Những thông tin thú vị về Maxwell, thế hệ vi kiến trúc đồ họa mới của NVIDIA

Sang đến tháng 9/2014, NVIDIA tiếp tục công bố thế hệ Maxwell thứ hai sử dụng chip GM204 với hai cái tên nổi bật là GeForce GTX 980 và GTX 970. Vào lúc này, hãng tập trung bổ sung nhiều tính năng mới có nhiều ảnh hưởng trực tiếp đến người tiêu dùng, chẳng hạn như kĩ thuật khử răng cưa đa pixel, hệ thống dựng tia sáng mới, hỗ trợ tốt hơn cho hình ảnh thực tế ảo, tương thích HDMI 2.0 và cho phép xuất hình ảnh độ phân giải 4K ở tốc độ 60fps. Bạn sẽ được giới thiệu qua tất cả những đặc điểm nói trên của Maxwell đời 1 và 2 trong những phần bên dưới.

Maxwell không chỉ có cho máy tính để bàn mà còn có những dòng chip Mobile thuộc series GTX 900M dùng để tích hợp vào trong laptop. Hiện tại có GTX 980M và 970M là sử dụng Maxwell, chúng cũng có tất cả những thay đổi nào mà NVIDIA áp dụng cho các GPU trên máy tính. Tất nhiên hiệu năng của GPU 900M cho laptop sẽ thua 900 bản dùng cho desktop, tuy nhiên mức khác biệt này không quá lớn.



Tất cả đều xoay quanh hai chữ: hiệu suất

Hầu hết mọi thay đổi về mặt vi kiến trúc, nhất là trong lĩnh vực đồ họa, đi kèm theo việc quy trình sản xuất được thu nhỏ lại. Điều này có nghĩa là chip sẽ nhỏ gọn hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn và tỏa nhiệt ít hơn, nhờ vậy mà mật độ bóng bán dẫn cũng tăng lên kéo theo hiệu năng tính toán được cải thiện. Nhưng trong trường hợp của Maxwell thì mọi thứ không phải như thế, các con chip dựa trên nền tảng này vẫn sử dụng công nghệ 28nm tương tự như người tiền nhiệm Kepler (NVIDIA vẫn đang làm việc với các con chip 20nm của mình).

Từ kinh nghiệm phát triển Kepler, NVIDIA nhận ra rằng trong quá trình hoạt động của các GPU, không phải tất cả các nhân CUDA (hàng trăm nhân xử lý song song làm nhiệm vụ tính toán và xây dựng hình ảnh trong các con chip của NVIDIA) đều được kích hoạt cùng lúc. Thay vào đó, một lượng lớn CUDA chỉ nằm ở trạng thái nghỉ tại một thời điểm nhất định. Vấn đề là cho dù đang "nghỉ" nhưng các nhân này vẫn sử dụng điện và vẫn tỏa nhiệt ra, chúng không thể được tắt đi một cách độc lập.



Để giải quyết vấn đề này, NVIDIA chia các nhân CUDA thành nhiều cụm khác nhau, mỗi cụm có các lệnh logic của riêng nó. Điều này cho phép hãng tắt đi một cụm nhân nào đó khi chúng đang ở chế độ nghỉ, từ đó dẫn đến việc GPU của NVIDIA trên kiến trúc Maxwell sử dụng điện năng hiệu quả hơn nhiều so với Kepler. Con số hiệu năng trên mỗi watt điện tiêu thụ cũng được tăng cao, trong khi nhiệt lượng thì giảm xuống. Đây cũng là cách mà NVIDIA ứng dụng cho dòng chip di động Tegra nhằm tăng thời lượng pin cho máy.

Cũng chính vì khả năng nói trên mà hai card đồ họa GTX 750 và 750Ti, đại diện cho Maxwell thế hệ đầu tiên, có thể chạy hoàn toàn từ nguồn điện lấy từ cổng PCI, người dùng không phải kết nối nó với cổng nguồn 6 chân như hầu hết những card đồ họa khác. Các máy tính tầm thấp giờ đây có thể được trang bị hai GPU này mà không cần phải nâng cấp nhiều về phần cứng hay bộ nguồn. Chưa hết, Maxwell còn giúp các card đồ họa của NVIDIA xử lý những tác vụ nhẹ nhàng, chẳng hạn như chơi các game cơ bản, giải mã video... mà không cần quay quạt bởi nhiệt lượng tỏa ra rất ít.



Với những bạn nào thích ép xung thì Maxwell cũng sẽ mang lại cho các bạn nhiều lợi ích, chẳng hạn như việc ép lên xung cao hơn trong khi cần ít thiết bị hay công cụ tản nhiệt hơn. Thậm chí bạn có thể chơi ép mà không cần xài nito lỏng luôn (tất nhiên là trong chừng mực nào đó). GPU Maxwell cũng có thể được ép xung nhẹ lên một chút để có thể kéo các tác vụ đồ họa nặng khi cần thiết. Theo lời NVIDIA thì những cải tiến của họ đã mang lại hiệu năng cao hơn 35% cho mỗi nhân ở mỗi mức xung so với thế hệ trước.

