[Maj] Architecture NVIDIA Blackwell : Geforce RTX 50, une révolution gaming

L’architecture Blackwell de NVIDIA marque une évolution cruciale pour les GPU grand public avec la prochaine génération Geforce RTX 50-Series. Grâce à un processus de fabrication TSMC 4NP optimisé et à l’intégration de la mémoire GDDR7, NVIDIA promet des performances jamais vues, que ce soit pour le Ray Tracing, l’IA ou le gaming en 4K Ultra. Succédant à Ada Lovelace, cette nouvelle architecture promet des améliorations en performance et en efficacité énergétique.

Cet article explore en détail les caractéristiques de l’architecture NVIDIA Blackwell sous l’angle du gaming et met en lumière les raisons pour lesquelles Blackwell s’imposera comme la référence incontournable en 2025.

Les fondements de l’architecture RTX Blackwell

L’architecture RTX Blackwell s’appuie sur un héritage technologique impressionnant. Avec Turing, NVIDIA a introduit les cœurs RT pour le ray tracing en temps réel et les cœurs Tensor pour l’accélération des calculs d’IA, ainsi que la technologie DLSS (Deep Learning Super Sampling). Ampere a ensuite amélioré ces cœurs, introduit la mémoire GDDR6X et offert des gains de performance spectaculaires. Enfin, Ada a marqué un tournant en rendant le ray tracing et le rendu neural accessibles au grand public, grâce à des fonctionnalités comme la génération de frames DLSS et la reconstruction de rayons.

Avec Blackwell, NVIDIA vise à atteindre de nouveaux sommets en matière de performance, de fidélité visuelle et de réduction de la latence. Cette architecture est conçue pour répondre aux besoins des jeux modernes, des applications professionnelles exigeantes et des workflows d’IA de pointe.

TSMC 4NP : Un choix stratégique pour l’Architecture NVIDIA Blackwell

NVIDIA s’appuie sur le nœud TSMC 4NP, une version optimisée du N4, pour maximiser les performances tout en maîtrisant les coûts et la consommation énergétique. Conçu pour offrir des performances supérieures, le N4P propose une amélioration de 11 % par rapport au N5, une efficacité énergétique accrue de 22 %, et une densité de transistors augmentée de 6 %.

Ce procédé simplifie également la fabrication en réduisant le nombre de masques requis, ce qui permet d’accélérer les délais de production. Les premiers produits utilisant le N4P sont disponibles depuis la fin de l’année 2022, notamment la gamme RTX 40, qui repose sur la même finesse de gravure.

À noter qu’AMD prévoit également d’utiliser le N4 pour sa prochaine génération RDNA 4, tandis qu’Intel utilise déjà le TSMC N5 pour ses GPU. Ce choix n’est donc pas un retard mais une stratégie optimisée pour le marché gaming.

L’Architecture Blackwell : Défis, Nouveautés et Optimisations

Les GPU Blackwell : du RTX 5090 au RTX 5070

Au sommet de la gamme Blackwell, le GB202 est le processeur graphique phare de la GeForce RTX 5090. Les modèles inférieurs, comme la RTX 5080 et la RTX 5070, reposent respectivement sur les GPU GB203 et GB205, chacun adapté à un segment spécifique du marché.

Le GB202 est une véritable bête de puissance avec :

• 12 Graphics Processing Clusters (GPCs)
• 96 Texture Processing Clusters (TPCs)
• 192 Streaming Multiprocessors (SMs)
• 24576 cœurs CUDA
• 192 cœurs RT dédiés au Ray Tracing
• 768 cœurs Tensor pour les calculs IA
• 128 Mo de cache L2 (96 Mo sur la RTX 5090)
• Un bus mémoire 512-bit

Grâce à ces spécifications, la RTX 5090 bénéficie d’une amélioration significative des performances, notamment en Ray Tracing et Path Tracing, en exploitant un cache rapide et des algorithmes de rendu optimisés.

L’optimisation du Streaming Multiprocessor (SM)

Le cœur de l’architecture NVIDIA repose sur le Streaming Multiprocessor (SM), qui gère le traitement parallèle des données. Chaque SM du GB202 comprend :

• 128 cœurs CUDA
• 1 RT Core de quatrième génération
• 4 Tensor Cores de cinquième génération
• 4 unités de texture
• 128 Ko de mémoire L1 partagée
• 256 Ko de registres

Une avancée majeure de Blackwell réside dans l’unification complète des unités INT32 et FP32, doublant ainsi la capacité des opérations en nombres entiers tout en optimisant le calcul et le graphisme.

