СОДЕРЖАНИЕ
- Часть 1 — Теория и архитектура
- Часть 2 — Практическое знакомство
- Особенности видеокарт
- Конфигурация стенда, список тестовых инструментов
- Результаты синтетических тестов
- Результаты игровых тестов (производительность)
Нежданно-негаданно… Nvidia вдруг нанесла потрясающий контрудар в области самых мощных 3D-решений игрового класса. И эта же область является предметом престижа и популярности того или иного производителя графических процессоров. Впрочем, это все же не было столь нежданна-негаданно. Слухи о том, что Nvidia намеревается заменить GTX 480 на что-то более производительное, ходили давно. Компания не может смириться с тем, что все же двухпроцессорный гигант от AMD Radeon HD 5970 является самым быстрым игровым ускорителем. Были слухи и о выпуске двупроцессорной карты на базе двух GTX 460, и о том, что GTX 480 вернут в исходное состояние, то бишь не станут больше урезать процессры и иные блоки, да и поднимут частоты. Последняя информация как раз и оказалась ближе всего к истине.
Действительно, GTX 580 олицетворяет собой уже полноценно реализованную архитектуру Fermi, о которой мы уже рассказывали, включая 512 процессоров CUDA (или же потоковых процессоров — кому как нравится). В GTX 480 они были урезаны до 480, как и были урезаны иные блоки. Впрочем, чего вперед забегать, предоставляем слово Алексею Берилло, который традиционно уже расскажет обо всех нюансах нового графического процессора.
Часть 1: Теория и архитектура
Не дожидаясь выхода на рынок новых топовых решений конкурента, компания Nvidia решила нанести упреждающий удар, выпустив переработанный GPU на основе улучшенной архитектуры Fermi. Очень похоже, что новый GPU был практически готов к выпуску уже какое-то время, а Nvidia просто выжидала удобный момент для его анонса. Ведь быстрейшая одночиповая видеокарта и так у Nvidia, и конкурировать со своими же решениями нет никакого смысла.
Но когда стало понятно, что AMD вскоре выпустит более мощный GPU, чем их предыдущий топ, то и резона придерживать GF110 (а именно такое кодовое имя получил новый чип) не осталось, нужно было показать свою силу, да и планы конкурента слегка нарушить. И вот сегодня, спустя более чем полгода после выхода на рынок Geforce GTX 480, основанном на графическом процессоре GF100, первом из семейства Fermi, выходит новое решение компании — Geforce GTX 580.
Nvidia называет Geforce GTX 580 «быстрейшим DX11-решением», и так оно и есть на самом деле, если говорить об одночиповых видеокартах, так как двухчиповый конкурент Radeon HD 5970 всё же иногда будет опережать GTX 580 даже в играх DirectX 11.
Итак, Geforce GTX 580 — это продолжатель дела GTX 480, только более производительный и эффективный, обладающий меньшим энергопотреблением и менее шумным кулером. Новый GPU был спроектирован с упором на большую энергоэффективность, и все архитектурные изменения направлены на повышение производительности при меньшем потреблении. Хотя назвать чип ревизией GF100 нельзя, так как в GF110 есть и некоторые аппаратные изменения.
Основные отличия нового графического процессора заключаются в том, что он имеет большее количество активных (включенных при производстве) исполнительных блоков, таких как потоковые процессоры и блоки тесселяции, а также — в увеличенных тактовых частотах GPU при меньшем энергопотреблении и менее шумном кулере.
Но не обошлось и без небольших архитектурных изменений, связанных с текстурированием и алгоритмами отбрасывания невидимых поверхностей z-cull, повышающими производительность нового GPU, даже при равной с GF100 частоте. В целом, новый чип можно назвать изданием вторым, исправленным и дополненным. «Правильным» топовым Fermi, со всеми рабочими исполнительными блоками.