Laptop cũng được hưởng lại từ khả năng tiết kiệm điện của Maxwell. Giờ đây bạn có trong tay một chiếc máy tính xách tay mạnh hơn, pin lâu hơn, quá sướng! Đó là chưa kể đến việc các nhà sản xuất có thể đơn giản và thu gọn kích thước quạt tản nhiệt nhằm làm cho máy trở nên mỏng và nhẹ hơn.


Cải thiện hiệu năng

Sẵn nói đến hiệu năng, các GPU dựa trên kiến trúc Maxwell đạt được những kết quả khá ấn tượng, đặc biệt khi xét về tỉ số giá trên hiệu năng. Card đồ họa GTX 980 (khoảng 550$) và GTX 970 (khoảng 350$) đang nằm ở vị trí thứ 1 và 4 trong danh sách của G3D Benchmark (tháng 12/2014), khá là ấn tượng trong khi card GeForce GTX TITAN Black giá khoảng 1059$ đang đứng ở hạng 3. Ngay cả những model tầm thấp hơn sử dụng Maxwell là GTX 750 (khoảng 120$) hay 750 Ti (khoảng 130$) cũng đang chiếm thứ hạng tốt xét về khía cạnh giá trên hiệu năng.

Những tính năng mới

Nói đến GPU, bên cạnh những chi tiết về hiệu năng, chúng ta không thể không nhắc đến những tính năng mà các bộ xử lý này có thể đem lại cho chúng ta nhằm nâng cao trải nghiệm đồ họa. Có ba mặt cải tiến chính mà Maxwell thế hệ 2 mang đến: khử răng cưa, vẽ tia sáng và hỗ trợ thực tế ảo.

MFAA

Khử răng cưa (Anti-aliasing - AA) là cụm từ dùng để diễn tả việc loại bỏ các biến dạng hình ảnh gây ra bởi bộ xử lý đồ họa máy tính. Loại biến dạng này có dạng răng cưa và thường xuất hiện ở phần viền của các đối tượng đồ họa, ví dụ như cơ thể người trong game hay các đường cong của bản vẽ 3D.

Lý do gây ra hiện tượng trên đó là vì các pixel được dùng để hiển thị hình ảnh ở phần viền khá "cứng", nó không thể tái hiện hoàn toàn độ cong như những gì mắt chúng ta có thể ghi nhận ngoài đời thực. Chính vì thế, người ta mới nghĩ ra cách khử răng cửa thông qua việc lấy mẫu chính pixel đó nhiều lần rồi lấp vào các vị trí xung quanh viền để tạo cảm giác mượt mà, trơn láng hơn. Hình ảnh cũng trở nên đồng nhất hơn xuyên suốt nhiều khung hình.



MFAA (Multi frame Anti-aliasing) là một cách khử răng cưa mới xuất phát từ thực tế rằng hầu hết các pixel sẽ không thay đổi nhiều giữa các khung hình. Nói cách khác, vì sao chúng ta phải xây dựng lại một pixel nào đó nhiều hơn một lần nếu nó giống y hệt như khung hình đi trước? MFAA sẽ chứa dữ liệu về khung hình đã dựng ở lần trước, trộn nó với khung hình mới và loại bỏ những thông tin xung đột (ví dụ, khi chủ thể bắt đầu di chuyển). Kết quả là chúng ta vẫn có được những hình ảnh không bị răng cưa trong khi máy tính đỡ "cực nhọc" hơn. Kĩ thuật MFAA đặc biệt hiệu quả khi bạn chơi các game có tốc độ cao.

Maxwell giờ đây đã hỗ trợ cho MFAA, và điều đó thật tuyệt vời. Nó giúp mang chất lượng hình ảnh cao xuống các dòng card đồ họa thấp, nhờ đó người dùng vẫn có thể có được trải nghiệm tốt hơn trong khi không phải chi quá nhiều tiền để sắm một card đắt tiền hay bỏ tiền ra mua máy console.

Cải thiện kĩ thuật dựng bóng - tia sáng

Một vấn đề khó khăn khác trong lĩnh vực đồ họa máy tính đó là họ cần phải mô phỏng lại cách ánh sáng đi từ một bề mặt này sang bề mặt khác. Việc dựng nên các hiệu ứng đổ bóng với kích thước bây giờ không còn là chuyện xa lạ nữa, nhưng còn những hiệu ứng nhỏ hơn thì rất khó để đưa vào máy tính. Ví dụ, khi hai đối tượng chạm vào nhau thì phần đổ bóng nhẹ giữa chúng rất phức tạp để tính toán. Người ta có thể thiết lập sẵn hiệu ứng, nhưng cách này thì không mang lại cảm giác thật và cũng không áp dụng được với những đối tượng đang di chuyển. Tất nhiên nếu tính toán theo thời gian thực thì cũng được thôi, vấn đề là tài nguyên đồ họa sẽ bị ngốn rất nhiều.

