AMD Radeon R9 Fury X : que valent Fiji et la mémoire HBM ?

Introduction

La dernière carte graphique haut de gamme d’AMD a fait son apparition sur le marché il y a plus d’un an maintenant. La Radeon R9 295X2 a montré qu’il était possible de placer deux GPU Hawaii sur une seule et même carte, tout en assurant un refroidissement efficace et relativement silencieux de l’ensemble, au contraire des précédentes Radeon HD 6990 et 7990.

Pour réussir ce tour de force, AMD a utilisé un système de refroidissement liquide. Un grand radiateur et un ventilateur de 120 mm se chargent  d’évacuer la chaleur à l’extérieur du boîtier. Cette solution ne fait pas beaucoup de bruit, et permet même à AMD de bénéficier d’une petite marge de manœuvre pour overclocker les GPU au delà des fréquences de fonctionnement de la Radeon R9 290X.

De plus, cette carte a fait son apparition sur le marché à un tarif de 1500 dollars – la moitié du prix demandé par NVIDIA pour une malheureuse GeForce GTX Titan Z, une carte qui occupe trois slots et dont le système de refroidissement à air a obligé à revoir à la baisse les fréquences des deux GPU.

Nous avons bien entendu apprécié ce qu’AMD avait accompli avec sa Radeon R9 295X2, mais peu à peu, et avec l’arrivée de nouvelles cartes mono-GPU toujours plus rapides chez NVIDIA, cette carte est devenue le symbole de la dépendance d’AMD envers la force brute plutôt qu’envers l’efficacité énergétique pour concurrencer NVIDIA. Pendant ce temps, le prix de cette carte dual-GPU glissait lentement vers les 600 dollars – une affaire pour quiconque se moque de sa taille et des soucis que peut parfois poser le support du CrossFire.

AMD ressuscite une icône du passé

La Radeon R9 Fury X est née du même ADN, avec l’architecture Graphics Core Next en son cœur et du watercooling pour dissiper la chaleur produite par l’imposant GPU Fiji. Cependant, il s’agit d’une carte mono-GPU avec un PCB pas particulièrement long. Fury X est en outre la première carte graphique d’AMD à embarquer de la mémoire HBM, les 4 Go de mémoire étant empilés et placés juste à côté du GPU Fiji, réduisant d’autant les dimensions du PCB.

Ce qu’on nous a promis, bien sur, c’est que la puissance de ce nouveau GPU associé à une bande passante mémoire sans précédent surpasserait la GeForce GTX 980 Ti de NVIDIA (à un tarif équivalent de 650 dollars, ou 760 euros).

AMD ne laisse pas au hasard le sort de cette carte graphique. Le service marketing de la société a repris une marque du passé – une plus ancienne encore que Tom’s Hardware. Rage vient du temps des premiers accélérateurs 3D d’ATI, en 1995 : certains d’entre vous se souviennent surement des Rage Pro, Rage 128 Pro et Rage Fury MAXX.

Fiji prend forme

Avec son GPU Fiji, la Radeon R9 Fury X est-elle vraiment digne de reprendre cette marque ? AMD et NVIDIA savaient tous deux que la gravure en 28 nm allait être utilisée pendant de nombreux mois encore, il n’est donc pas surprenant que Fiji utilise toujours cette finesse de gravure. Avec une surface de 596 mm², ce GPU est presque aussi grand que le GM200 et ses 601 mm². AMD a intégré 8,9 milliards de transistors sur cette surface, puis placé le die sur une surface en silicium de 1011 mm², entouré par quatre die de mémoire HBM.

Un coup d’œil rapide au diagramme technique de Fiji rappelle l’architecture Hawaii lancée en 2013. On retrouve en effet dans les deux cas quatre Shader Engines, chacun avec son unité de traitement géométrique et rasterizer, plus quatre moteurs de rendu capables chacun de sortir 16 pixels par cycle d’horloge. AMD a en revanche augmenté le nombre de Compute Units par Shader Engine, passant de 11 à 16. Avec 64 shaders par Compute Unit, on arrive à 1024 unité de calcul par Shader Engine, soit un total de 4096 shaders par GPU. AMD a en outre conservé 16 unités de texturing par Compute Unit, soit 256 en tout, contre 176 « seulement » pour Hawaii.

