GTC 2013: 'Volta' GPU-Design mit Stacked Memory im Detail

Noch wissen wir nicht einmal genau, was uns 2014 mit "Maxwell" erwartet und schon präsentiert NVIDIA auf der GTC 2013 den Nachfolger: "Volta". Dieser soll vor allem im Bereich der Speicherbandbreite einen großen Schritt machen. Diese soll mit "Volta" auf 1 TB/s ansteigen. Zum Vergleich: Die GeForce GTX Titan bietet derzeit eine Speicherbandbreite von 288,4 GB/s. "Volta" soll also die dreifache Speicherbandbreite mitbringen. Durch die gewählte Technologie wird man aber auch bei den Latenzen einen großen Sprung machen, der zu weiteren Performance-Verbesserungen führen wird.

Möglich werden eine höhere Speicherbandbreite und geringere Latenzen über eine neue Technologie namens "Stacked Memory". Das aktuelle GDDR5-Design mit der Anbindung über einen 384 Bit breiten Bus ist weitestgehend ausgereizt. Sicherlich werden die Speicherhersteller den Takt noch weiter als 1500 MHz treiben können und auf seiten der GPU werden wir vielleicht auch noch 512 Bit breite Speicherinterfaces sehen, das grundsätzliche Design hat laut NVIDIA aber keine Zukunft. Anders soll dies beim "Stacked Memory" aussehen. Dabei wird der DRAM-Speicher nicht mehr neben der GPU auf dem PCB untergebracht, sondern direkt auf der GPU. Dazu werden zusätzliche Silizium-Layer auf der GPU angebracht, sogenannte Through Silicon Vias (TSVs) verbinden beide Komponenten. Ähnliche Techniken werden heute bereits bei den modernen SoCs eingesetzt. So besitzt die PS Vita einen 128 MB großen RAM im selben Package wie der SoC. Hier spricht man aber noch nicht von "Stacked Memory" oder TSV, da ein separater Chip im Package untergebracht ist. "Stacked Memory" geht noch einmal einen Schritt weiter.

Wieso aber kann Stacked Memory eigentlich eine höhere Bandbreite und geringere Latenzen bereitstellen?

Durch die direkte Positionierung des Speichers auf der GPU sind die Verbindungen zwischen Speicherinterface und Speicher selbst extrem kurz und kompakt gehalten. Moderne GPUs werden in ihrer Speicherbandbreite vor allem durch die komplizierte Anbindung des Speicherinterfaces mit dem Speicher limitiert. So muss beim GPU-Design bereits die Position und Verdrahtung für das Speicherinterface beachtet werden. "Stacked Memory" vereinfacht dies über die Through Silicon Vias (TSVs) erheblich. So kann der Speicher nicht nur schneller takten und die Latenzen sind durch die kurze Anbindung gering, auch die Breite des Speicherinterfaces kann deutlich erhöht werden.

Bereits angesprochen haben wir die aktuelle Breite des Speicherinterfaces von 384 bzw. 512 Bit für aktuelle High-End-GPUs. Um die von NVIDIA erwähnten 1 TB/s zu erreichen, wäre es denkbar, dass "Volta" seinen Speicher mit einem 2000 MHz DRAM bei einem 1024 Bit breiten Speicherinterface anbindet. Möglich wären aber auch 1000 MHz bei 2048 Bit und verschiedensten Konfigurationen dazwischen. Es wird noch einige Jahre dauern, bis "Volta" erscheinen wird und wir wissen nicht, welche Umsetzung NVIDIA aktuell anstrebt, aber mit ein paar Zahlen lässt sich die dort angestrebte Entwicklung mit der aktuellen Situation etwas vergleichen.

Interessant wird noch zu sehen sein, wie NVIDIA selbst aktuelle Speichergrößen auf GPU-Größe schrumpfen will. Die 6 GB GDDR5-Speicher der GeForce GTX Titan nehmen 32 Chips und somit eine große Chipfläche ein. Vielleicht ist dies der Grund, warum NVIDIA noch nicht einmal eine Jahreszahl in der Roadmap für "Volta" nennt. Man wird sicherlich die Fertigungsprozesse in den kommenden 12 bis 18 Monaten beobachten müssen. Im Zusammenhang mit "Logan", eines zukünftigen Tegra-SoC, erwähnte NVIDIA sogenannte FinFET 3D-Transistoren. Sicherlich wird dies auch eine Richtung sein, die man bei NVIDIA für das GPU-Design von "Volta" einschlagen wird.