Сравнение производительности видеокарт в DirectX 11, DirectX 12 и Vulkan, часть 2 (слабый CPU)

Графические API и процессорозависимость. Методика тестирования

Эра Direct3D 12 в компьютерных играх официально наступила, и нет никаких сомнений в том, что этой технологии принадлежит будущее, — столь много усовершенствований вобрал в себя новый интерфейс программирования. Direct3D 12 (и его кроссплатформенный коллега Vulkan) позволяет игровому движку более эффективно распоряжаться ресурсами GPU за счет прямого управления теми задачами, которые в предыдущих итерациях API выполнял драйвер или сами библиотеки Direct3D. Современные GPU в полной мере поддерживают функции рендеринга Direct3D 12 и обеспечивают эффективную интеграцию графики с вычислениями общего назначения (так называемыми асинхронными вычислениями).

Вот только на практике API нового поколения еще далеки от реализации всего заложенного в них потенциала. Не будем приукрашивать картину, которая открылась в первой части тестирования видеокарт в Direct3D 12 и Vulkan. Фактически лишь две из игр, которые мы постоянно используем в качестве бенчмарков GPU, показали, на что способно новое ПО при должном старании разработчиков, — мы говорим о Ashes of the Singularity и DOOM. В остальных тестах при смене API можно рассчитывать в лучшем случае на умеренный рост быстродействия, и то с массой оговорок.

Так, среди графических процессоров последних поколений только большие чипы AMD — Hawaii (Radeon R9 390X), Fiji (Radeon R9 Fury X) и Vega (Radeon RX Vega 64) — проявили большую симпатию по отношению к Direct3D 12. На быстродействие флагманской видеокарты NVIDIA (GeForce GTX 1080 Ti) программный интерфейс в среднем никак не влияет, а остальные «зеленые» процессоры работают под ним хуже, чем под старым. Наконец, Microsoft невольно выдала черную метку чипам с архитектурой Kepler и Maxwell, которые, по всей видимости, уже никогда не обретут полноценной поддержки в игровых движках под Direct3D 12.

Слабость API нового поколения является обратной стороной их силы: «тонкие» библиотеки Direct3D 12 отдали множество функций разработчикам игровых движков, а внедрение нужных приемов программирования в массовом ПО идет с запозданием. Неудивительно, ведь в игровых компьютерах по-прежнему стоит масса видеокарт, которые в лучшем случае лишь формально совместимы с Direct3D 12 и Vulkan, поэтому мощную оптимизацию игр под новые API пока можно наблюдать лишь в отдельных проектах на основе собственных движков.

⇡#Графические API и процессорозависимость

Однако часть функций Direct3D 12 и Vulkan не требует от разработчиков игр особенных усилий. Сама структура конвейера этих API позволяет снизить нагрузку на центральный процессор за счет сокращения времени подготовки draw call, что особенно важно, когда на экране присутствует множество отдельных моделей [прим.: Draw call — команда, требующая создать единственную полигональную сетку (mesh)].

Впервые на эту проблему обратили внимание AMD и DICE, создатели проприетарного низкоуровневого интерфейса Mantle. Первым тайтлом с поддержкой Mantle стала Battlefield 4, но тогда, в 2014 году, игровая графика не была настолько богата геометрией, чтобы центральный процессор ограничивал частоту смены кадров в сбалансированной системе. Даже год спустя мы пришли к выводу (см. наше тестирование процессорозависимости), что любой худо-бедно современный процессор Intel с четырьмя ядрами раскрывает потенциал топовых GPU того времени.

Но за прошедшее время обстановка поменялась: игры стали сложнее, а GPU получили многократно возросшую вычислительную мощность. CPU, напротив, развиваются достаточно медленно с точки зрения однопоточной производительности, а пятое, шестое, седьмое и так далее ядра в играх используются редко. Многие геймеры производили апгрейд с двухъядерного процессора на четырехъядерный с расчетом не менять его еще долгие годы, поэтому сейчас вопрос процессорозависимости вновь стал актуальным.

Самый яркий, хотя и довольно экзотический пример — стратегия Ashes of the Singularity. Ее движок именно за счет быстрой отдачи draw call сильно наращивает быстродействие под Direct3D 12 и Vulkan даже при мощном центральном процессоре. Но в нашей методике есть и другие игры с богатой геометрией. В этот раз мы проведем тестирование на платформе с четырьмя ядрами и сниженной частотой CPU, а потом сравним результаты с тем, что было получено ранее при помощи высокопроизводительного процессора.