Một trong những cách tiếp cận để xử lý vấn đề nói trên đó là áp dụng kĩ thuật voxelization. Kĩ thuật này sẽ tạo ra một phiên bản đã đơn giản hóa của khung hình, sau đó người ta sẽ xài những thuật toán để "tách" hình ảnh và dựng bóng. Nhờ việc tính toán được thực hiện trên một bản đơn giản hóa nên voxelization có thể hoạt động theo thời gian thực, và Maxwell đóng vai trò như phần cứng hỗ trợ tốt cho quy trình xử lý trên. Chốt lại, hình ảnh trong phim, game sẽ mượt hơn, thực hơn.


Thực tế ảo

Thực tế ảo (Virtual Reality - VR) là một trong những kĩ thuật hình ảnh nói chung và kĩ thuật game đang dần thịnh hành. Với Maxwell, NVIDIA cho biết họ đang phát triển nhiều tính năng liên quan đến VR, chẳng hạn như chế độ độ trễ thấp, khả năng dựng hình ảnh kép (áp dụng cho hệ thống ghép hai GPU, mỗi GPU sẽ render hình ảnh cho một bên mắt, rồi trộn lại để tạo cảm giác hòa nhập), kéo thời gian không đồng bộ... Riêng chế độ đỗ trễ thấp chính là yếu tố "sống còn" để khiến hình ảnh dịch chuyển theo hướng xoay đầu của bạn, nếu không bạn quay cổ đi rồi một lát sau mới thấy hình thì thật tệ.



Nói về kĩ thuật kéo thời gian không đồng bộ (Asynchronous time warp), nó là cách thức để tái hiện lại một khung hình đã được dựng từ trước nhưng trên một chiều khác. Nói cách khác, kĩ thuật này cho phép người dùng "nhìn xung quanh" chỉ một khung hình đã được dựng từ GPU. Ngay cả khi máy tính phải xử một khung hình nặng khiến số lượng fps bị rớt xuống thấp thì người dùng cũng vẫn thấy hình ảnh, hạn chế tình trạng chóng mặt, buồn nôn ở các giải pháp thực tế ảo trước đây.

Như đã nói ở trên, những thứ này vẫn đang được NVIDIA tích cực nghiên cứu, và hãng hứa hẹn một bộ driver tương thích những tính năng nói trên sẽ sớm có mặt.

Hỗ trợ độ phân giải 4K, 5K, HDMI 2.0

GPU NVIDIA GTX 980 là bộ xử lý đồ họa đầu tiên hỗ trợ cho chuẩn HDMI 2.0, tức là bạn có thể xuất hình ảnh độ phân giải 4K 3840 x 2160 ra ngoài với tốc độ 60fps. Bản mẫu thiết kế của 980 sử dụng con chip GM204 thậm chí có thể xuất ra cùng lúc 4 màn hình 4K, trong khi thế hệ Kepler chỉ có thể "chơi" được tối đa 2 màn hình mà thôi. Độ phân giải tối đa mà Maxwell hỗ trợ đưa ra là 5K 5120 × 3200, tăng so với con số 4K của Kepler.

Dynamic Super Resolution

Không phải ai cũng có đủ tiền để mua màn hình 4K, họ chỉ có thể sắm màn hình Full-HD mà thôi. Vậy làm thế nào để tận dụng hết sức mạnh của hai card GeForce GTX 980 và 970 để cung cấp trải nghiệm tốt nhất có thể? NVIDIA đưa công nghệ Dynamic Super Resolution (DSR) vào Maxwell chính là nhằm mục đích nào. Bộ xử lý đồ họa sẽ sử dụng một bộ lọc nâng cao để thu nhỏ hình ảnh lại và mang đến những cảm giác như đang chơi 4K trên màn hình 1080p. Hãng hứa hẹn hiệu năng game sẽ không bị ảnh hưởng nhiều bởi điều này.



Một bước nhảy lớn

Những card đồ họa GPU Maxwell hiện đang chiếm đầu bảng với hiệu năng được cải thiện so với thế hệ trước, tuy nhiên những cải tiến này không hẳn là một thứ gì quá lớn. Chúng nhỏ nhưng lại hiệu quả, đặc biệt là khi nói đến mức độ sử dụng năng lượng cùng những tính năng giúp hình ảnh đẹp hơn. Ngay cả tính năng hỗ trợ thực tế ảo cũng rất tuyệt và đáng nhắc đến. Nhưng mình tin rằng đây chưa phải là tất cả những gì NVIDIA có thể làm được. Thật vậy, hãng vẫn đang tích cực xây dựng thế hệ vi kiến trúc kế tiếp với quy trình 20nm mang tên Pascal. Đến lúc đó chúng ta sẽ tiếp tục phải trầm trồ trước những điểm cải tiến mà NVIDIA đã mang lại cho thế giới đồ họa.