Le moteur GigaThread reste le principal mécanisme d’allocation des charges graphiques. Cependant, une nouveauté s’ajoute : l’AI Management Processor (AMP), un processeur dédié à la gestion des ressources d’accélération IA du GPU.

Les composants globaux du GB202

En plus des unités de calcul, Blackwell embarque plusieurs moteurs spécialisés :

• Un processeur de flux optique, utilisé pour la génération de frames DLSS et l’encodage vidéo.
• Un moteur d’accélération multimédia, comprenant quatre accélérateurs NVENC (encodage) et quatre unités NVDEC (décodage). La 9e génération d’encodeurs NVENC prend en charge l’AV1 et le HEVC en 4:2:2.
• Un cache L2 massif de 128 Mo, bien que la RTX 5090 exploite uniquement 96 Mo.

À noter que, sur la RTX 5090, seuls trois des quatre encodeurs NVENC et deux des quatre décodeurs NVDEC sont activés.

Le rôle central des Graphics Processing Clusters (GPCs)

Chaque GPC constitue une unité de traitement graphique complète, regroupant les éléments clés du rendu. Sur le GB202, un GPC comprend :

• 16 Streaming Multiprocessors (SMs) répartis sur 8 Texture Processing Clusters (TPCs)
• Un moteur de rastérisation avec 16 unités ROP

Dans chaque SM, on retrouve 128 cœurs CUDA, organisés en quatre sous-groupes, chacun disposant de :

• Un fichier de registres
• Un cache d’instructions de niveau 0
• Un ordonnanceur de warp
• Deux ensembles d’unités de chargement-stockage
• Une unité de fonction spéciale (SFU), dédiée aux calculs complexes (trigonométrie, exponentielles, logarithmes, inverses, racines carrées)
• Un cache L1 de 128 Ko et quatre unités TMU

Enfin, les composants les plus avancés de l’architecture Blackwell résident dans :

• Les quatre cœurs Tensor de 5e génération, optimisés pour l’intelligence artificielle
• Le RT Core de 4e génération, dédié au Ray Tracing avancé

Le défi du rendu photoréaliste et l’émergence du rendu neuronal  »Neural Rendering »

Le principal défi sur la voie du rendu photoréaliste réside dans le ralentissement de la loi de Moore, qui prévoyait un doublement de la puissance de calcul tous les deux ans. Ce ralentissement récent souligne la nécessité de développer de nouvelles techniques pour franchir un cap en matière de réalisme. Parmi ces innovations, le rendu neuronal ou Neural Rendering pourrait bien être la clé.

Les technologies de rendu neuronal, telles que le DLSS (Deep Learning Super Sampling), ont accompli des progrès significatifs en améliorant la qualité des images tout en réduisant la charge de calcul. Ces avancées permettent de produire des visuels de haute qualité avec une fraction des ressources habituellement nécessaires.

Objectifs stratégiques de Blackwell

Pour optimiser Blackwell en vue du rendu neuronal, plusieurs objectifs stratégiques ont été définis : 

Optimisation pour les réseaux neuronaux : Blackwell est conçu pour exceller avec les algorithmes de réseaux neuronaux, réduisant l’empreinte mémoire afin de gérer davantage de tâches simultanément et d’améliorer les performances globales. 

Qualité de service : Avec des charges de travail modernes fonctionnant de manière asynchrone (comme les simulations physiques, les tâches d’IA et le rendu), il est essentiel de garantir des performances élevées sur tous ces fronts. L’architecture de Blackwell assure un équilibre et une gestion efficace de ces processus. 

Efficacité énergétique : Alors que la consommation d’énergie devient un facteur de plus en plus critique, Blackwell a été conçu pour maximiser l’efficacité énergétique, le rendant adapté aussi bien aux ordinateurs de bureau hautes performances qu’aux ordinateurs portables sensibles à la consommation. 

Architecture Blackwell et composants clés

TENSOR CORES Gen5 & RT CORE Gen4

Cinquième génération de cœurs tenseurs (TENSOR CORES) :

Les nouveaux cœurs tenseurs sont optimisés pour le rendu neuronal et sont dotés d’un format à grande vitesse, INT4, qui augmente considérablement le débit tout en réduisant de moitié les besoins en mémoire.

Quatrième génération de cœurs RT (RT CORE) :

Les nouveaux cœurs RT se concentrent sur le traitement plus efficace des méga géométries. Ces cœurs peuvent désormais traiter des scènes plus vastes et plus complexes, avec de meilleures performances en géométrie standard et avancée.