В предыдущей части тестирования процессор нашего тестового стенда, Core i7-5960X, работал на постоянной частоте 4 ГГц при восьми активных ядрах. Для имитации более слабого CPU мы отключили половину ядер и установили тактовую частоту на отметке 2,5 ГГц.

Честно говоря, это не очень реалистичная конфигурация для современных CPU Intel (даже младшие модели Core i5 поколений Caby Lake и Coffee Lake берут более высокие частоты при полной загрузке четырех ядер), но она вполне соответствует некоторым моделям предыдущих поколений. 1,5 ГГц — подходящая разница, чтобы наглядно показать связь версии графического API и процессорозависимости, а измерение кадровой частоты на всем спектре моделей современных CPU пусть останется задачей для следующей части нашей серии «Процессорозависимость».

С другой стороны, мы зашли не настолько далеко, чтобы оставить два активных ядра. В современном домашнем ПК такому процессору уже не место, и некоторые игры просто не будут нормально работать на двух ядрах.

По итогам первого тестирования мы дисквалифицировали из участников несколько видеокарт, в первую очередь GeForce GTX 970 и GTX 980 Ti, которые не годятся для игр под Direct3D 12 и Vulkan в силу архитектурных особенностей. Кроме того, были исключены бюджетные игровые видеокарты Radeon RX 560 и GeForce GTX 1050 Ti — у них попросту недостаточно мощные GPU, чтобы оптимизация API сыграла большую роль даже на слабой платформе.

Наконец, мы нашли несколько ошибок в тестовых результатах первой части стати и приведем все данные (как при сильном, так и при слабом CPU) в обобщающих графиках и таблицах. Для того чтобы обеспечить корректное сравнение, новые результаты получены на тех же версиях драйверов (Radeon Software Crimson Adrenalin Edition 18.1.1 и GeForce Game Ready Driver 390.65), которые мы использовали в прошлый раз. Драйверы довольно старые, но, если бы мы повторили тесты на актуальных версиях, это бы не повлияло сколь-либо существенно на результаты. В конце концов, самая свежая из выбранных игр вышла еще в сентябре прошлого года, и драйверы уже содержат оптимизации для всех них. За прошедшее время каких-либо глобальных изменений в ПО, которые поднимают общее быстродействие, производители GPU не внесли.

⇡#Тестовый стенд, методика тестирования

В тестовую обойму вошли семь игр 2016–2017 годов выпуска, среди которых шесть поддерживают API Direct3D 12 и две — Vulkan. Доподлинно известно, что все они так или иначе задействуют функцию Multi-Engine («асинхронные вычисления»). И пара слов о DOOM. Эта игра использует так называемые Shader Intrinsitc Functions — шейдеры, непосредственно исполняемые на GPU избранной архитектуры, в обход стадии компиляции из высокоуровневого кода. Только Vulkan, в отличие от OpenGL и Direct3D любой версии, дает такую возможность, и только AMD выпустила для Vulkan соответствующее расширение. Собственные Shader Intrinsics есть и у NVIDIA, но они доступны только через проприетарый интерфейс NVAPI или библиотеки GameWorks. Именно поэтому Vulkan в DOOM принес GPU AMD такой мощный прирост быстродействия, хотя не обижены и чипы NVIDIA.

Тесты выполнены при разрешениях 1080p, 1440p и 2160p. Настройки подобраны таким образом, чтобы обеспечить высокую частоту смены кадров (от 60 FPS и выше в режиме 1080p) на мощных GPU последнего поколения.

⇡#Участники тестирования

• AMD Radeon RX Vega 64 (1546/1890 МГц, 8 Гбайт);
• AMD Radeon RX 580 (1340/8000 МГц, 8 Гбайт);
• AMD Radeon R9 Fury X (1050/1000 МГц, 4 Гбайт);
• AMD Radeon R9 390X (1050/6000 МГц, 8 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti (1480/11000 МГц, 11 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 1060 (1506/9000 МГц, 6 Гбайт);

