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Non, ce n’est pas un blog consacré aux jeux vidéo, mais c’est par là que nous allons commencer. Si vous vous intéressez aux jeux sur PC, vous savez sans doute que les meilleures cartes graphiques pour le jeu intègrent généralement un type de mémoire à accès dynamique appelé GDDR (par exemple, la GDDR6). Une seule carte graphique peut disposer de dizaines de gigaoctets de mémoire GDDR6 locale, reliée au GPU et indépendante de la mémoire principale de la carte mère. Dans cet article, nous vous expliquons ce qu’est la GDDR et pourquoi elle est si importante.
Attention, spoiler : la réponse n’a rien à voir avec les jeux vidéo.
GDDR signifie « Graphics Double Data Rate » ; comme son nom l’indique, il s’agit donc d’un type particulier de mémoire à double débit de données. Elle comporte un réseau de cellules mémoire destinées à stocker des bits (des uns et des zéros) et est organisée en lignes et en colonnes, à l’instar d’une mémoire DDR classique que l’on trouve sur une carte mère d’ordinateur de bureau ou un ordinateur portable haut de gamme. La différence réside dans la vitesse d’accès aux cellules à l’intérieur du circuit intégré de mémoire, ainsi que dans la vitesse de transfert des données depuis ce circuit intégré vers le processeur hôte qui y est connecté. Ceci est illustré à la figure 1, où nous présentons un schéma fonctionnel de haut niveau de l’architecture d’une mémoire GDDR.
Comme on peut le constater, le dispositif contient une ou plusieurs banques de mémoire (stockant les 1 et les 0). Le processus de lecture ou d’écriture à un emplacement donné de la banque de mémoire est rendu possible par un bloc de décodage des commandes et des adresses, qui fonctionne en association avec certains circuits d’accès aux lignes et aux colonnes. Plus précisément, lorsqu’une adresse donnée de la mémoire est lue par le contrôleur hôte, ces circuits d’accès aux lignes et aux colonnes sont activés très rapidement afin de localiser une coordonnée unique (c’est-à-dire une adresse qui ressemble beaucoup à celle que vous saisissez dans votre application de cartographie préférée sur votre smartphone) ou un ensemble de coordonnées dans la mémoire. Ensuite, les circuits de lecture sont utilisés pour extraire les données situées à ces emplacements et de les transmettre via le bloc logique d’entrée/sortie de données.
C’est essentiellement ainsi que fonctionne également une mémoire DDR classique – d’où la similitude entre la GDDR et la DDR. La différence avec la GDDR réside dans le fait qu’elle est conçue pour offrir une vitesse fulgurante. Le contenu de la mémoire peut, par exemple, être constitué de vecteurs destinés au rendu d’une image en haute résolution. Le processus de rendu graphique dans les jeux vidéo très performants nécessite des accès répétés à de grandes quantités de données et l’exécution de calculs répétitifs sur ces données à des vitesses très élevées.
La figure 2 illustre une connexion type entre un processeur graphique (GPU) et une mémoire GDDR.
Pour afficher les graphismes sur l’écran de l’utilisateur, le GPU effectue des calculs numériques répétitifs sur de grands ensembles de données représentant les images affichées ; ces données sont stockées dans la mémoire GDDR. Ces calculs sont moins flexibles que les calculs à usage général effectués par un processeur central classique, et c’est précisément pour cette raison qu’ils peuvent s’exécuter à des vitesses bien supérieures à celles d’un processeur central classique.
L’exécution de calculs répétitifs et similaires sur de grands ensembles de données se traduit par une série de transactions de lecture et d’écriture dans la mémoire. Ces transactions s’effectuent par le transfert de données numériques à haut débit via ces petits fils d’interconnexion reliant le GPU à la mémoire. Par exemple, une liaison GDDR6 moderne peut facilement atteindre des vitesses de l’ordre de 16 Gbps, comparables à celles des SerDes, mais sur un grand nombre de broches.