Каким образом Nvidia смогла довольно серьёзно улучшить свой топовый продукт? Во-первых, к осени текущего года производство по 40-нанометровому техпроцессу у TSMC уже более-менее наладилось, и проблем с выходом годных чипов, способных к работе на высокой частоте, стало меньше. Во-вторых, весьма серьёзно повлияла и полная переработка нового GPU с целью оптимизации энергопотребления и возможности работы на более высоких частотах, с чем были некоторые проблемы у GF100.
Теоретическая часть статьи по описанию архитектуры снова не будет большой, так как GF110 (GTX 580) во многом повторяет GF100 (GTX 470 и GTX 480), а некоторые архитектурные модификации напоминают GF104 (GTX 460), и отличия наблюдаются лишь количественные. А уж большинство технических данных вычислительной архитектуры «Fermi» было раскрыто нами ещё в январе. И перед прочтением этого материала, полезно убедиться в том, что специальный обзор архитектуры GF100 и обзор Geforce GTX 470 и GTX 480 были внимательнейше прочитаны.
Также небесполезно будет ознакомиться и с остальными материалами по архитектурам компании Nvidia, начиная с Geforce 8800 GTX:
- [12.07.10] Nvidia Geforce GTX 460: распространение новой архитектуры GF1xx на средний ценовой диапазон
- [27.03.10] Nvidia Geforce GTX 480 — архитектура нового графического процессора изнутри; как реализована поддержка DirectX 11
- [17.06.08] Nvidia Geforce GTX 280 — 240 калифорнийских стрелков: смогут ли одолеть предыдущее войско в виде 9800 GX2?
- [29.10.07] Nvidia Geforce 8800 GT (G92) — уже 112 быстрых калифорнийских стрелков…
- [08.11.06] Nvidia Geforce 8800 GTX (G80) — новый монстр в 3D-графике и первый DX10-ускоритель
Итак, со всеми архитектурами видеочипов Nvidia читатели уже хорошо знакомы, поэтому рассмотрим подробные характеристики нового графического процессора этой компании и новой модели видеокарт Geforce GTX 580, основанной на GF110.
Графический ускоритель серии Geforce GTX 580
- Кодовое имя чипа GF110;
- Технология производства 40 нм;
- Около 3 миллиардов транзисторов (примерно столько же, что и у GF100);
- Унифицированная архитектура с массивом процессоров для потоковой обработки различных видов данных: вершин, пикселей и др.;
- Аппаратная поддержка DirectX 11 API, в том числе шейдерной модели Shader Model 5.0, геометрических (geometry) и вычислительных (compute) шейдеров, а также тесселяции;
- 384-битная шина памяти, шесть независимых контроллеров шириной по 64 бита каждый, с поддержкой памяти GDDR5;
- Частота ядра 772 МГц;
- Удвоенная частота ALU 1544 МГц;
- 16 потоковых мультипроцессоров, включающих 512 скалярных ALU для расчётов с плавающей точкой (поддержка вычислений в целочисленном формате, с плавающей запятой, с FP32- и FP64-точностью в рамках стандарта IEEE 754-2008);
- 64 блока текстурной адресации и фильтрации с поддержкой FP16- и FP32-компонент в текстурах и поддержкой трилинейной и анизотропной фильтрации для всех текстурных форматов;
- 6 широких блоков ROP (48 пикселей) с поддержкой режимов антиалиасинга до 32 выборок на пиксель, в том числе при FP16- или FP32-формате буфера кадра. Каждый блок состоит из массива конфигурируемых ALU и отвечает за генерацию и сравнение Z, MSAA, блендинг;
- Запись результатов до 8 буферов кадра одновременно (MRT);
- Интегрированная поддержка RAMDAC, двух портов Dual Link DVI, а также HDMI и DisplayPort.