Результаты тестирования: AMD

⇡#AMD Radeon R9 390X

⇡#AMD Radeon R9 Fury X

⇡#AMD Radeon RX 580

⇡#AMD Radeon RX Vega 64

Результаты тестирования: NVIDIA

⇡#NVIDIA GeForce GTX 1060

⇡#NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti

Общие результаты. Процессорозависимость. Выводы

⇡#Общие результаты: Direct3D 12

• В тех случаях, когда смена API вообще полезна, она оказывается несравненно более эффективной на слабой платформе, нежели на мощном CPU. Direct3D 12 особенно полезен для высокопроизводительных графических карт AMD — Radeon RX Vega 64 и, в еще большей степени, Fury X. Даже в режиме 2160p Direct3D 12 позволяет высвободить резерв частоты смены кадров (вплоть до 17 %), который в Direct3D 11 блокирует тормозящий CPU.
• Кстати, Fury X и на мощной платформе по некой причине выигрывает от перехода к Direct3D 12 больше, чем Vega 64. Выходит, надежды на API нового поколения, о которых так много говорили в эпоху противостояния Fury X и GeForce GTX 980 Ti, все-таки сбылись, пусть и слишком поздно для коммерческого успеха бывшего флагмана «красных».
• Результаты в Direct3D 12 благоприятны и для Radeon R9 390X, особенно при низком разрешении экрана. В случае Radeon RX 580 новый API тоже небесполезен при слабом центральном процессоре, хотя эффект уже намного меньше, чем при более сильном GPU. Видно, что мы правильно сделали, убрав из участников тестирования Radeon RX 560 — в большинстве игр ему будет достаточно и четырехъядерного процессора на частоте 2,5 ГГц даже под управлением Direct3D 11.
• GeForce GTX 1060 продолжает страдать под новой версией Direct3D. Экономия циклов CPU на слабой платформе все-таки чувствуется, но она лишь компенсирует потерю быстродействия из-за архитектурных особенностей Pascal в единственном режиме, 1080p.
• GeForce GTX 1080 Ti — самая мощная видеокарта среди участников тестирования, и, по идее, она наиболее чувствительна к оптимизации нагрузки на CPU. Тем не менее выигрыш в быстродействии за счет смены Direct3D 11 на Direct3D 12 не превышает 2 %, а при высоком разрешении экрана разница даже отрицательная.

1920 × 1080

2560 × 1440

3840 × 2160

Общие результаты: Vulkan

Результаты в Vulkan получены при помощи всего двух игр — Ashes of the Singularity и DOOM. Они обе превосходно оптимизированы под Vulkan, а AotS в дополнение к этому сильно зависит от быстродействия центрального процессора. В обоих тестах преимущество Vulkan перед Direct3D 11 измеряется десятками процентов. Оно особенно выражено на видеокартах AMD при слабом CPU и низком разрешении экрана.

Немалую пользу от Vulkan на слабой платформе получил и GeForce GTX 1080 Ti. В случае GeForce GTX 1060 процессорозависимость (и, соответственно, выигрыш по кадровой частоте в Vulkan на слабой платформе) заметна только при разрешении 1080p. В других режимах Vulkan бесполезен для этой видеокарты вне зависимости от быстродействия CPU.

1920 × 1080

2560 × 1440

3840 × 2160

⇡#Процессорозависимость

Какого процессора достаточно для того, чтобы раскрыть потенциал той или иной видеокарты, — слишком обширный вопрос, для того чтобы дать на него исчерпывающий ответ в рамках данной статьи. Сегодня наша задача состоит в том, чтобы оценить, насколько эффективно различные API используют вычислительные ресурсы процессора с четырьмя ядрами и небольшой тактовой частотой по сравнению с ресурсами мощного восьмиядерного CPU.

На диаграммах ниже показано, как меняется быстродействие под Direct3D 11, Direct3D 12 и Vulkan в зависимости от конфигурации центрального процессора. Для каждого разрешения приведены две диаграммы, на одной из которых сравнивается процессорозависимость в Direct3D 11 и Direct3D 12, а на другой — в Direct3D 11/OpenGL 4.5 и Vulkan. Не обращайте внимания на отрицательные значения в пределах 1 % — это погрешность измерения.

Однако эти данные сами по себе недостаточно информативны. Для полного понимания результатов важно отделить понятие процессорозависимости от масштабирования. Чтобы показать процессорозависимость GPU под конкретным API, достаточно определить такие тактовую частоту и количество ядер, при которых быстродействие игры ограничено только ресурсами GPU и дальнейшее наращивание мощности CPU не приводит к увеличению частоты смены кадров. Чем слабее (и дешевле) нужная конфигурация CPU, тем ниже процессорозависимость, и, соответственно, такой результат оценивается более высоко.

