid không phải là công ty duy nhất cung cấp các chọn lựa multi-GPU, như SLI và CrossFire của AMD/ATI đã chứng tỏ, nhưng Hydra sẽ là sản phẩm đầu tiên cho phép nhiều GPU từ những nhà sản xuất khác nhau.

“Chúng tôi tự xem mình là những người đi tiên phong trong lĩnh vực này”, Remez nhận định. “Khi chúng tôi nghĩ về nó, silicon không thể tiếp tục phát triển. Silicon co lại khoảng 33% mọi chu kỳ, nhưng số lượng bóng bán dẫn (transistor) nhiều hơn gấp đôi. Giải pháp của ngành là xây dựng các CPU đa lõi. Thậm chí những CPU rẻ nhất cũng sẽ có hai lõi”.

Nếu xem xét bản chất của xử lý đồ họa, không có gì ngạc nhiên khi các GPU đã tránh tận dụng nhiều lõi. Remez cho rằng cấu hình đa lõi mà các CPU hiện đang sử dụng không thể hiện tốt đối với GPU, vì việc dựng hình đồ họa đòi hỏi một kiểu giải pháp khác hơn những gì hiệu quả đối với CPU.

“Có sự khác biệt lớn về vị trí của đồ họa hiện nay so với nơi chúng tôi muốn đến”, ông giải thích. “Giải pháp đa lõi không trả lời câu hỏi dựng hình đối với việc chơi game. Các CPU đa lõi đã không trả lời câu hỏi đó...vì nhiệm vụ dựng hình của game là nhiệm vụ ống dẫn đơn luồng, liên tục vốn đã không tận dụng nhiều lõi”.

Quảng cáo bán hàng của Hydra

Remez nói việc thuyết phục các nhà sản xuất bo mạch chủ sử dụng chip Hydra dễ hơn bạn tưởng... tùy thuộc vào công ty.

“Nếu họ quen với công nghệ multi-GPU, việc bán hàng là có thể tiến hành được trong khoảng thời gian hợp lý, nhưng việc đưa sản phẩm bo mạch chủ từ nguyên mẫu đến có sẵn cho người tiêu dùng lại là một thử thách khác”.

Một tính năng khác khiến Hydra trở nên đáng thèm muốn là sự thật rằng nó không phụ thuộc vào các nhà sản xuất GPU lớn để cung cấp Lucid với thông tin độc quyền. Chip Hydra của Lucid chỉ cần biết những GPU nào đã được cài đặt - thông tin mà nó có thể khám phá qua máy tính - trước khi nó bắt đầu làm việc. Hydra không cần biết bất cứ gì về cách hoạt động bên trong của GPU. Chip Lucid làm việc với các GPU thông qua DirectX, gồm cả DX11.

“Chúng tôi có 1 kênh mở với mọi nhà cung cấp GPU,” Remez khẳng định. “Chúng tôi đang thảo luận về nhiều mục. Nhưng không có thông tin kỹ thuật để trao đổi. Không có sự tương tác trực tiếp giữa nhà cung cấp và chúng tôi”.

Theo cách tương tự, Remez cho biết Lucid có những cuộc thảo luận với các nhà phát triển game, nhưng công ty không thật sự cần bất kỳ thông tin độc quyền nào từ các công ty game. Đơn giản là Hydra đọc hướng dẫn từ game và không cần tạo ra thay đổi đối với hoạt động của nó dựa trên game cụ thể hay những GPU đang được dùng.

“Cuộc thảo luận là ‘một phía’”, Remez cho biết. “Họ hỏi ‘Các anh cần gì từ chúng tôi?’ ‘Không gì cả’. ‘Thế thì sao các anh ở đây?’ Chúng tôi không có gì để cung cấp trực tiếp cho các nhà phát triển game, vì thế đó là cuộc gặp rất kỳ lạ, nhưng chúng tôi làm thế vì chúng tôi muốn vươn tới họ”.

Kiểm tra đi kiểm tra lại

Mặc dù Lucid chủ yếu nhắm Hydra cho các game thủ, nó có thể được dùng trong bất kỳ ứng dụng nặng về đồ họa nào hoặc trong bất kỳ cấu hình nhiều màn hình nào. Tuy nhiên lúc này cuộc kiểm tra của Lucid được tập trung vào game.

Remez nói việc kiểm tra là nhiệm vụ rất tốn thời gian, vì công ty cố gắng kiểm tra nhiều game với hàng trăm sự kết hợp GPU khả dĩ. Ông cho biết dù Hydra sẽ làm việc với mọi sự kết hợp GPU đủ điều kiện, việc kiểm tra là rất cần thiết.

“Mặc dù giải pháp được thiết kế để chạy nhiều thương hiệu GPU, nếu bạn xem xét mọi sự phát triển sản phẩm, chúng tôi không thể kiểm tra mọi thứ. Chất lượng trực quan, hiệu năng và sự ổn định là rất quan trọng. Chúng tôi làm mọi thứ có thể để kiểm tra những thứ này. Sau đó chúng tôi nói những game này ‘đủ điều kiện’ cho những sự kết hợp GPU. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là những GPU khác sẽ làm việc hoặc không, chúng tôi chỉ chưa kiểm tra chúng thôi”.