Спецификации референсной видеокарты Geforce GTX 580
- Частота ядра 772 МГц;
- Частота универсальных процессоров 1544 МГц;
- Количество универсальных процессоров 512;
- Количество текстурных блоков — 64, блоков блендинга — 48;
- Эффективная частота памяти 4008 (1002×4) МГц;
- Тип памяти GDDR5, 384-битная шина памяти;
- Объем памяти 1536 МБ;
- Пропускная способность памяти 192,4 ГБ/с;
- Теоретическая максимальная скорость закраски 37,1 гигапикселей в секунду;
- Теоретическая скорость выборки текстур 49,4 гигатекселей в секунду;
- Два разъема Dual Link DVI-I, один Mini HDMI, поддерживается вывод в разрешениях до 2560×1600;
- Двойной SLI-разъем;
- Шина PCI Express 2.0;
- Поддержка HDCP, HDMI, DisplayPort;
- Энергопотребление до 244 Вт (один 6-штырьковый и один 8-штырьковый разъёмы);
- Двухслотовое исполнение;
- Рекомендуемая цена для американского рынка $499 (для России — 17999 руб).
Новый графический процессор GF110 и видеокарта Geforce GTX 580 на его основе призваны со временем полностью заместить GTX 480 на базе GF100. Новый GPU также выполнен по 40-нанометровым технологическим нормам, как и предшествующий топовый видеочип. Ранние слухи присваивают ему наименование GF100B, что из-за немногочисленных модификаций вполне похоже на правду, но всё же чипу дали новый индекс — GF110.
Принцип наименования видеокарт Nvidia вроде бы не изменился, но свежему топу зачем-то дали цифру нового поколения — GTX 580. Другими словами, судя по индексу, это должна быть тоже топовая карта, но уже нового поколения. Хотя, на наш взгляд, намного логичнее было бы название GTX 485 (по аналогии с GTX 285), ведь в GF110 нет никаких радикальных архитектурных изменений. Хотя это действительно полностью переработанный чип, но по сравнению с GF100 функциональных изменений в нём явно недостаточно для отнесения к новому поколению. Впрочем, наименование видеокарт — всегда штука маркетинговая, на реальные технические характеристики не влияющая.
На основе чипа GF110 пока что выпущена только одна модель видеокарты — Geforce GTX 580, которая в будущем должна вытеснить GTX 480. Ожидаемой многими GTX 570 пока что не анонсировано, но оно и понятно — ведь нужно распродавать ещё и остатки GTX 470 и GTX 480. Предположительная рыночная цена новой модели видеокарты для североамериканских магазинов равна $499 (без учёта налогов), что является вполне предсказуемой и логичной цифрой.
Как и её предшественница GTX 480, новая модель имеет 384-битную шину памяти и соответствующий объём видеопамяти, равный 1536 МБ. Значение это единственно возможное, по сути, так как 768 МБ — это слишком мало, а 3 ГБ — уже чересчур много. Даже с учётом того, что от конкурентов ожидается выход топовой модели с 2 ГБ памяти, смысла в 3-гигабайтном варианте будет не очень много, так как полутора гигабайт должно хватать во всех режимах, и повышенная себестоимость 3 ГБ быстрой памяти просто не будет оправдана.
Архитектура графического процессора GF110
Для увеличения эффективности GPU в терминах отношения производительности и потребления, чип GF110 был полностью переработан инженерами. Каждый блок GPU был модифицирован в той или иной мере для того, чтобы снизить утечки и оптимизировать чип целиком. Естественно, что Nvidia не будет называть конкретных изменений, но в компании утверждают, что большая часть транзисторов данного GPU подверглась переработке.
В GF110 используются точно такие же потоковые мультипроцессоры (Streaming Multiprocessor) с тем же количеством вычислительных ядер (CUDA cores) в каждом, что и в GF100. Архитектурно новый чип, используемый в Geforce GTX 580, не очень сильно отличается от GF100, на котором основана модель GTX 480. Этот новый GPU использует ровно ту же конфигурацию мультипроцессоров, что и GF100, он состоит из кластеров графической обработки (Graphics Processing Clusters), каждый из которых содержит несколько потоковых мультипроцессоров (Streaming Multiprocessors), которые, в свою очередь, имеют в своём составе по несколько потоковых процессоров.