Processeur de gestion de l’IA (AMP) :

Ce processeur permet de planifier les tâches d’IA en même temps que le rendu graphique, ce qui garantit un fonctionnement fluide et performant pour les charges de travail complexes.

Multiprocesseurs de shaders (SM) améliorés :

Le SM Blackwell a été optimisé pour les shaders neuronaux, offrant deux fois plus de bande passante et un meilleur débit pour traiter les tâches complexes, en particulier celles impliquant l’apprentissage profond et l’ombrage neuronal.

Mémoire GDDR7 : Un bond en bande passante

Les RTX 50-Series exploitent la mémoire GDDR7, capable d’atteindre jusqu’à 36 Gbps, contre 21 Gbps pour la GDDR6X. Cela représente un bond de 50 à 80 % en bande passante, essentiel pour les jeux gourmands en 4K et les applications IA.

La mémoire GDDR7 utilise la signalisation PAM3, qui augmente l’immunité au bruit et permet d’atteindre des fréquences plus élevées avec une consommation d’énergie plus faible. Cela se traduit par une plus grande largeur de bande et une meilleure efficacité énergétique, ce qui permet de relever deux défis majeurs dans le domaine du graphisme de haute performance.

Exemple : La RTX 5090 pourra intégrer 32 Go de mémoire sur une interface 512 bits, offrant des performances exceptionnelles en multitâche.

Améliorations des performances

Le Blackwell SM double la bande passante et le débit de l’INT32 en donnant à tous les cœurs de shaders la possibilité d’exécuter soit l’INT32, soit le FP32, contrairement à Ada, qui ne prenait en charge que la moitié des cœurs. Ils ont également rendu les Tensor Cores accessibles à partir des shaders, en utilisant la nouvelle API DirectX Cooperative Vectors.

La réorganisation de l’exécution des nuanceurs (SER), qui consiste essentiellement à générer du travail pour d’autres nuanceurs, a été améliorée par un facteur de deux, ce qui profite également aux graphes de travail.

Comme mentionné précedemment, l’une des caractéristiques les plus remarquables de l’architecture Blackwell est l’intégration de la mémoire GDDR7, qui établit une nouvelle norme dans l’industrie. Développée par plusieurs fournisseurs, la mémoire GDDR7 offre des améliorations significatives par rapport à son prédécesseur, la GDDR6. Elle est non seulement deux fois plus rapide que la GDDR6, mais elle consomme également deux fois moins d’énergie par bit de données transféré.

Le changement le plus important concerne la technologie de signalisation. La GDDR6X utilise la signalisation PAM4, qui repose sur quatre niveaux de logique pour échantillonner l’horloge. Cette conception permet une certaine largeur de « l’œil des données », qui se réfère au niveau d’immunité au bruit dans le signal. Plus l’œil des données est large, plus les données peuvent être transférées rapidement et proprement.

La GDDR7 passe à la signalisation PAM3, qui utilise trois niveaux de logique au lieu de quatre. Ce changement se traduit par un œil de données plus grand, ce qui permet d’obtenir des fréquences plus élevées et de meilleures performances. PAM3 peut fonctionner à une vitesse plus élevée que PAM4, ce qui signifie qu’il transmettra plus de données par seconde, bien qu’il transfère moins de données par cycle d’horloge.

Technologies de ray tracing avancées

Le Ray tracing (RT) a connu des améliorations majeures avec les cœurs RT de quatrième génération de Blackwell. Ces cœurs comprennent un moteur d’intersection de grappes de triangles conçu spécifiquement pour traiter la méga géométrie. L’intégration d’un format de compression de grappes de triangles et d’un moteur de décompression sans perte permet un traitement plus efficace des géométries complexes.

NVIDIA a souligné que ces améliorations entraînent une augmentation significative des performances, le débit des triangles étant doublé par rapport aux générations précédentes. Cette avancée permet de rendre des scènes beaucoup plus complexes, les calculs de ray tracing devenant beaucoup plus efficaces.

Les Tensor Cores de Blackwell prennent en charge les formats INT4 et FP4, ce qui signifie que les opérations RT peuvent être exécutées dans ces formats de données plus petites et de moindre précision, ce qui leur permet non seulement de fonctionner deux fois plus vite, mais aussi d’utiliser la moitié de la mémoire. L’inconvénient est qu’une certaine précision est perdue, ce qui n’est probablement pas très important pour les graphiques interactifs en temps réel dans les jeux.

