NVIDIA GeForce GTX 280 – очень быстро и жутко горячо

Авторы: Антон Рачко, Владимир Романченко Сегодня официальным пресс-релизом компания NVIDIA уведомила о выпуске нового поколения графических карт семейства GeForce GTX 200 на базе второго поколения унифицированной визуально-вычислительной архитектуры - GeForce GTX 280 и GeForce GTX 260. Первый образец видеокарты на базе чипа GeForce GTX 280 уже побывал в нашей лаборатории, и мы уже готовы поделиться с нашими читателями первыми результатами тестирования и впечатлениями от новой архитектуры NVIDIA. Но прежде чем перейти к графикам и выводам, предлагаем вашему вниманию описание собственно архитектуры графических чипов семейства GeForce GTX 200, а также новых и обновлённых технологий NVIDIA и ряда новых инициатив, впервые объявленные в рамках сегодняшнего анонса. Для любителей "перемотать" статью сразу же к выводам отдельно хотелось бы подчеркнуть: в этот раз компанией NVIDIA объявлена не только обновлённая архитектура, но и в некотором смысле новая философия графической архитектуры, с далеко идущими последствиями. Однако вначале о технических особенностях. Являясь логичным развитием серий GeForce 8 и GeForce 9, представлявших первое поколение унифицированной визуальной вычислительной архитектуры NVIDIA, новинки семейства GeForce GTX 200 выполнены на базе второго поколения этой архитектуры. Графические процессоры NVIDIA GeForce GTX 280 и 260 представляют собой наиболее массивные и сложные графические чипы из известных доселе – шутка ли, 1,4 миллиарда транзисторов в каждом! Наиболее производительное решение - GeForce GTX 280, обладает 240 шейдерными процессорами, 80 текстурными процессорами, поддерживает до 1 Гб видеопамяти. Подробные характеристики чипов GeForce GTX 280 и GeForce GTX 260 приведены в таблице ниже.

Спецификации NVIDIA GeForce GTX 280 и GTX 260
Графическое ядро	GTX 280	GTX 260
Нормы технологического процесса	65 нм
Количество транзисторов	1,4 млрд.
Тактовая частота графики (в т.ч. диспетчера, модулей текстур и ROP)	602 МГц	576 МГц
Тактовые частоты процессорных модулей	1296 МГц	1242 МГц
Количество процессорных модулей	240	192
Тактовая частота памяти (частота/данные)	1107 МГц / 2214 МГц	999 МГц / 1998 МГц
Ширина интерфейса памяти	512 бит	448 бит
Пропускная способность шины памяти	141,7 Гб/с	111,9 Гб/с
Объём памяти	1 Гб	896 Мб
Количество модулей ROP	32	28
Количество модулей текстурной фильтрации	80	64
Производительность модулей текстурной фильтрации	48,2 Гигатекселей/с	36,9 Гигатекселей/с
Поддержка HDCP	Есть
Поддержка HDMI	Есть (адаптер DVI-HDMI)
Интерфейсы	2 x Dual-Link DVI-I 1 x 7-контактный HDTV
RAMDAC, МГц	400 МГц
Шина	PCI Express 2.0
Форм-фактор	Два слота
Конфигурация разъёмов питания	1 x 8-контактный 1 x 6-контактный	2 x 6-контактных
Максимальное энергопотребление	236 Вт	182 Вт
Граничная температура GPU	105°C

Фактически современное графическое ядро семейства GeForce GTX 200 можно представить как универсальный чип, поддерживающий два разных режима – графический и вычислительный. Архитектуру чипов семейств GeForce 8 и 9 обычно представляют массивами масштабируемых процессоров (Scalable Processor Array, SPA). Архитектура чипов семейства GeForce GTX 200 основана на доработанной и улучшенной архитектуре SPA, состоящей из ряда так называемых "кластеров обработки текстур" (TPC, Texture Processing Clusters) в графическом режиме или "кластеров обработки потоков" в режиме параллельного вычисления. При этом каждый модуль TPC состоит из массива потоковых мультипроцессоров (SM, Streaming Multiprocessors), и каждый SM содержит восемь процессорных ядер, также называемых потоковыми процессорами (SP, Streaming Processor), или тредовыми процессорами (TP, Thread Processor). Каждый SM также включает в себя процессоры текстурной фильтрации для графического режима, также используемый для различных операций фильтрации в вычислительном режиме. Ниже представлена блок-схема GeForce 280 GTX в традиционном графическом режиме. Переключаясь в вычислительный режим, аппаратный диспетчер потоков (вверху) управляет тредами TPC. Кластер TPC при ближайшем рассмотрении: распределённая память для каждого SM; каждое процессорное ядро SM может распределять данные между другими ядрами SM посредством распределённой памяти, без необходимости обращения к внешней подсистеме памяти. Таким образом, унифицированная шейдерная и компьютерная архитектура NVIDIA использует две совершенно разные вычислительные модели: для работы TPC используется MIMD (multiple instruction, multiple data), для вычислений SM - SIMT (single instruction, multiple thread), продвинутая версия, SIMD (single instruction, multiple data). Касаясь общих характеристик, по сравнению с предшествовавшими поколениями чипов семейство GeForce GTX 200 обладает следующими преимуществами:

• Возможность обработки втрое большего количества потоков данных в единицу времени
• Новый дизайн планировщика выполнения команд, с повышенной на 20% эффективностью обработки текстур
• 512-битный интерфейс памяти (384 бита у предыдущего поколения)
• Оптимизированный процесс z-выборки и компрессии для достижения лучших результатов производительности при высоких разрешениях экрана
• Архитектурные усовершенствования для увеличения производительности при обработке теней
• Полноскоростной блендинг буфера кадров (против полускоростного у 8800 GTX)
• Вдвое увеличенный буфер команд для повышения производительности вычислений
• Удвоенное количество регистров для более оперативного обсчёта длинных и сложных шейдеров
• Удвоенная точность обсчета данных с плавающей запятой в соответствии со стандартом версии IEEE 754R
• Аппаратная поддержка 10-битного цветового пространства (только с интерфейсом DisplayPort)

Так выглядит список основных характеристик новых чипов:

• Поддержка NVIDIA PhysX
• Поддержка Microsoft DirectX 10, Shader Model 4.0
• Поддержка технологии NVIDIA CUDA
• Поддержка шины PCI Express 2.0
• Поддержка технологии GigaThread
• Движок NVIDIA Lumenex
• 128-битные вычисления с плавающей запятой (HDR)
• Поддержка OpenGL 2.1
• Поддержка Dual Dual-link DVI
• Поддержка технологии NVIDIA PureVideo HD
• Поддержка технологии NVIDIA HybridPower