De toute évidence, avec Fiji, AMD a revu à la hausse la puissance théorique de calcul et de filtrage de textures. Mais en gardant le même nombre d’unités de traitement géométrique et de ROPs, ne faut-il pas craindre un goulot d’étranglement ? Cela dépend en fait de la charge de travail. Avec Hawaii, AMD avait amélioré le débit géométrique brut grâce à ses quatre Shader Engine. Le constructeur allait jusqu’à expliquer que la bande passante mémoire, malgré une largeur de bus de 512-bit, était le goulot d’étranglement du GPU. Aujourd’hui, AMD affirme que les opérations de rastérisation 8-bit-par-canal sont rarement un goulot d’étranglement. Les opérations 16-bit-par-canal sont en revanche plus problématiques, mais la combinaison de la HBM et de la compression de couleurs permet à Fiji de réaliser ce type d’opérations.

Ce qui n’apparait pas sur le diagramme technique, ce sont les améliorations apportées à l’architecture Graphics Core Next d’AMD, certaines d’entre elles étant justement là pour éliminer ces goulots d’étranglement potentiels. Hawaii utilise la deuxième version de GCN, Fiji hérite quant à lui de la troisième version de cette architecture. Les processeurs de géométrie ont été améliorés, augmentant les performances de tesselation. Fiji bénéficie également d’une compression de couleurs sans perte pour les tampons en lecture/écriture, de nouvelles instructions dédiées aux entiers et flottants 16-bit ainsi que d’une quantité de cache L2 doublée, atteignant 2 Mo. Le moteur de décodage vidéo, capable de décoder un flux HEVC, a lui aussi été mis à jour.

Côté puissance de calcul, Fiji bénéficie d’un meilleur planificateur de tâches et de nouvelles instructions de traitement parallèle. Avec ses 4096 shaders et sa fréquence maximale de 1050 MHz, Fiji affiche une puissance de calcul de 8,6 TFLOPs en simple précision. En double précision toutefois, la puissance obtenue en FP64 chute à 537,6 MFLOPs (soit moins que Hawaii). Comme le GM200, Fiji est donc conçu pour jouer plutôt que pour calculer.

La mémoire HBM

Là où AMD frappe fort, c’est sur l’utilisation de la mémoire HBM (High Bandwidth Memory) : la bande passante mémoire passe de 320 Go/s sur la Radeon R9 290X à 512 Go/s sur la Fury X. Les principaux détails sont déjà connus, mais cette énorme bande passante est atteinte en empilant les dies verticalement. Chaque die de mémoire DRAM ayant une paire de canaux 128-bit, on atteint 1024-bit en en empilant quatre.

La première génération de HBM fonctionne à une fréquence plutôt raisonnable de 500 MHz, avec deux bits transférés par cycle d’horloge. A titre de comparaison, la mémoire GDDR5 culmine actuellement à une fréquence de 1750 MHz avec quatre bits transférés par cycle. Mais si l’on tient compte de la largeur du bus, on arrive à 128 Go/s par « empilement  de quatre dies » de HBM, contre seulement 28 Go/s pour une puce de mémoire GDDR5 32-bit. Une carte comme la GeForce GTX 980 Ti utilise six contrôleurs mémoire 64-bit, soit une bande passante totale de 336 Go/s. De son côté, la Radeon R9 Fury X embarque quatre puces HBM, soit une bande passante de 512 Go/s.

Ce n’est pas souvent que l’on a affaire à un bond de 60% des caractéristiques techniques, ou à un écart de 50% entre deux concurrents. Il ne fait aucun doute que la HBM joue un rôle important dans les performances de la Radeon R9 Fury X. Nous savons également qu’il s’agit pour AMD d’un premier essai associant son GPU Fiji et la mémoire HBM, et il est logique d’espérer une hausse des performances dans le temps, au fur et à mesure que les pilotes seront optimisés et améliorés. C’est d’ailleurs également ce qu’espère le constructeur, qui envisage de libérer progressivement toute la puissance de cette architecture.

Il existe en revanche quelques incertitudes à long terme quant à la quantité de mémoire embarquée : il est facile d’avoir peur que les 4 Go de HBM se montrent insuffisants face aux 6 Go des GeForce GTX 980 Ti et aux 12 Go des GeForce GTX Titan X. Nos différents tests en 4K n’ont toutefois pas montré de gros problèmes avec la Radeon R9 Fury X. Bien sur, nous avons pu pousser certains réglages dans Grand Theft Auto V afin de dépasser les 4 Go de mémoire utilisée, avec une fréquence d’images s’écroulant alors sous les 10 FPS, mais le jeu était de toute façon injouable.