Và bất chấp con số đáng ngại của những cấu hình tiềm năng cần kiểm tra, Remez cho biết Hydra không gặp vấn đề trong việc xử lý bất kỳ cấu hình nào mà Lucid đưa vào nó.

Tổng quan về Hydra 200

Cỗ máy Hydra hoạt động thông qua phần cứng ASIC (application-specific integrated circuit: mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng), cùng với 1 driver phần mềm. Các nhà sản xuất bo mạch chủ cài đặt chip Hydra giữa cầu bắc của CPU và các GPU.

Hydra sử dụng sự kết hợp phần cứng và phần mềm mà Lucid đã thiết kế để tạo ra công nghệ multi-GPU. Lucid có 60 nhân viên, gồm các kỹ sư phần cứng và phần mềm, những người chuyên về đồ họa 3D, thiết kế chip và mạng, cùng với những kỹ năng khác. Chủ tịch kiêm sáng lập Lucid, Offir Remez cho rằng việc Lucid có đội ngũ nhân viên với nhiều kỹ năng kỹ thuật đa dạng là rất quan trọng vì Hydra phải làm nhiều việc khác nhau. “Chip cần xử lý nhiều dữ liệu, vốn đến từ khắp mọi nơi”.

Hydra chặn các cuộc gọi và hướng dẫn (chẳng hạn các dòng lệnh DirectX hoặc OpenGL) được gửi từ CPU đến GPU. Sau đó nó quyết định và tổ chức đúng nhiệm vụ phải được hoàn thành.

“Có hàng ngàn nhiệm vụ và đối tượng liên quan để tạo ra khung duy nhất”, Remez giải thích. “Hãy hình dung tôi có thể nhận dạng từng nhiệm vụ này, biết thời gian chúng cần, bộ nhớ cần thiết..., và hình dung tôi có 1000 GPU để thực hiện 1000 nhiệm vụ. Nếu tôi có thể cung cấp cho mỗi GPU mỗi nhiệm vụ cùng lúc, thế thì tôi có thể kết hợp mọi kết quả trong thời gian thực. Trong đời thực, chúng tôi đang thử làm điều này, nhưng mỗi nhiệm vụ phụ thuộc vào những nhiệm vụ khác. Tất cả những nhiệm vụ này đều liên quan với nhau. Làm sao chúng tôi giải quyết vấn đề này? Chúng tôi chia 1 nhiệm vụ duy nhất cho nhiều GPU”.

Bằng cách dùng dữ liệu lịch sử liên quan đến các mức hiệu năng của các GPU đã cài đặt, sau đó Hydra phân phối nhiệm vụ đến các GPU, tìm cách cung cấp 1 tải giúp tăng tối đa khả năng của từng GPU để tạo ra dòng công việc suôn sẻ.

Chip Hydra tự động xử lý công việc với các GPU và quyết định phân chia tải như thế nào. Nếu vì lý do nào đó, Hydra không thể khiến cấu hình multi-GPU làm việc với 1 game đặc biệt hay với 1 sự kết hợp GPU đặc biệt, Hydra sẽ tự động giảm xuống và đưa hệ thống trở lại cấu hình 1 GPU. Người sử dụng không phải thực hiện bất kỳ thay đổi nào với thiết lập để điều này xảy ra.

Như bạn có thể thấy trong hình minh họa, bản thân các GPU không được kết nối trực tiếp. Mọi dữ liệu chia sẻ giữa các GPU phải đi qua chip Hydra. Bất kỳ dữ liệu nào được chia sẻ giữa CPU và các GPU cũng phải đi qua chip Hydra. Cấu hình này cho phép các nhà sản xuất bo mạch chủ tạo ra những tùy chọn linh hoạt nhất cho thiết kế.

Vì hệ thống Hydra được dành để chia tỷ lệ các GPU và do không có logic quy trình đồ họa xảy ra trên chip Hydra, nó cải thiện các phương pháp được dùng phổ biến hiện nay để chia tải giữa hai GPU: alternate frame và split frame.

Alternate frame. Với kỹ thuật alternate frame, mỗi GPU thể hiện mọi khung khác nhau. Kỹ thuật alternate frame đôi khi gây ra vấn đề độ trễ, trừ phi mỗi khung yêu cầu khoản thời gian tương tự để xử lý. Tuy nhiên khi các GPU không giống nhau, kỹ thuật alternate frame không hiệu quả lắm.

Split frame/tiling. Vài kiến trúc hai GPU vẫn sử dụng kỹ thuật split frame. Khi được dùng, mỗi GPU xử lý màn hình trong một phần màn hình cụ thể. Kỹ thuật split frame giảm thiểu vấn đề với tình trạng nghẽn cổ chai trong hiệu ứng tô bóng điểm ảnh, nhưng vì mỗi GPU phải lưu toàn bộ màn hình trong khu vực bộ nhớ của nó, việc dùng kỹ thuật này có thể gây ra sự nghẽn cổ chai bộ nhớ.