GF110 содержит четыре кластера GPC, шестнадцать мультипроцессоров SM и шесть 64-битных контроллеров памяти, соединённых с кэш-памятью второго уровня и имеющих по восемь блоков ROP в каждом. Итого, в состав чипа входит 512 потоковых процессоров, собранных в 16 мультипроцессоров по 32 штук в каждом. В отличие от GF100, в выпущенной на данный момент модели GTX 580 их количество не занижено искусственно, как это сделано в GTX 480, и все мультипроцессоры активны.
Подсистема памяти осталась без изменений. Каждый мультипроцессор в GF110 имеет 64 килобайта начиповой памяти, которая может быть сконфигурирована в двух разных вариантах: 48 килобайт общей памяти и 16 килобайт кэш-памяти L1 или наоборот — 16 КБ общей памяти и 48 КБ кэша. Кроме этого, GF110 имеет 768 КБ унифицированной кэш-памяти второго уровня, которая обслуживает все запросы по загрузке и сохранению данных, а также текстурные выборки.
Но есть в GF110 и небольшие архитектурные изменения. Изначально в интернете появились слухи о том, что в GF110 будет удвоено количество текстурных модулей, но это не соответствует истине — в чипе их ровно столько же (64 TMU). Но есть один показатель производительности, связанный с обработкой текстур, который действительно вырос вдвое. И те читатели, которые следили за модификациями архитектуры Fermi в GF104, вероятно уже догадались, о чём пойдёт речь. Как и предшествующий чип среднего ценового диапазона, GF110 умеет обрабатывать (включая билинейную фильтрацию) текстурные данные всех форматов вплоть до FP16 на полной скорости, без потери тактов.
Напомним, что GF100 не умеет этого, и теоретический темп по обработке FP16-текстур, часто используемых в современных 3D-играх, у первого Fermi чипа вдвое ниже, чем у GF104 и GF110. Это архитектурное улучшение способно помочь увеличить производительность рендеринга во многих приложениях, использующих подобные внеэкранные буферы (например, для HDR-рендеринга). Данная модификация объясняет и ранние слухи о 128 TMU в GF110. Видимо, удвоенную скорость обработки данных FP16 кто-то принял за удвоенное количество текстурных модулей.
Но это ещё не всё, есть и второе архитектурное отличие GF110 от GF100, хотя и несколько меньшее по значению и влиянию — в новом GPU была увеличена эффективность алгоритма z-cull, для чего были введены новые форматы тайлов. Это изменение может помочь увеличить производительность в некоторых случаях, и мы проверим это в синтетических тестах.
В целом, одни только архитектурные изменения в GF110 привели к росту производительности рендеринга примерно на 5—10%, согласно внутренним тестам компании Nvidia, а в некоторых приложениях (DiRT 2, 3DMark Vantage) — до 15%.
Нельзя не отметить и увеличение количества активных исполнительных блоков по сравнению с GF100, к тому же — работающих на более высокой частоте при меньшем потреблении энергии! Это добавляет ещё 10—15% производительности, и в итоге у GTX 580 получается средний прирост производительности рендеринга в реальных приложениях около 20%, по отношению к GTX 480. Это очень неплохой итоговый результат с учётом малого количества архитектурных изменений. Впрочем, мы его ещё проверим в практических разделах нашего материала.
Тесселяция, тесселяция, тесселяция…
Как давно известно, одним из основных архитектурных преимуществ семейства Fermi, и нового топового решения Geforce GTX 580 в частности, является весьма высокая производительность тесселяции — пожалуй, самого важного нововведения DirectX 11. Архитектура распараллеленной обработки геометрии, применяемая во всех современных решениях Nvidia, очень эффективна при тесселяции с высокими уровнями разбиения примитивов, когда треугольников становится очень много. Это и понятно, ведь примитивы обрабатываются одновременно 16-ю движками PolyMorph, в отличие от одного (пусть и более мощного) блока у лучших чипов конкурента на данный момент.
Мы уже писали о том, что компания AMD критикует слишком мелкие треугольники в некоторых бенчмарках (Heaven, HAWX 2), считая тесселяцию такого уровня неэффективной. Это в какой-то мере верно, но лишь для предыдущих архитектур, в которых геометрический конвейер выполнен в традиционном стиле, с возможностью обработки лишь одного треугольника за такт.
