G80

Der G80-Grafikprozessor war der erste Prozessor von Nvidia, der auf der neuentwickelten Unified-Shader-Architektur basierte. Nachdem der G80 seit Ende 2006 auf den Geforce-Grafikkarten 8800 GTX und GTS verbaut wurde, stellte Nvidia erste Teslamodelle Mitte 2007 vor. Dabei wird primär der G80 im A3-Stepping verwendet, wie er auf der Geforce 8800 Ultra verbaut wurde.

GT200

Der GT200-Prozessor war der zweite Chip, den Nvidia auf der Teslaserie verbaute. Im Gegensatz zum G80 plante Nvidia von Anfang an mit dem Einsatz auf den Teslamodellen (daher das T in der Kennung) und implementierte die Double-Precision-Fähigkeiten über 30 zusätzliche MADD-Einheiten nach der IEEE-754R-Spezifikation, was für die Geforce-Grafikkarten nicht notwendig gewesen wäre.

GK104

Am 22. März 2012 präsentierte Nvidia mit der Geforce GTX 680 die erste Grafikkarte der Geforce-600-Serie, mit der die neue Kepler-Architektur eingeführt wurde. Die Geforce GTX 680 basiert auf dem GK104-Grafikprozessor, der aus 3,54 Mrd. Transistoren besteht, sowie 1536 Streamprozessoren und 128 Textureinheiten, die in acht Shader-Clustern organisiert sind. Die GK104-GPU wird im 28-nm-Fertigungsprozess bei TSMC hergestellt und kommt auf eine Die-Fläche von 294 mm². Ursprünglich war der GK104 als Grafikchip für den Performance-Sektor geplant gewesen, was sich u. a. an der reduzierten „Double-Precision“-Leistung erkennen lässt. Nachdem Nvidia den GK100-Grafikprozessor zu Gunsten des GK110 strich, musste der GK104 auch für den High-End-Sektor verwendet werden, da der GK110 erst für die Kepler-Refresh-Generation zur Verfügung stehen sollte.

GK110

Die GK110-GPU ist mit 7,1 Mrd. Transistoren auf rund 561 mm² (533 mm² im produktionsoptimierten B1-Stepping) der größte und komplexeste Grafikprozessor der Keplergeneration. Er besteht aus 2880 Shader- und 240 Textureinheiten, die auf 15 SMX-Blöcken (Shader-Cluster) verteilt sind. Diese wiederum sind auf fünf Graphics Processing Clusters verteilt, wodurch der GK110 ein Verhältnis von 3:1 aufweist (im Gegensatz zu den restlichen Grafikprozessoren der Keplergeneration, die ein Verhältnis von 2:1 verwenden). Eine weitere Besonderheit des GK110 stellen die zusätzlichen 64 separate ALUs pro SMX-Block dar, die aber nicht für die Single-Precision- (FP32), sondern für die Double-Precision-Operation (FP64) zuständig sind. Ebenfalls für die professionellen Bereich gedacht und nur auf der GK110-GPU vorhanden sind die Features „Dynamic Parallelism“, „Hyper-Q“ und „GPUDirect“.

GK210

Für die Tesla-Serie wurde wegen der Limitierung der Maxwell-Architektur eine verbesserte Version des GK110 entworfen, den GK210-Grafikprozessor.

GM200

Der GM200-Grafikprozessor fungiert auch als High-End-Chip der Geforce-900-Serie und löste in dieser Funktion die GK110-GPU der Geforce-700-Serie ab. Der GM200 besitzt 8 Milliarden Transistoren auf einer Chipfläche von 601 mm², womit er der bis dahin größte und komplexeste Grafikprozessor am Markt war. Aus technischer Sicht stellt der GM200 mit 96 Raster-, 3072 Shader- und 192 Textureinheiten eine um 50 % vergrößerte Variante des GM204 dar. Damit unterscheidet er sich aber auch maßgeblich von seinen Vorgängern: Die GF100-, GF110- oder GK110-GPUs verfügten noch über erweiterte Double-Precision-Fähigkeiten (FP64) und wurde auch auf den Profiserien Quadro und Tesla eingesetzt. Dafür waren auf dem GK110 z. B. in jedem SMX-Block zusätzlich 64 separate ALUs verbaut, wodurch dieser eine DP-Rate von 1/3 erreicht hatte. Da auf den GM200 diese separaten ALUs fehlen (sie sind vermutlich aus Platzgründen gestrichen worden, da die Produktion von Grafikprozessoren mit einer Größe von über 600 mm² aus technischen und wirtschaftlichen Gründen kaum möglich ist), verfügt dieser nur über eine DP-Rate von 1/32. Da Double-Precision-Operationen für 3D-Anwendungen nicht benötigt werden, spielte dieser Aspekt im Gamingsektor keine Rolle, machte den GM200 aber wenig geeignet für die Profiserien Quadro und Tesla.

Deshalb wandte sich Nvidia von seiner bisherigen Strategie ab, einen High-End-/Enthusiasten-Chip für alle drei Serien zu entwickeln, und setzte den GM200 nur für die Tesla M40 ein. Für die Tesla K80 wurde stattdessen eine verbesserte Version des Kepler GK110 entworfen, der GK210-Grafikprozessor.

