Архитектура Turing

Архитектура Turing — это микроархитектура графических процессоров (GPU), разработанная компанией Nvidia и представленная в 2018 году. Она пришла на смену архитектуре Pascal (2016) и стала основой для потребительских видеокарт серии GeForce 20 (RTX 20xx) и профессиональных ускорителей Quadro RTX и Tesla T4. Ключевым нововведением Turing стало аппаратное обеспечение для трассировки лучей в реальном времени, а также интеграция тензорных ядер, ранее использовавшихся только в серверных решениях Volta, что позволило реализовать технологии глубокого обучения на графических процессорах.

История

Разработка архитектуры Turing началась в Nvidia после успеха Pascal, когда стало очевидно, что дальнейшее повышение производительности за счёт увеличения числа шейдерных блоков сталкивается с физическими ограничениями (закон Мура замедлился). Компания сосредоточилась на внедрении специализированных вычислительных блоков, способных ускорить новые методы рендеринга, в первую очередь трассировку лучей.

Официальный анонс Turing состоялся 13 августа 2018 года на конференции SIGGRAPH. Первыми продуктами стали профессиональные карты Quadro RTX 8000, RTX 6000 и RTX 5000, а затем, 20 сентября 2018 года, были представлены потребительские видеокарты GeForce RTX 2080 Ti, RTX 2080 и RTX 2070. Позднее вышли модели RTX 2060 (январь 2019) и RTX 2060 Super / RTX 2070 Super / RTX 2080 Super (июль 2019). Также на архитектуре Turing базировались мобильные версии GeForce RTX для ноутбуков и бюджетные карты GeForce GTX 16xx (без тензорных ядер и RT-ядер).

Название «Turing» выбрано в честь Алана Тьюринга (Alan Turing), британского математика и криптографа, одного из основоположников теории вычислительных машин и искусственного интеллекта.

Ключевые особенности

Архитектура Turing представляет собой гетерогенную вычислительную систему, объединяющую три типа ядер: шейдерные (CUDA-ядра), RT-ядра (для трассировки лучей) и тензорные ядра (для операций с матрицами, используемых в глубоком обучении).

RT-ядра (Ray Tracing Cores)

RT-ядра — это специализированные аппаратные блоки, предназначенные для ускорения вычисления пересечения лучей с геометрией сцены (bounding volume hierarchy, BVH). Они выполняют операции, необходимые для трассировки лучей (определение пересечения луча с треугольником или боксом), значительно быстрее, чем программная реализация на шейдерах. В архитектуре Turing RT-ядра первого поколения поддерживали только один тип пересечения (луч-треугольник) и не умели обрабатывать прозрачность или отражения с несколькими отскоками — эти задачи всё ещё выполнялись шейдерами.

Тензорные ядра (Tensor Cores)

Тензорные ядра в Turing (третье поколение, после Volta) предназначены для выполнения операций умножения матриц с накоплением (FMA) с плавающей запятой. Они поддерживают как FP16 (половинная точность), так и INT8 (целочисленная точность), что позволяет ускорять нейросетевые алгоритмы. В контексте графики тензорные ядра используются для технологии Deep Learning Super Sampling (DLSS) — масштабирования изображения с помощью нейронной сети, обученной на высококачественных образцах. DLSS 1.0 (первая версия) требовала обучения для каждой игры отдельно, что критиковалось за сложность внедрения.

Шейдерные блоки (CUDA Cores)

Turing использует переработанную архитектуру шейдерных блоков. В отличие от Pascal, где шейдерные процессоры были организованы в блоки по 128 CUDA-ядер, в Turing блоки (SM — Streaming Multiprocessor) содержат по 64 CUDA-ядра. Однако это компенсируется увеличением количества блоков и улучшенной архитектурой кэш-памяти. Turing также ввёл поддержку целочисленных (INT) операций, выполняемых параллельно с операциями с плавающей запятой (FP), что повышает эффективность при смешанных нагрузках.

Память и кэш

Архитектура Turing использует память GDDR6 (в потребительских картах) и GDDR6X (в некоторых профессиональных моделях). Объём кэш-памяти L2 был увеличен по сравнению с Pascal: например, у RTX 2080 Ti — 5,5 МБ L2-кэша против 3 МБ у GTX 1080 Ti. Это снижает задержки при обращении к памяти, что критически важно для трассировки лучей.