Gestion de l’IA et ordonnancement

L’intégration de modèles d’IA dans les jeux présente de nouveaux défis pour maintenir une expérience fluide et réactive. L’ordonnancement devient critique car le rendu du jeu et les tâches de l’IA, comme les grands modèles de langage (LLM) pour les avatars numériques, sont en concurrence pour les ressources. Les retards dans les réponses de l’IA, connus sous le nom de « délai avant la première réponse », peuvent rompre l’immersion, tandis que les interruptions dans le rythme des images du jeu peuvent provoquer des bégaiements.

Pour y remédier, le processeur de gestion de l’IA (AMP) a été introduit en tant que solution programmable. Placé à l’avant du GPU, l’AMP gère avec précision la planification des tâches, en veillant à ce que les processus d’IA, tels que la génération de dialogues, n’interfèrent pas avec le rendu du jeu, optimisant ainsi la fluidité et la réactivité pour une expérience utilisateur transparente.

 Efficacité énergétique et technologies Max Q

La philosophie Max Q de NVIDIA se concentre sur deux objectifs principaux : maximiser les performances dans le cadre d’un budget énergétique défini et gérer efficacement l’énergie pendant les périodes d’inactivité. En affinant ces technologies à chaque génération, NVIDIA continue de repousser les limites de l’efficacité.

Une avancée notable est le développement de DLSS 4, une technologie de rendu neuronal qui non seulement accélère les processus de rendu traditionnels mais améliore également l’efficacité énergétique. En co-concevant le matériel spécifiquement pour DLSS 4, NVIDIA a pu réaliser des économies d’énergie significatives, avec des exemples tels que la GDDR7 qui offre une efficacité deux fois supérieure à celle de la GDDR6.

De plus, les GPU Blackwell vont encore plus loin dans la gestion de l’énergie. Grâce à un ajustement amélioré de la fréquence – plus de mille fois plus rapide que les générations précédentes – et à l’implémentation d’états d’alimentation plus profonds, NVIDIA parvient à une gestion précise de l’énergie. Cela signifie que les GPU peuvent entrer et sortir des états d’économie d’énergie presque instantanément, réduisant ainsi la consommation d’énergie globale.

Stratégies d’économie d’énergie

L’approche de NVIDIA en matière d’économie d’énergie s’appuie sur une stratégie à plusieurs niveaux. Au lieu de s’appuyer sur un seul état d’économie d’énergie, les GPU entrent progressivement dans des états d’économie d’énergie de plus en plus profonds en fonction des besoins. Cette méthode garantit une utilisation efficace de l’énergie sans compromettre les performances. Par exemple, pendant les périodes d’inactivité, les GPU peuvent rapidement basculer entre les états de clock gating et de power gating, en arrêtant certaines parties de la puce pour économiser de l’énergie tout en restant réactifs en cas de besoin.

En outre, Blackwell dispose d’un second rail de tension, permettant aux systèmes de cœur et de mémoire de fonctionner à des tensions différentes pour des charges de travail distinctes. Cette séparation permet d’obtenir de meilleures performances dans un budget énergétique donné tout en réduisant de 15 fois le temps nécessaire au rail gate du cœur, optimisant ainsi la durée de vie de la batterie pour les ordinateurs portables de jeu.

Commutation de fréquence

Un aspect innovant de la technologie de NVIDIA est la commutation de fréquence accélérée. En ajustant dynamiquement les fréquences en temps réel, les GPU peuvent s’adapter efficacement aux différentes charges de travail. Par exemple, lors de tâches légères comme les simulations physiques, le GPU peut augmenter les performances, tandis que lors de charges de travail lourdes impliquant plusieurs cœurs actifs, les fréquences peuvent être ajustées pour maintenir l’équilibre et économiser de l’énergie.

Cette technologie permet aux GPU NVIDIA d’obtenir de meilleures performances sans sacrifier l’efficacité énergétique, créant ainsi un équilibre entre les performances et la consommation d’énergie.

Améliorations de l’affichage et du traitement vidéo

L’une des mises à jour les plus remarquables est la prise en charge de DisplayPort 2.1. Cette nouvelle fonctionnalité permet aux utilisateurs de profiter de taux de rafraîchissement élevés sur des écrans plus grands avec un seul câble, ce qui améliore considérablement l’expérience visuelle globale. DisplayPort 2.1 offre une bande passante plus large, permettant des affichages plus fluides et plus réactifs, ce qui est essentiel pour les jeux, la création de contenu et d’autres tâches de haute performance.