Kiến trúc cỗ máy Hydra

Cỗ máy Hydra của Lucid là chip silicon đầu tiên thực hiện RTDP (real-time dedicated processing: xử lý chuyên dụng thời gian thực). Cỗ máy Hydra phân tích mọi khung trước khi dựng hình, và nó phân phối nhiệm vụ đến các GPU trong hệ thống dựa trên khả năng và sự có sẵn của từng GPU. Việc dùng kiểu hệ thống này cho phép cỗ máy Hydra làm việc tốt và tối ưu hóa các GPU với nhiều cấp độ sức mạnh dựng hình khác nhau.

Bằng cách phân tích mỗi khung sớm, cỗ máy Hydra giảm thiểu sự nghẽn cổ chai và giảm độ trễ.

Đây là ví dụ về cách chip Hydra làm việc, như được biểu thị trong minh họa về cỗ máy Hydra này.

1. Cỗ máy phân phối của Hydra đọc thông tin khi game chuyển nó qua CPU. Bạn có thể coi như Hydra đang chặn các lệnh gọi DirectX và OpenGL từ game vốn được dành cho các GPU.
2. Hydra phân tích thông tin, chia nó thành các nhiệm vụ rồi sau đó chuyển cho các GPU. Nhiệm vụ có thể là bất kỳ thứ gì, từ 1 hiệu ứng ánh sáng đặc biệt đến 1 đối tượng đặc biệt đang được vẽ. Hydra dùng những thuật toán độc quyền để biên dịch nhiệm vụ (lập hồ sơ và phân tích ứng dụng).
3. Khi các nhiệm vụ được xác định, chip Hydra chia tách nhiệm vụ giữa các GPU. Nó dùng các thuật toán để chia tải một cách “thông minh”, tận dụng đầy đủ tài nguyên và khả năng của từng GPU. Chip Hydra tự động ước tính khả năng của từng GPU dựa trên các mức hiệu năng lịch sử (kho lịch sử). Khi công việc tiếp tục, chip Hydra cập nhật kích thước của nó dựa trên hiệu năng thời gian thực của các GPU.
4. Sau đó Hydra chuyển dữ liệu đến các GPU (qua các module phân phối và phân tích).
5. Khi các GPU đã hoàn tất công việc, chúng chuyển dữ liệu về lại chip Hydra, nơi nó sẽ biên dịch sau đó (module tái phân tích).
6. Cuối cùng, Hydra chuyển cảnh cuối cùng đến một trong các GPU, vốn gửi nó đến màn hình.

Các model Hydra 200

Hiện đang có sẵn 3 model Hydra 200. LT22114 là chip giá rẻ, LT22012 là chip tầm trung, và LT24102 là chip cao cấp.

Các cổng upstream ám chỉ đến số lượng lane (đường) PCI-E trong kết nối từ Hydra 200 đến mạch điều khiển CPU/PCI-E.

Các cổng downstream ám chỉ đến số lượng lane PCI-E trong kết nối từ Hydra 200 đến các GPU. Ví dụ, LT22012 có hai kết nối downstream x16 PCI-E, hoặc 1 kết nối x16 cho mỗi GPU.

Với LT24102 cao cấp (như trong hình), các kết nối downstream với GPU thay đổi theo số lượng GPU trong hệ thống. Ví dụ, với hai GPU, cấu hình sẽ là hai kết nối PCI-E x16, một cho mỗi GPU. Với 3 GPU, bạn sẽ có 1 kết nối x16 và 2 kết nối x8. Với 4 GPU, LT24102 sẽ thiết lập 4 kết nối x8. LT24102 cấu hình những kết nối GPU này tự động, với mục tiêu cao nhất là tận dụng tốt nhất tài nguyên có sẵn. Không cần sự tương tác từ người sử dụng.

Hydra 200 không thể được mua như chip add-on; nó phải được kết hợp vào bo mạch chủ, nghĩa là bất kỳ chi phí nào cho Hydra sẽ được tính vào tổng chi phí của bo mạch chủ. Mặc dù Lucid chưa tiết lộ giá cụ thể cho chip Hydra, công ty cho biết chi phí tăng sẽ tương đương khoảng 1,5 xu cho mỗi lane PCI-E, tùy thuộc vào model Hydra 200 đang được sử dụng. Ví dụ, LT24102 cao cấp mang 16 lane PCI-E upstream và 32 lane PCI-E downstream. Dựa trên những con số này, với tổng cộng 48 lane PCI-E, ước tính 70 đô để cộng Hydra 200 LT24102 vào bo mạch chủ sẽ là con số khá chính xác.

Số model	Các cổng downstream	Các cổng upstream	Số lượng GPU được hỗ trợ
LT22114	2 x8	1 x8	2
LT22012	2 x16	1 x16	2
LT24102	2 x16*	1 x16	2 hoặc 2 hoặc 4

* Các cổng downstream của LT24102 cũng có thể được cấu hình dưới dạng 4 cổng x4 hay 1 cổng x16 và 2 cổng x8.