Классификация продуктов

На архитектуре Turing выпускались следующие основные линейки:

GeForce RTX 20xx (потребительские)

• RTX 2080 Ti — флагманский чип TU102 (18,6 млрд транзисторов), 4352 CUDA-ядра, 68 RT-ядер, 544 тензорных ядра, 11 ГБ GDDR6.
• RTX 2080 / RTX 2080 Super — чип TU104 (13,6 млрд транзисторов), 2944–3072 CUDA-ядра, 46–48 RT-ядер, 368–384 тензорных ядра, 8 ГБ GDDR6.
• RTX 2070 / RTX 2070 Super — чип TU106 (10,8 млрд транзисторов), 2304–2560 CUDA-ядер, 36–40 RT-ядер, 288–320 тензорных ядер, 8 ГБ GDDR6.
• RTX 2060 / RTX 2060 Super — чип TU106 (урезанный), 1920–2176 CUDA-ядер, 30–34 RT-ядер, 240–272 тензорных ядра, 6–8 ГБ GDDR6.

GeForce GTX 16xx (бюджетные, без RT и тензорных ядер)

• GTX 1660 Ti / GTX 1660 Super / GTX 1660 — чип TU116 (6,6 млрд транзисторов), 1408–1536 CUDA-ядер, 6 ГБ GDDR6/GDDR5.
• GTX 1650 / GTX 1650 Super — чип TU117 (4,7 млрд транзисторов), 896–1280 CUDA-ядер, 4 ГБ GDDR5/GDDR6.

Профессиональные

• Quadro RTX 8000/6000/5000 — на базе чипов TU102/TU104, до 48 ГБ памяти (с поддержкой NVLink), сертифицированы для CAD, DCC и научных расчётов.
• Tesla T4 — серверный ускоритель на базе TU104, 16 ГБ GDDR6, предназначен для инференса нейросетей и облачного гейминга.

Применение

Основные области применения архитектуры Turing:

• Игры и интерактивная графика: аппаратная трассировка лучей в реальном времени (например, в играх Battlefield V, Control, Cyberpunk 2077, Minecraft RTX). DLSS позволял повышать производительность при включённом RT.
• Профессиональный рендеринг: ускорение трассировки лучей в пакетах (Autodesk Maya, Blender, Unreal Engine, Dassault Systèmes).
• Научные вычисления и машинное обучение: тензорные ядра использовались для обучения и инференса нейросетей (TensorFlow, PyTorch). Tesla T4 был популярен в дата-центрах.
• Видеомонтаж и кодирование: Turing улучшил аппаратный кодировщик NVENC (седьмое поколение), поддерживающий H.264 и H.265 (HEVC) с повышенным качеством и производительностью.

Критика и ограничения

Архитектура Turing получила неоднозначную оценку. Основные претензии:

• Высокая цена: GeForce RTX 2080 Ti стартовала с цены $1199, что значительно превышало стоимость GTX 1080 Ti ($699). Это вызвало критику за недостаточный прирост производительности в традиционных играх без RT.
• Ограниченная поддержка трассировки лучей: на момент выхода Turing игры с RT были единичными, а производительность при включении RT падала в 2–3 раза даже на RTX 2080 Ti. DLSS 1.0 работал с артефактами и требовал индивидуального обучения.
• Энергопотребление и нагрев: флагманские карты (RTX 2080 Ti) потребляли до 260 Вт, что требовало качественного охлаждения и мощных блоков питания.
• Отсутствие поддержки DisplayPort 1.4a с DSC: хотя формально порт поддерживался, некоторые пользователи жаловались на ограничения при подключении 4K-мониторов с высокой частотой обновления.

Несмотря на критику, Turing заложила основу для последующей архитектуры Ampere (2020), где RT-ядра и тензорные ядра были значительно улучшены.

Интересные факты

• Чип TU102 (RTX 2080 Ti) содержит 18,6 миллиарда транзисторов — почти вдвое больше, чем Pascal GP102 (GTX 1080 Ti) с 12 миллиардами.
• Nvidia впервые применила в Turing технологию «Mesh Shading» — новый способ обработки геометрии, который позже стал стандартом в DirectX 12 Ultimate.
• Архитектура Turing поддерживает PCI Express 3.0 x16, а не PCIe 4.0, который появился только в Ampere.
• В 2020 году Nvidia выпустила обновлённые версии RTX 2060 и RTX 2060 Super с чипом TU104 (вместо TU106), что улучшило доступность карт на фоне дефицита полупроводников.

Источники

• Nvidia Turing GPU Architecture Whitepaper (2018)
• AnandTech: The NVIDIA Turing Architecture Deep Dive (2018)
• TechSpot: NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti Review (2018)
• Wikipedia: Turing (microarchitecture) (англ.)
• 3DNews: Архитектура Turing — обзор (2018)