AMD se retrouve dans une situation un peu étrange, avec des Radeon R9 390 et 390X équipées de 8 Go là où son modèle le plus puissant se contente de 4 Go de mémoire. Nous ne pensons toutefois pas que ceci soit un handicap, étant donné que les résolutions et réglages nécessaires pour dépasser les 4 Go de mémoire utilisés mettront de toute façon à genoux un GPU Fiji. Et puis, AMD a expliqué qu’il restait encore pas mal de marge de manœuvre pour améliorer la gestion de la mémoire…

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Rencontre avec la Radeon R9 Fury X

La première chose qui frappe avec la Radeon R9 Fury X est sans aucun doute la longueur de la carte. Avec un peu plus de 19 cm de long, cette carte graphique perd environ 7,6 cm par rapport à une Radeon R9 290X de référence, ou une GeForce GTX 980 Ti.

Aucun ventilateur n’est présent sur la carte. AMD aurait pu faire la même chose avec sa Radeon R9 295X2, mais cette carte graphique était basée sur un système de refroidissement Asetek qui avait besoin d’un peu d’aide pour refroidir les modules de mémoire et le système de régulation de tension présent sur le PCB. Cette fois-ci, la mémoire arrive à peu près à la même hauteur que le GPU, ce qui permet d’utiliser la même plaque métallique pour refroidir les puces. Le système de refroidissement liquide n’a alors plus besoin d’aide pour s’acquitter efficacement de sa tâche.

AMD indique avoir fait équipe avec Cooler Master pour la partie refroidissement, utilisant un ventilateur Nidec de 120 mm. Côté esthétique, les tuyaux sont gainés, alors que ceux de la Radeon R9 295X2 étaient nus.

Le constructeur explique que le kit de refroidissement liquide utilisé pourrait dissiper jusqu’à 500W de chaleur, bien plus que le TDP de 275W de la Radeon R9 Fury X. En théorie, cette carte aurait pu se contenter d’un connecteur 6-pin et d’un connecteur 8-pin : avec la puissance délivrée par le port PCI-Express, on atteint déjà 300W. Pourtant, ce sont deux connecteurs 8-pin que l’on trouve sur la R9 Fury X.

Comme sur les Radeon R9 290 Series, on trouve sur la Radeon R9 Fury X deux BIOS, sélectionnables via un interrupteur. Les deux BIOS sont en revanche identiques cette fois-ci, le second étant présent pour servir de BIOS de secours pour revenir aux paramètres d’usine en cas de réglages un peu trop agressifs.

L’absence de ventilateur sur la Fury X autorise AMD à se passer de grille d’aération. A l’arrière, on ne trouve donc que les sorties vidéo, à savoir trois connecteurs DisplayPort et une sortie HDMI 1.4 (seulement). Ici, point de connecteur DVI. La carte n’est qu’une boîte rectangulaire en aluminium, avec une finition noire en chrome nickelé. Attention aux traces de doigts !

AMD indique que la plaque avant de la Fury X est amovible, ce qui permet aux clients de personnaliser à volonté la carte graphique. La plaque arrière est quant à elle assez éloignée du PCB, ce qui pourrait poser quelques problèmes : dans notre cas, avec une carte mère MSI X99A Xpower AC, la carte graphique empiétait légèrement sur l’emplacement de certaines barrettes de mémoire. Attention donc à la compatibilité entre cette carte graphique et votre carte mère…

Protocole de test

Nous avons récemment standardisé –et mis à jour – notre plateforme de test. En version « 2015 », celle-ci se compose d’un processeur Intel Core i7-5930K accompagné par 16 go de mémoire DDR4-2400, d’une carte mère MSI X99A Xpower AC, d’une alimentation de 850W et de 500 Go d’espace de stockage sur SSD. Bref, tout ce qu’il faut pour que notre Radeon R9 Fury X se sente à l’aise.

Logiciels et pilotes

Les GeForce GTX Titan X, GeForce GTX 980, GeForce Titan et GeForce GTX 780 Ti ont été testées avec les pilotes GeForce 347.84. Les drivers GeForce 352.90 ont été utilisés pour la GeForce GTX 980 Ti, ainsi que pour toutes les cartes de NVIDIA avec Grand Theft Auto V et The Witcher 3: Wild Hunt.