В случае же архитектуры Fermi, и особенно — топовых чипов вроде GF110, такая тесселяция выполняется вполне эффективно, что мы и видим в соответствующих тестах производительности. Сетовать же на слишком мелкие треугольники вообще довольно странно, достаточно посмотреть на то, к чему стремится 3D-графика реального времени — на современные рендеренные мультфильмы, например. И уж там-то этих треугольников ещё на порядки больше.
Понятно, что для игр пока что такое качество недостижимо, но индустрия явно идёт в этом направлении. И весьма вероятно, что и GPU в следующем поколении игровых консолей будут обладать возможностями по обработке геометрии, близкими к тем, что умеет Fermi, и это — правильный путь, хотя он и может казаться несколько преждевременным. Но всегда кому-то приходится быть первым, и в случае с тесселяцией пионером, как ни странно (вспоминая многочисленные поколения тесселяторов у AMD), оказалась компания Nvidia.
Для демонстрации возможностей своих видеочипов Nvidia выпустила две специальные демопрограммы: Endless City и Alien vs. Triangles. Они отличаются прогрессивным использованием тесселяции с высоким уровнем разбиения и показывают всю геометрическую мощь решений компании. Так, в Endless City обрабатывается до 600 млн. треугольников в секунду!
В этой демке рендерится одна из наиболее сложных геометрических сцен из отрисовывающихся в реальном времени. Причём здания в этом городе процедурно генерируются на GPU, составляясь из набора заранее сконструированных объектов.
Тесселяция обеспечивает невиданную ранее детализацию на близких к камере объектах, а дальние объекты разбиваются на меньшее количество примитивов (адаптивная тесселяция). В демке используются трёхмерные карты смещения, в отличие от обычных карт высот, а для освещения сцены используется около 500000 источников света и применяется алгоритм имитации глобального освещения screen-space ambient occlusion.
Вторая демонстрационная программа с применением тесселяции называется Alien vs. Triangles. Тесселяция в ней используется для добавления геометрических деталей к фигуре инопланетного персонажа, для чего применяется сразу несколько различных карт смещений. Самая главная отличительная особенность демки заключается в использовании тесселяции для имитации реалистичных повреждений.
В демке используется сразу три различные карты смещения для персонажа (Normal, Spike и Fungus). Ещё четыре карты смещения используются в качестве карт повреждений, и при попадании в инопланетянина из бластера они процедурно модифицируются в реальном времени для имитации повреждений.
Но разве только в демонстрационных программах можно увидеть активное применение тесселяции? Кроме уже давно известных игр, вроде DiRT 2 и Metro 2033, можно отметить и недавно вышедшую демонстрационную версию игры HAWX 2, в которой также применяется довольно агрессивная тесселяция при рендеринге поверхности земли.
Как хорошо видно, применяется адаптивная тесселяция ландшафта. Причём средний размер треугольника, по данным Nvidia, в этой игре не превышает 18 пикселей. Это можно назвать средним значением и уж точно не слишком снижающим эффективность современных DX11-видеочипов. Будет интересно посмотреть на сравнение производительности различных решений в этом бенчмарке, когда (и если) мы введём его в свой набор тестов.
Остальные изменения
Нововведения в новой модели Geforce GTX 580 не ограничиваются лишь 3D-функциями чипа. Несмотря на то, что разница между указанным компанией Nvidia потреблением для GTX 480 и GTX 580 составляет лишь 6 Вт (250 и 244 Вт, соответственно), замеры в реальных условиях дают несколько большую цифру — 20—30 Вт разницы. В пользу GTX 580, естественно. Другими словами, при потенциальном увеличении производительности на 20% (это мы проверим в следующих разделах материала) GTX 580 потребляет энергии где-то на 10% меньше.
Пониженное энергопотребление и модифицированный кулер, работающий более эффективно, должны привести к снижению шума. Новая система охлаждения использует технологию испарительной камеры, известную по оригинальным системам охлаждения некоторых производителей. Медная испарительная камера отбирает тепло у GPU, которое затем рассеивается при помощи большого двухслотового радиатора. В конструкции применяется вентилятор цилиндрического типа, он засасывает прохладный воздух изнутри корпуса и выбрасывает нагретый наружу.