Отдельно отмечено, что DirectX 10.1 семейством GeForce GTX 200 не поддерживается. Причиной назван тот факт, что при разработке чипов нового семейства, после консультаций с партнёрами, было принято сконцентрировать внимание не на поддержке DirectX 10.1, пока мало востребованного, а на улучшении архитектуры и производительности чипов. Основанная на пакете физических алгоритмов, реализация технологии NVIDIA PhysX представляет собой мощный физический движок для вычислений в реальном времени. В настоящее время поддержка PhysX реализована в более чем 150 играх. В сочетании с мощным GPU, движок PhysX обеспечивает значительное увеличение физической вычислительной мощи, особенно в таких моментах как создание взрывов с разлётом пыли и осколков, персонажей со сложной мимикой, новых видов оружия с фантастическими эффектами, реалистично надетых или разрываемых тканей, тумана и дыма с динамическим обтеканием объектов. Ещё одно немаловажное новшество – новые режимы экономии энергии. Благодаря использованию прецизионного 65 нм техпроцесса и новых схемотехнических решений удалось добиться более гибкого и динамичного контроля энергопотребления. Так, потребление семейства графических чипов GeForce GTX 200 в ждущем режиме или в режиме 2D составляет около 25 Вт; при воспроизведении фильма Blu-ray DVD - около 35 Вт; при полной 3D нагрузке TDP не превышает 236 Вт. Графический чип GeForce GTX 200 может вовсе отключаться благодаря поддержке технологии HybridPower с материнскими платами на HybridPower-чипсетах nForce с интегрированной графикой (например, nForce 780a или 790i), при этом поток графики незначительной интенсивности попросту обсчитывается GPU, интегрированным в системную плату. Помимо этого, GPU семейства GeForce GTX 200 также обладают специальными модулями контроля энергопотребления, призванными отключать блоки графического процессора, не задействованные в данный момент. Пользователь может конфигурировать систему на базе двух или трёх видеокарт семейства GeForce GTX 200 в режиме SLI при использовании материнских плат на базе соответствующих чипсетов nForce. В традиционном режиме Standard SLI (с двумя видеокартами) декларируется примерно 60-90% прирост производительности в играх; в режиме 3-way SLI – максимальное количество кадров в секунду при максимальных разрешениях экрана. Следующая инновация – поддержка нового интерфейса DisplayPort с разрешениями выше 2560 х 1600, с 10-битным цветовым пространством (предыдущие поколения графики GeForce обладали внутренней поддержкой 10-битной обработки данных, но выводился только 8-битные компонентные цвета RGB). В рамках анонса новой серии графических процессоров семейства GeForce GTX 200 компания NVIDIA предлагает совершенно по-новому взглянуть на роль центрального и графического процессоров в современной сбалансированной настольной системе. Такой оптимизированный ПК, базирующийся на концепции гетерогенных вычислений (то есть, вычислений потока разнородных разнотипных задач), по мнению специалистов NVIDIA, обладает гораздо более сбалансированной архитектурой и значительно большим вычислительным потенциалом. Имеется в виду сочетание центрального процессора со сравнительно умеренной производительностью с наиболее мощной графикой или даже SLI-системой, что позволяет добиться пиковой производительности в наиболее тяжёлых играх, 3D и медиа приложениях. Иными словами, вкратце концепцию можно сформулировать так: центральный процессор в современной системе берёт на себя служебные функции, в то время как бремя тяжёлых вычислений ложится на графическую систему. Примерно те же выводы (правда, более комплексные и численно обоснованные) наблюдаются в серии наших статей, посвящённых исследованиям зависимости производительности от ключевых элементов системы, см. статьи Процессорозависимость видеосистемы. Часть I - Анализ; Процессорозависимость видеосистемы. Часть II – Влияние объема кэш-памяти CPU и скорости оперативной памяти; Ботозависимость, или зачем 3D-играм мощный CPU; Процессорозависимость видеосистемы. Переходная область. "Критическая" точка частоты CPU. Впрочем, интенсивные вычисления с помощью современных графических видеокарт давно не новость, но именно с появлением графических процессоров семейства GeForce GTX 200 компания NVIDIA ожидает значительного повышения интереса к технологии CUDA. CUDA (Compute Unified Device Architecture) - вычислительная архитектура, нацеленная на решение сложных задач в потребительской, деловой и технической сферах - в любых приложениях, интенсивно оперирующих данными, с помощью графических процессоров NVIDIA. С точки зрения технологии CUDA новый графический чип GeForce GTX 280 это ни что иное как мощный многоядерный (сотни ядер!) процессор для параллельных вычислений. Как было указано выше, графическое ядро семейства GeForce GTX 200 можно представить как чип, поддерживающий графический и вычислительный режимы. В одном из этих режимов – "вычислительном", тот же GeForce GTX 280 превращается в программируемый мультипроцессор с 240 ядрами и 1 Гб выделенной памяти – этакий выделенный суперкомпьютер с производительностью под терафлоп, что в разы повышает результативность работы с приложениями, хорошо распараллеливающими данные, например, кодирование видео, научные вычисления и пр. Графические процессоры семейств GeForce 8 и 9 стали первыми на рынке, поддерживающими технологию CUDA, сейчас их продано более 70 млн. штук и интерес к проекту CUDA постоянно растёт. Подробнее узнать о проекте и скачать файлы, необходимые для начала работы можно здесь. В качестве примера на приведённых ниже скриншотах показаны примеры прироста производительности вычислений, полученные независимыми пользователями технологии CUDA. Подводя итог нашему краткому исследованию архитектурных и технологических улучшений, реализованных в новом поколении графических процессоров NVIDIA, выделим главные моменты. Второе поколение унифицированной архитектуры визуальных вычислений, реализованное в семействе GeForce GTX 200, является значительным шагом вперёд по сравнению с предшествовавшими поколениями GeForce 8 и 9. По сравнению с предыдущим лидером GeForce 8800 GTX новый флагманский процессор GeForce GTX 280 обладает в 1,88 раза большим количеством процессорных ядер; способен обрабатывать примерно в 2,5 больше тредов на чип; обладает удвоенным размером файловых регистров и поддержкой вычислений с плавающей запятой с удвоенной точностью; поддерживает 1 Гб памяти с 512-битным интерфейсом; оборудован более эффективным диспетчером команд и улучшенными коммуникационными возможностями между элементами чипа; улучшенным модулем Z-буфера и компрессии, поддержкой 10-битной цветовой палитры и т.д. Впервые новое поколение чипов GeForce GTX 200 изначально позиционируется не только в качестве мощного 3D графического акселератора, но также в качестве серьёзного компьютерного решения для параллельных вычислений. Ожидается, что видеокарты GeForce GTX 280 с 1 Гб памяти появятся в рознице по цене порядка $649, новинки на базе GeForce GTX 260 с 896 Мб памяти – по цене около $449 (или даже $399). Проверить, насколько рекомендованные цены совпадают в реальной розницей, можно будет уже совсем скоро, поскольку по всем данным анонс семейства GeForce GTX 200 отнюдь не "бумажный", решения на этих чипах объявили многие партнёры NVIDIA, и в самом ближайшем времени новинки объявятся на прилавках. Теперь переходим к описанию первой видеокарты GeForce GTX 280, попавшей в нашу лабораторию, и к результатам её тестирования.