GM204

Der GM204-Grafikprozessor war die erste GPU der Geforce-900-Serie und verwendet die „Maxwell-Architektur der zweiten Generation“. Wie bereits bei der ersten Kepler-Generation, der Geforce-600-Serie, schickt Nvidia den Performance-Chip (GM204) vor dem High-End-Chip (GM200) auf den Markt. Nachdem Nvidia genau wie AMD auf die 20-nm-Fertigung bei TSMC verzichtet hat, wird der GM204 entgegen ursprünglichen Planungen weiterhin in 28-nm-Fertigung hergestellt. Er besitzt 5,2 Milliarden Transistoren auf einer Chipfläche von 398 mm². Der grundsätzliche Aufbau ist mit dem der GM107-GPU der ersten Maxwell-Generation identisch: Die Shader-Cluster (SMM) enthalten weiterhin 128 Shader- und 8 Textureneinheiten, allerdings wurde der Level-1-Cache von 64 kByte auf 96 kByte und der Texturen-Cache von 24 kByte auf 48 kByte pro Cluster erhöht. Insgesamt besteht der GM204 aus 16 Shader-Clustern, wobei je vier Cluster an einer Raster-Engines hängen, womit der GM204 über 2048 Streamprozessoren, 128 Textureinheiten, 64 ROPs und einen 2 MB großen Level-2-Cache verfügt. Um das, im Verhältnis zu anderen GPUs dieser Klasse, kleine Speicherinterface von 256 Bit auszugleichen, führte Nvidia das Feature „Third Generation Delta Color Compression“ ein, wobei es sich um einen Bandbreitenschoner handelt, der die Speicherbelastung um rund 25 % senken soll.

Wegen der Limitierungen in der Double Precision-Leistung auf 1/32 von Single Precision werden die Tesla-K-Karten mit Kepler-Architektur mit ihrer dort höheren Leistung weiterhin angeboten.

GP100

Pascal-Chips laufen unter der Bezeichnung „GP100“ und sollen sich dank ihrer hohen Rechenleistung und Effizienz besonders gut fürs High Performance Computing und Deep Learning eignen. Nvidia stellte mit dem Tesla P100 den ersten Rechenbeschleuniger mit GP100-Chip im Frühjahr 2016 auf der GPC 2016 vor. Pascal soll mittelfristig Kepler- und Maxwell-Grafikchips im Profi-Bereich ablösen. Der GP100 besteht aus 15 Milliarden Transistoren und enthält bis zu 3840 Shader-Rechenkerne. Nvidia fertigt die GP100-GPU bei TSMC im 16-nm-FinFET-Verfahren, das im Vergleich zur bisherigen 28-nm-Technik für eine wesentlich höhere Energieeffizienz sorgt. Beim Speicher setzt Nvidia – zumindest beim Tesla P100 – auf HBM 2 (High Bandwidth Memory 2). Im Vergleich zu HBM 1, den derzeit nur AMD bei Grafikkarten mit Fiji-GPUs verwendet, ermöglicht HBM 2 höhere Transferraten und mehr Speicher pro GPU.

GP100 sitzt wie AMDs Fiji-Pendant auf einem Interposer (oder auch „Carrier“) und ist über insgesamt 4096 Datenleitungen mit dem 16 GByte großen und ECC-geschützten HBM-2-Speicher verbunden. Die vier Speicherstapel befinden sich sehr nah an der GPU, um Signalwege zu reduzieren und folglich die Transferrate zu maximieren. Sie liegt beim Tesla P100 bei 720 GByte pro Sekunde.

GV100

Volta ist vor allem auf Berechnungen im Bereich der künstlichen Intelligenz beziehungsweise des Deep Learnings zugeschnitten. Die unter der Bezeichnung „GV100“ laufende GPU besteht aus 21,1 Milliarden Transistoren und enthält 5376 Shader-Rechenkerne auf einer Chipfläche von 815 mm². Nvidia fertigt die GV100-GPU beim taiwanischen Auftragsfertiger TSMC im 12-Nanometer-FFN-Verfahren.

In der Tesla V100 aktiviert Nvidia jedoch nur 80 der 84 Shader-Cluster, um die Chipausbeute zu erhöhen. Dadurch stehen 5120 Shader-Rechenkerne für FP32 zur Verfügung. Die GV100-GPU erlaubt Berechnungen einfacher Genauigkeit mit bis zu 15 TFlops (30 TFlops bei FP16) durchzuführen, die 2560 Double-Precision Einheiten schaffen theoretisch 7,5 FP64-TFlops. Mit der PCIe-Karte erreicht Volta im Vergleich zur SXM2-Variante eine etwas geringere theoretische Rechenleistung von 14 bzw. 7 TFlops (aufgrund der etwas niedrigeren Taktfrequenz – 1370 statt 1455 MHz). Zudem enthält Volta 640 Deep-Learning-Spezialeinheiten. Von diesen sogenannten Tensor Cores sind in jedem Streaming-Multiprozessor acht Tensor Cores enthalten. Sie erreichen sowohl beim Training als auch beim Inferencing von neuronalen Netzwerken eine Rechenleistung von bis zu 120 TFlops. Allerdings sind sie nur eingeschränkt programmierbar.

Beim Speicher wird HBM-2 Speicher (High Bandwidth Memory 2) verwendet, der auf der Tesla V100 900 GByte/s erreicht. Wie beim Vorgänger Tesla P100 bleibt die Speichergröße bei 16 GB. Theoretisch sei ein Speicherausbau auf 32 GByte möglich. Voltas L1-Cache zeigt im Vergleich zum Pascal-Chip der Tesla P100 eine um den Faktor 4 geringere Latenz und erreicht einen Durchsatz von zirka 14 Terabyte/s.

TU104

Die neue Turing-Karte T4 der Tesla Serie ist im PCIe-3.0 Leistungslimit von 75 Watt und damit ideal für Server.