Les cartes d’AMD ont été testées avec les pilotes Catalyst Omega 14.12 disponibles depuis décembre dernier. Nous avons utilisés les Catalyst 15.4 Beta pour réaliser les tests sous Grand Theft Auto V, tandis que The Witcher 3: Wild Hunt a été testé avec les Catalyst 15.5. La Radeon R9 Fury X a dans tous les cas bénéficié des Catalyst 15.15 Beta. Nous aurions bien voulu utiliser ces pilotes 15.15 Beta avec toutes les cartes graphiques d’AMD, hélas ces drivers ne supportent pas les Radeon R9 290X ou 295X2. Nous n’avons d’ailleurs toujours pas d’explication rationnelle aux mauvaises performances des cartes dual-Hawaii avec The Witcher 3.

Benchmarks

Battlefield 4, Far Cry 4 et Grand Theft Auto V

Avec un tarif de 650 dollars, AMD place clairement sa nouvelle Radeon R9 Fury X face à la GeForce GTX 980 Ti de NVIDIA.

Battlefield 4

La Radeon R9 Fury X se hisse entre les GeForce GTX 980 et 980 Ti de NVIDIA dans Battlefield 4 en 2560 x 1440. A une exception près, la carte d’AMD reste au dessus des 60 FPS en mode Ultra. Depuis la sortie de ce titre, les deux constructeurs ont eu le temps d’optimiser leurs pilotes, ce qui explique les bonnes performances de la Radeon R9 295X2.

La Radeon R9 Fury X maintient sa position en 3840 x 2160, juste derrière la GeForce GTX 980 Ti. Vu la légère chute sous les 30 FPS, il sera peut-être judicieux de laisser tomber les réglages les plus extrêmes pour améliorer un peu les performances dans cette définition élevée.

Encore une fois, la Radeon R9 295X2 tire son épingle du jeu. Si c’était le cas dans tous les jeux, nous en ferions la championne du jour. Hélas, ce n’est pas le cas avec les titres les plus récents…

Far Cry 4

La Radeon R9 Fury X surpasse ses concurrentes dans Far Cry 4, se hissant plus haut que les GeForce GTX 980 Ti et Titan X, tout en restant au dessus  des 60 FPS en 2560 x 1440.

Malgré toutes les préoccupations que l’on pouvait avoir au sujet des performances en 3840 x 2160 avec seulement 4 Go de mémoire HBM, la Radeon R9 Fury X continue à surpasser les GeForce Titan X et 980 Ti en mode Ultra.

Grand Theft Auto V

La Fury X se retrouve derrière les Geforce GTX Titan X et 980 Ti dans Grand Theft Auto V en 2560 x 1440, tout en restant largement jouable avec une moyenne suppérieure à 72 FPS.

En passant à une définition de 3480 x 2160, les Fury X, tTitan X et 980 Ti affichent des framerates beaucoup plus proches, tout en restant raisonnables (entre 38 et 42 FPS de moyenne).

Metro: Last Light, Middle-earth et The Witcher 3

Metro: Last Light

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Middle-earth: Shadow of Mordor

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The Witcher 3: Wild Hunt

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Thief et Tomb Raider

Thief

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Tomb Raider

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Consommation

Présentation de la nouvelle version de PowerTune

Après tous ces chiffres, peut-être vous demandez-vous si AMD a pu réduire significativement la consommation d’énergie de sa Radeon R9 Fury X ? En prévision, nous avons légèrement modifié la configuration de notre équipement de mesure afin d’analyser au mieux la façon dont la nouvelle version de PowerTune est capable d’ajuster la consommation de la carte suivant la charge de travail, la température et d’autres paramètres.

Selon nos tests, PowerTune est désormais capable de réagir aux changements de paramètres dans des intervalles inférieurs à 10 microsecondes. Le graphique suivant montre les fluctuations de la consommation sur une période de seulement 100 microsecondes.

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Consommation au repos

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Vue d’ensemble des cartes graphiques testées

Consommation en jeux

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Vue d’ensemble des cartes graphiques testées

Consommation en mode « stress »

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vue d’ensemble des cartes graphiques testées

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Température, fréquences et nuisances sonores

Températures

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Mesures des température (infrarouge)

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Fréquences sous différentes charges et températures

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Vitesse ventilateur

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Nuisances sonores

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Nuisances sonores (pompe)

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Nuisances sonores (ventilateur)

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Conclusion

Les fans d’AMD attendaient une carte graphique haut de gamme capable de surpasser la GeForce GTX 980 Ti. Les détracteurs du constructeur criaient que les retards successifs pouvaient laisser craindre des problèmes de chauffe et de mauvaises performances. La vérité se situe entre les deux.

