Обзор первой видеокарты NVIDIA GeForce GTX 680 на базе новой архитектуры Kepler

Компания NVIDIA представила общественности свою первую видеокарту, построенную на базе новейшей архитектуры Kepler и нового технологического процесса, ставшую на данный момент самым производительным решением на рынке графических адаптеров.

Оглавление

• Вступление
• Первое устройство на архитектуре Kepler
• Спецификации GeForce GTX 680
• Технология GPU Boost
• Технология Adaptive VSync
• Полноэкранное сглаживание TXAA
• Аппаратный кодировщик видео NVENC
• Поддержка многомониторного режима
• Заключение

Вступление

С момента появления на рынке видеокарты NVIDIA GeForce GTX 480 прошло уже более двух лет. Это устройство было основано на чипе еще новейшей в то время архитектуры Fermi, которая была так названа в честь итальянского физика Энрико Ферми. Графические адаптеры на основе данной архитектуры были представлены в сентябре 2009 года и получили поддержку DirectX 11, которой у продуктов компании NVIDIA на тот момент не было. И хотя все это время архитектура Fermi активно развивалась, а на рынке появилось немало новых продуктов на ее основе, многие геймеры и специалисты ждали от калифорнийцев, по-настоящему новых решений.

Следует отметить, что темпы развития технологических процессов несколько приостановились, и мы были вынуждены довольно долго ждать от производителей появления нового поколения графических процессоров, созданных на базе более тонкого технологического процесса, тоньше, чем 40 нанометров. Первой выстрелила компания AMD, выпустив 28-наномеитровое топовое устройство уже в конце 2011 года, в то время, когда калифорнийская компания еще продолжала работать над своей новинкой.

И вот, 22 марта, компания NVIDIA продемонстрировала свою новейшую разработку, в очередной раз, названную в честь физика — Kepler. Сразу отметим, что в процессе разработки новейшей архитектуры основное внимание инженерами было уделено увеличению энергетической эффективности. Дело в том, что предыдущая архитектура – Fermi – оказалась очень быстрой, но при этом очень требовательной к энергии и соответственно горячей. Это объяснялось тем, что основной задачей в процессе разработки видеокарт на архитектуре Fermi было существенное увеличение производительности в сравнении с предыдущей архитектурой Tesla. При этом основной упор был сделан на ускорение обработки геометрии, универсальные вычислительные возможности и тесселяцию (метод разбиения полигонов на более мелкие части). Вопрос энергопотребления может и был важным параметром при разработке Fermi, но все же функциональность и производительность были куда важнее.

Одним из ключевых моментов в новой разработке является переход на 28 нм технологический процесс, который сыграл немаловажную роль в уменьшении энергопотребления, а технологические новшества в архитектуре Kepler повлияли на эффективность. Инженерами компании Nvidia были полностью переработаны все исполнительные блоки нового графического процессора.

Первое устройство на архитектуре Kepler

Первый вышедший на рынок процессор на новейшей архитектуре Kepler получил кодовое название GK104, а созданная на нем видеокарта — GeForce GTX 680. Как видно из названия GTX 680 — открывает новое семейство графических адаптеров NVIDIA с индексом 6, более производительных и эффективных своих предшественников, обладающих при этом меньшим показателем энергопотребления. Использование 28 нм технологического процесса позволило создать небольшой графический процессор с очень высокими показателями производительности. Однако больше всего на производительность повлияла полная переработка архитектуры графического процессора в целях оптимизации потребления энергии.

Компания NVIDIA проводит аналогию между своим новым устройством с гибридными автомобилями, которые обладают бензиновыми двигателями и электрическими моторами. Конечно, это не означает, что новинка обладает двумя различными ядрами, все дело в том, что видеокарта GTX 680 может потреблять минимум энергии и работать при этом в максимально производительном режиме. NVIDIA считает свой новый процессор не только самым быстрым из когда либо ею разработанных, но и самым эффективным решением по отношению к потреблению энергии.