Une autre caractéristique remarquable est le flip metering matériel à grande vitesse. Cette technologie est particulièrement importante pour DLSS 4 (Deep Learning Super Sampling), une technologie pilotée par l’IA conçue pour améliorer la qualité de l’image et les taux de rafraîchissement. Le flip metering matériel à haute vitesse optimise le rythme de transmission des images, garantissant une expérience plus efficace et plus fluide dans les jeux et les applications qui utilisent DLSS 4. Cela permet de maintenir des performances constantes, même dans des conditions exigeantes.

Du côté des encodeurs et des décodeurs, l’architecture Blackwell apporte plusieurs améliorations visant à renforcer l’efficacité de l’encodage et du décodage vidéo. La société a notamment ajouté la prise en charge de l’AV1 Ultra High Quality, qui améliore la fidélité visuelle des flux vidéo. L’architecture double également le débit du décodage H.264, une norme de compression vidéo très répandue, ce qui permet un traitement plus rapide et plus efficace. En outre, Blackwell prend désormais en charge l’AQBC (Adaptive Quality-Based Compression) multi-vues et l’encodage et le décodage 4:2:2, un format clé pour les créateurs de vidéos, garantissant un contenu vidéo de meilleure qualité tout en conservant des tailles de fichiers gérables.

Comparatif des Cartes RTX 50-Series basées sur Blackwell

Focus sur les Modèles Clés issus de l’Architecture Blackwell

NVIDIA GeForce RTX 5090 : Le Monstre de Puissance

• GPU GB202 : 21760 shaders, 680 TMUs, 192 ROPs.
• Mémoire : 32 Go GDDR7, bande passante révolutionnaire.
• TDP : 500 W pour des performances exceptionnelles en 4K Ray Tracing Ultra.

NVIDIA GeForce RTX 5080 et 5070 Ti : Performances Premium

Ces modèles exploitent le GPU GB203, avec des gains de performance considérables pour le 1440p Ultra et le 4K tout en restant plus accessibles que la 5090.

Découvrez dans notre test complet si la RTX 5080 TUF Gaming tient ses promesses en matière de performances

NVIDIA GeForce RTX 5060 Ti, 5060 et 5050 : Des cartes graphiques accessibles avant tout

La GeForce RTX 5060 Ti et la RTX 5060 (GB206) se positionnent comme des solutions équilibrées, alliant performances solides et prix attractif. Elles sont disponibles en versions 8 Go et 16 Go de GDDR7, offrant ainsi une flexibilité selon les besoins des utilisateurs.

De son côté, la GeForce RTX 5050 (GB207) constitue une alternative encore plus abordable, avec 8 Go de GDDR6, garantissant une bonne expérience pour les configurations les plus accessibles.

Reposant sur l’architecture GB206, la RTX 5060 Ti est conçue pour les systèmes d’entrée de gamme. Avec un TDP réduit à 170 W, elle allie efficacité énergétique et compatibilité avec les technologies de pointe, notamment le Ray Tracing et…

Ces cartes ciblent les configurations d’entrée de gamme avec un TDP réduit , tout en offrant les avantages du Ray Tracing et de DLSS 4.0.

Performances Gaming : Un Saut Technologique

Les premières estimations indiquent un doublement des performances en Ray Tracing et IA par rapport à la série RTX 40. Le combo Ray Tracing 4ème génération et GDDR7 fait des RTX 50-Series des cartes parfaitement adaptées pour le 4K ultra fluide.

Impact sur le Marché et la Concurrence

• NVIDIA domine grâce à Blackwell et son focus sur l’efficacité du TSMC 4NP.
• AMD reste compétitif grâce à son N4, mais il faudra attendre le lancement de sa nouvelle gamme RX 8000 pour voir si un modèle phare sera capable de rivaliser avec le RTX 5090. Par ailleurs, le véritable défi sera de proposer une technologie équivalente au DLSS.
• Intel pourrait bousculer le marché avec des alternatives optimisées sur TSMC N5.

Conclusion

L’architecture Blackwell dote NVIDIA d’un avantage stratégique face à ses concurrents. Avec des innovations comme le rendu neuronal optimisé, l’efficacité énergétique accrue et les nouveaux standards mémoire, cette génération de GPU répond aux besoins croissants des utilisateurs tout en anticipant les futures exigences technologiques.

Blackwell s’impose comme une référence incontournable pour les amateurs de performances et d’innovation.