La Radeon R9 Fury X offre des performances à la hauteur d’une GeForce GTX 980 Ti.  Le GM200 arrive globalement devant en 2560 x 1440, tandis que l’énorme bande passante mémoire permet à la Fury X de finir première en 3840 x 2160. Difficile dès lors de départager ces deux cartes.

Donc disons que les performances sont comparables. Le prix l’est également, la Radeon R9 Fury X étant attendue à un tarif de 650 dollars. Que reste-t-il alors comme base de comparaison ? La puissance, les fonctionnalités, les caractéristiques ?

La consommation nous a agréablement surpris. Un GPU plus complexe et plus grand que Hawaii pouvait laisser craindre le pire, mais il semble que l’utilisation de HBM et une optimisation de Powertune a permis à AMD de domestiquer son architecture GCN. Avec une charge de travail moyenne à forte, les chiffres affichés par Fiji sont très bons, et ce n’est qu’en mode « stress test » que la consommation explose. Mais il s’agit d’une situation théorique que l’on ne retrouve de toute façon pas en séance de jeux réelle.

Et puis vient la taille de la carte graphique. Avec ses 19 centimètres de longueur, la Radeon R9 Fury X apparait vraiment spéciale. Pas de grille d’aération ni de ventilateur, mais un gros radiateur qu’il va bien falloir placer quelque part dans le boîtier. Bien entendu, sans ce système de refroidissement liquide, les spécifications de Fury X auraient été bien plus difficiles à atteindre. Mais quid du CrossFire alors ? Pour intégrer deux Fury X et surtout les deux kits de watercooling dans un boîtier, il va probablement  falloir faire preuve d’imagination. La Nano Fury, avec son format dual-slot plus classique et ses 15,3 cm de long, pourrait bien être plus intéressante dans ce cas.

Au delà des caractéristiques matérielles, AMD introduit également quelques nouvelles fonctionnalités. GPU Tach permet par exemple de visualiser la charge de travail du GPU grâce à des LED, un peu à la manière des barrettes Ballistix Tracer de Crucial. Le Frame Rate Targeting Control est plus intéressant, puisqu’il s’agit ici de limiter volontairement le framerate de la carte à une valeur que l’utilisateur estimera acceptable, ce qui permet de limiter également la consommation. Nos quelques tests montrent toutefois qu’il reste encore du travail à faire…

L’absence du support du HDMI 2.0 est plus problématique, en particulier pour la Fury Nano qui vise le marché des HTPC. Cela peut s’expliquer par le fait que le GPU Fiji a été « taped-out » il y a quelques mois déjà, et qu’il n’était plus possible de remanier le contrôleur d’affichage. NVIDIA va forcement mettre en avant le fait que ses GPU Maxwell de deuxième génération supportent DirectX level 12_1, mais AMD offre de son côté quelques fonctionnalités DirectX qui manquent à NVIDIA. Reste donc à voir quelle implémentation servira le mieux les utilisateurs finaux. AMD soutient par ailleurs que l’utilisation de l’architecture GCN dans les consoles actuelles poussera les développeurs à optimiser leurs titres pour cette architecture.

Enfin, reste le débat sur les 4 Go « seulement » de mémoire HBM. Dans l’ensemble de nos tests, cette quantité de mémoire n’a pas posé de problème particulier. Au contraire, la technologie HBM s’est montré une véritable aubaine pour la Fury X. Seule une combinaison particulièrement artificielle et orientée des paramètres dans Grand Theft Auto V a montré les limites des 4Go de HBM. Dans les jeux actuels, avec un niveau de détails acceptable pour n’importe quel GPU du moment, 4 Go suffisent pour jouer en 4K. en revanche, associer deux cartes pour jouer en 7680 x 1440, cela reste à voir…

Au final, AMD a de quoi être fier de sa Radeon R9 Fury X. En combinant un GPU riche en ressources et la technologie HBM, cette nouvelle carte graphique surpasse la GeForce GTX 780 Ti qui faisait de l’ombre à la Radeon R9 290X, ainsi que la GeForce GTX 980, sans véritable concurrence jusqu’à présent. La Fury X atterrit aux côté de la GeForce GTX 980 Ti, dont elle partage désormais le trône.