Если быть точными, то архитектуру Kepler нельзя назвать новейшей в полном смысле слова. Она, скорее всего, является реорганизованным и пересмотренным вариантом архитектуры Fermi. Давайте посмотрим, что же нового принесла с собой Kepler, и какие перспективы в ближайшее время ждут всех поклонников современных компьютерных игр, а так же тех, кто активно работает с 3D-изображениями и видео контентом.

Спецификации видеокарты GeForce GTX 680

Первая видеокарта на архитекторе Keplerимеет в своем распоряжении 1536 универсальных процессоров, 128 текстурных блоков и 32 блока блендинга. Само новое графическое ядро GK104 состоит из 3,54 миллиардов транзисторов, что несколько больше, чем у предшественника GF110.

Графическое ядро GK104

Базовая частота ядра графического процессора равна 1006 МГц, а эффективная частота памяти типа GDDR5  - 6008 (1502*4) МГц. Референсная плата GTX 680 имеет 2 Гб видеопамяти, общающеюся с процессором по 256-битной шине с пропускной способностью 192,3 ГБ/с.

Теоретическая максимальная скорость закраски нового флагмана равна 32.2 гигапикселей в секунду, а теоретическая скорость выборки текстур 128.8 гигатекселей в секунду.

GeForce GTX 680 имеет аппаратную поддержку API DirectX 11, включая шейдерную модель Shader Model 5.0, шину PCI Express 3.0, геометрических и вычислительных шейдеров, а также тесселяции. В графический адаптер интегрирована поддержка 4 мониторов, включая два порта Dual Link DVI, а также HDMI 1.4a и DisplayPort 1.2.

Видеокарта имеет двухслотовое исполнение и двойной SLI-разъем. Энергопотребление устройства ограничивается величиной в 195 Вт, а для подключения дополнительного питания на плате распаяно два шестиштырьковых разъема.

Разобравшись со спецификациями, переходим непосредственно к обзору основных новшеств разработанных компанией NVIDIA для архитектуры Kepler.

Технология GPU Boost

Одной из очень интересных особенностей устройства на архитектуре Kepler является поддержка технологии GPU Boost. Уже из названия можно сделать вывод, что технология определенным образом способна увеличить показатели производительности. GPU Boost – это программно-аппаратная технология, которая динамически может изменять частоту графического ядра в зависимости от условий его работы и некоторых других характеристик.

Специальный вмонтированный в чип аппаратный блок постоянно следит за потреблением видеоустройством энергии и некоторыми другими параметрами (например, температурой), и автоматически меняет частоту графического чипа, увеличивая ее для достижения максимальной производительности в рамках установленного диапазона выделения тепла. У GTX 680 средняя турбо-частота имеет значение 1058 МГц.

Кстати, эта технология абсолютно не мешает производить пользователям разгон видеокарты и будет работать вместе с ним.

Технология Adaptive VSync

С разработкой новой архитектуры компания NVIDIA использовала в устройстве GTX 680 дополнительные возможности, некоторые из которых будут доступны и на выпущенных ранее видеокартах. Например, чтобы достичь идеальной плавности в частотах кадров, разработчики компании NVIDIA использовали в драйверах то, что давно применяется на игровых консолях — изменили алгоритм вертикальной синхронизации таким образом, чтобы устранить разрывы кадров и в то же время уменьшить скачки FPS. Разработанная технология была названа как адаптивная вертикальная синхронизация (Adaptive VSync).

Видеокарта динамически включает и отключает VSync, чтобы достичь идеальной плавности смены кадров. Следовательно, благодаря данной технологии значительно была увеличена плавность вывода движущихся изображений на дисплей, приближая их к плавности игровых консолей. На данный момент адаптивный VSync включается при помощи контрольной панели драйверов. Однако в будущем, возможно, будет доступно управление непосредственно из меню игр.

Полноэкранное сглаживание TXAA

В общем, технология сглаживания используется в обработке изображений для того чтобы сделать границы кривых линий визуально более гладкими, устраняя «зубцы», на краях объектов. Интересно проследить за развитием полноэкранного сглаживания на протяжении последних лет.