Но ситуацию нельзя трактовать так просто в сравнении различных API. Возьмем в пример GeForce GTX 1060, у которого средняя процессорозависимость игр под Direct3D 12 не превышает 1 %, а под Direct3D 11 она составляет 5 % в режиме 1080p. Значит ли это, что Direct3D 12 в данном случае является лучшим выбором, при котором потенциал этой видеокарты полностью раскрывает слабейшая из двух наших платформ? Нет, ведь под Direct3D 11 с мощным CPU она работает значительно быстрее, чем под Direct3D 12! То есть смена API с Direct3D 11 на Direct3D 12 ограничивает рост быстродействия, который видеокарта могла бы получить за счет высокопроизводительного CPU. Здесь лучше говорить о масштабировании быстродействия под Direct3D 11 (положительном эффекте с практической точки зрения), нежели о процессорозависимости (отрицательном эффекте).

Конечно, нельзя трактовать результат GeForce GTX 1060 полностью в контексте оптимизации нагрузки на центральный процессор. Скорее, это сочетание двух факторов: с одной стороны, Direct3D 12 неэффективно использует ресурсы графического процессора NVIDIA GP106, а с другой — действительно снижает нагрузку на CPU. На слабой тестовой платформе эти тенденции компенсируют друг друга, а на сильной негативный эффект преобладает.

Продолжая разговор о GeForce GTX 1060, отметим, что Vulkan для видеокарты в целом полезен: он снижает процессорозависимость в режиме 1080p, подтягивая быстродействие на слабой платформе до уровня сильной. Посмотрим, что произошло с другими участниками тестирования.

• GeForce GTX 1080 Ti, как самая мощная из современных игровых видеокарт, очень зависит от быстродействия CPU в разрешениях ниже 2160p при любой версии Direct3D. Неудивительно, ведь и между Direct3D 11 и Direct3D 12 разницы для этой видеокарты почти нет на обеих тестовых платформах. Другое дело Vulkan: в низких разрешениях этот API практически устраняет зависимость GTX 1080 Ti от конфигурации центрального процессора.
• Большие чипы AMD чувствуют себя в Direct3D 12 и Vulkan как рыба в воде: процессорозависимость Radeon R9 390X, R9 Fury X и Vega 64 падает при любом разрешении экрана. По обобщенным данным складывается впечатление, что мощный CPU им вовсе не нужен: в ряде случаев вместо апгрейда тестовой платформы достаточно сменить версию API, чтобы добиться такого же роста кадровой частоты! Двойная выгода, ведь и с мощным центральным процессором Direct3D 12 увеличивает FPS красной команды.
• Похожая тенденция наблюдается и в результатах Radeon RX 580, но с поправкой на меньшие масштабы.

1920 × 1080

2560 × 1440

3840 × 2160

⇡#Выводы

Честно говоря, мы не слишком рассчитывали на то, что API нового поколения как-то по-другому себя проявят в тестах на платформе со слабым центральным процессором. В памяти еще живы первые бенчмарки Mantle и испытания процессорозависимости различных видеокарт, когда проблему быстродействия CPU в играх решал любой четырехъядерный процессор Intel. Оказалось, что три года спустя ситуация полностью изменилась. Разница в четыре ядра и 1,5 ГГц тактовой частоты подчас означает десятки процентов кадровой частоты под Direct3D 11.

За счет достижений на слабой платформе новые API полностью реабилитировались в наших глазах. Достаточно сказать, что смена интерфейса с Direct3D 11 или OpenGL на Direct3D 12 или Vulkan способна принести такую же пользу, как апгрейд центрального процессора, — это верно при разрешении экрана вплоть до 1440p, а иногда и при 2160p. Но с огромной оговоркой: это относится только к видеокартам AMD. Несмотря на то, что мы исключили из тестирования ускорители NVIDIA на архитектурах Kepler и Maxwell, даже современные GeForce GTX 1060 и GTX 1080 Ti остались не у дел. Единственная выигрышная комбинация для «зеленых» — GTX 1080 Ti и две игры в режиме Vulkan (Ashes of the Singularity и DOOM).

Эти обстоятельства слабо влияют на расстановку сил между командами AMD и NVIDIA при одном и том же API и на мощной платформе, но, с другой стороны, владельцам «зеленых» видеокарт не откупиться от процессорозависимости столь же малой ценой, как сторонникам AMD.

Однако это еще не последнее слово в сравнении Direct3D 11 и Direct3D 12. В следующий раз мы намерены выяснить, что означает смена API для конфигураций SLI и CrossFireX и насколько пары видеокарт вообще актуальны в современных играх.