La mémoire GDDR est donc similaire à la mémoire DDR, mais ce n’est pas la même chose. Nous vous présentons ici trois différences techniques entre ces deux types de mémoires.
Nous y avons déjà fait allusion plus haut. Un module DRAM GDDR6 classique fonctionne à un débit de 16 Gbps par broche. Et avec deux canaux de mémoire par module DRAM, chacun comportant 16 broches DQ, cela correspond à un débit total de 512 Gbps pour un seul module DRAM. À titre de comparaison, un module DRAM DDR5 de dernière génération peut fonctionner à 6,4 Gbps par broche.
Outre les différences d’architecture d’accès interne entre ces deux classes de mémoire, l’un des avantages des mémoires GDDR par rapport aux mémoires DDR réside dans le fait qu’elles sont généralement connectées selon une configuration point à point plutôt que selon une configuration multipoint. En d’autres termes, chaque port du contrôleur hôte est connecté à un seul et unique dispositif de mémoire. La figure 3 illustre la différence entre ces deux schémas de connexion.
Les mémoires DDR étant connectées selon une configuration multipoint, la piste du circuit imprimé reliant le contrôleur de mémoire à une puce DRAM donnée est bien moins intacte qu’une piste correspondante reliant un contrôleur de mémoire à une mémoire GDDR. La piste DDR présente souvent des discontinuités dues aux désadaptations d’impédance inévitables au niveau de toutes les charges qui y sont raccordées, ce qui entraîne des réflexions de signal et des distorsions de forme d’onde. Cela limite à son tour la fréquence d’horloge maximale à laquelle la piste DDR peut fonctionner.
En revanche, le bus d’adresse d’une mémoire GDDR n’est relié qu’aux broches correspondantes du GPU. Ainsi, du moins en principe, il existe davantage de possibilités d’optimiser l’intégrité du signal de la piste et de s’assurer qu’elle ne présente aucune discontinuité. En revanche, la bande passante nettement plus élevée de la piste dans la GDDR la rend plus sensible aux moindres imperfections géométriques. Même des erreurs de conception apparemment insignifiantes, comme le fait d’oublier de supprimer des pastilles non fonctionnelles dans un via, peuvent entraîner une dégradation des performances des liaisons GDDR.
Le protocole DDR diffère du protocole GDDR, ce qui implique que la conception du contrôleur hôte est différente. Les détails de ces différences dépassent le cadre du présent article, mais ils comprennent notamment les éléments suivants :
Si vous avez suivi un cours sur les réseaux neuronaux à l’université, votre projet de fin d’année a probablement été réalisé à l’aide d’une carte graphique. C’est précisément pour cette raison que la mémoire GDDR prend aujourd’hui une telle importance. Il s’avère en effet que les calculs nécessaires à l’entraînement ou à l’exécution d’un réseau neuronal sont très similaires, dans leur principe, à ceux requis pour le traitement vidéo dans une application de jeu vidéo. Concrètement, des calculs répétitifs et similaires doivent être effectués sur de grands ensembles de données et à un rythme très rapide. Cela implique deux choses :
De plus, avec la forte tendance à intégrer des capacités de traitement par IA même sur les terminaux mobiles, l’architecture informatique connaît une évolution radicale. Bien qu’il existe d’autres moyens de mettre en œuvre des mémoires à haut débit, la GDDR s’impose comme une excellente alternative à faible coût (par rapport aux autres solutions concurrentes).
Outre l’IA, de nombreuses applications dans les domaines des réseaux et de l’automobile nécessitent désormais des architectures de mémoire plus rapides. Pour faire simple, la puissance de calcul des processeurs (CPU) et des cartes graphiques (GPU) a largement dépassé la capacité à augmenter les vitesses de transfert vers et depuis les mémoires. L’architecture mémoire constitue donc désormais un goulot d’étranglement dans plusieurs applications, notamment dans les secteurs de l’automobile, des réseaux et de l’industrie. Les mémoires GDDR représentent une solution très prometteuse pour combler ce fossé. Elles offrent le meilleur des deux mondes :
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