Что также немаловажно, заявлено применение вентилятора с уменьшенной вибрацией и шумом, а новые алгоритмы управления частотой вращения «смягчают» раскрутку вентилятора при работе GPU с большой нагрузкой. По измерениям самой Nvidia, новый кулер Geforce GTX 580 тише чем даже система охлаждения у GTX 285, не говоря уж про довольно шумную GTX 480.
Были внесены некоторые изменения и в систему мониторинга питания и нагрева. Если ранее видеокарты защищались от выхода из строя исключительно при помощи недопущения работы GPU при превышении критической температуры, то теперь проводится наблюдение и за энергопотреблением всей системы.
Новые элементы аппаратного мониторинга наблюдают за силой тока и напряжением на 12-вольтных линиях питания (PCI-E, 8- и 6-штырьковые дополнительные разъемы). Драйвер опрашивает значения этих параметров и может снизить тактовую частоту GPU при условии запущенных требовательных тестов стабильности, вроде Furmark и OCCT, если уровень питания превышает максимально возможный.
Это ограничение справедливо только в случае таких заранее предопределённых в драйвере приложений, но не в играх. На сегодняшний день ограничение работает исключительно в случае запуска приложения Furmark и при превышении возможностей линий питания. В таком случае драйвер вдвое понизит рабочие тактовые частоты GPU.
Теоретические выводы
Очевидно, что GF110 — это улучшенный и переработанный GF100, «правильный Fermi», так сказать. Новый GPU верхнего ценового диапазона выгодно отличается от предшественника по нескольким параметрам: было увеличено количество активных исполнительных блоков, повышены рабочие частоты, внесены некоторые архитектурные изменения в текстурные модули и z-cull. Но главное — энергопотребление и тепловыделение при всём этом даже снижены. Итак, основные претензии, имеющиеся к GTX 480, теперь сняты.
Все преимущества новой графической архитектуры Fermi в GF110 остались, и это особенно видно по изменениям в графическом конвейере с параллельной обработкой геометрии. Она весьма полезна для современных DX11-приложений, использующих много геометрии и тесселяцию. Причём это становится уже заметно и по играм с соответствующей поддержкой, число которых растёт.
Нужно отметить и архитектурные изменения в GF110, по сравнению с GF100. Увеличенная вдвое скорость текстурных выборок формата FP16 с билинейной фильтрацией вместе с улучшениями в алгоритмах отбрасывания невидимых поверхностей способны принести несколько важных процентов прироста в скорости рендеринга. А совершенно новый кулер и возможности мониторинга позитивно сказываются на потребительских качествах новой видеокарты Nvidia.
Конечно же, не стоит забывать и про такие важные технологии, имеющиеся у Nvidia, как CUDA, PhysX и 3D Vision. Поддержка всех перечисленных технологий есть в том числе и у рассмотренной GTX 580, понятное дело, просто никаких изменений в этом плане не произошло.
В целом, Geforce GTX 580 является отличной заменой для GTX 480. Понятно, что без смены техпроцесса на более тонкий было сложно рассчитывать на многократные ускорения, но +20% к производительности предыдущего топа, произведенного на базе того же техпроцесса (мы ещё проверим эту цифру далее) — это весьма неплохо! Особенно учитывая сниженные потребности в энергии и меньшие тепловыделение и шумность системы охлаждения.
Как обычно, в первой части материала мы с вами познакомились лишь с теоретическими особенностями нового чипа, а также с единственной моделью видеокарты на его основе. А следующая часть статьи будет посвящена практической части исследования в синтетических тестах, в которой мы сравним производительность нового решения Geforce GTX 580 со скоростью предшествующего топового решения компании, а также быстрейших на данный момент конкурирующих видеокарт компании AMD.
Nvidia Geforce GTX 580 — Часть 2: видеоплаты и синтетические тесты