Первым в игровых видеокартах появился суперсэмплинг SSAA, который является самым качественным, но очень требовательным к ресурсам. На смену ему пришел мультисэмплинг MSAA, который является более быстрым методом, но отстающим в плане качества. Теперь и этот метод постепенно вытесняется более современными методами сглаживания. В частности начато использование нового метода сглаживания – ТХАА.

Известно, что новейшие методы сглаживания достаточно сильно нагружают возможности графических процессоров, то есть чем выше степень сглаживания, тем меньше производительность. Особое внимание следует уделять и качеству сглаживания, так как нельзя улучшить его, не потеряв в скорости. Поэтому постоянно разрабатываются механизмы, которые могут позволить сочетать в себе и скорость и качество.

Главная задача метода TXAA – достичь качества сглаживания, достаточно близкого к тем показателям, которые присущи полнометражным мультфильмам и эффектам в кино.
Метод сглаживания TXAA имеет два доступных режима: TXAA 1 и TXAA 2. Режим TXAA 1 может предложить качество сглаживания, соответствующее 8x MSAA, при этом понадобится производительность, как при выполнении сглаживания 2x MSAA. Что касается второго режима, то он может предложить еще лучшее качество, с производительностью, соответствующей 4x MSAA.

В этом примере технология сглаживания не используется. На границах объектов хорошо заметны «зубцы».

Используется сглаживание 8xMSAA. Границы объектов приняли более плавные очертания.

Использование нового метода сглаживания TXAAделает картинку еще более реалистичной

Метод сглаживания TXAA будет использоваться в последних игровых приложениях, которые будут выходить с этого года. Для этого основным заинтересованным разработчикам игр (Crytek, Bitsquid, Epic и другим) уже предоставлен исходный код, так что выход продуктов с поддержкой TXAA скорее всего уже не за горами. Отдельно следует отметить то, что не останутся в стороне и владельцы видеоустройств на основе архитектуры Fermi. Сглаживание TXAA будет работать и на их устройствах.

Может быть, описанные выше новые программные разработки не такие эффектные, как некоторые аппаратные изменения в архитектуре Kepler, но все вместе они предлагают достаточно интересные возможности, существенно повышающие комфорт игры и эффективность системы в отношении потребления энергии. Для некоторого круга пользователей эти технологии могут иметь более важное значение, нежели некоторые аппаратные изменения.

Аппаратный кодировщик видео NVENC

Компания NVIDIA не смогла не заметить современные тенденции на рынке центральных и графических чипов, которые связаны с использованием в них специальных блоков, предназначенных для аппаратного кодирования видеоинформации. Также как и последние модели центральных и графических процессоров, которые производят конкуренты компании NVIDIA, все чипы архитектуры Kepler будут оснащены аппаратным блоком, который позволяет кодировать видео в формате H.264 — NVENC.

Аппаратный блок NVENC, который содержится в чипе видеокарты GTX 680, может кодировать видео в Full HD разрешении (1920x1080) со скоростью, превышающую реальное время в 4-8 раз. Это значит, что в максимальном режиме при 30 FPS 16-минутный видеофайл в формате 1080p будет закодирован за пару минут.

Аппаратный кодировщик NVIDIA может поддерживать разрешение до 4096x4096 пикселей, а также последние версии H.264- формата: Base, Main и High Profile Level (стандарт Blu-ray) и многоканальное кодирование Multiview Video Coding (MVC) для стереоскопического видео.

Кроме перекодирования видео, блок NVENC может быть полезен и при работе с программами, предназначенными для видеомонтажа, беспроводной передачи изображения (проведение видеоконференций).

Поддержка многомониторного режима

Очень долго компания NVIDIA не могла ответить на технологию компании AMD Eyefinity. Напомним, при помощи технологии Eyefinity можно выводить изображение на несколько мониторов одновременно. И только теперь, начиная с видеокарты GTX 680, аналогичная функция поддерживается видеоустройствами NVIDIA. Следует отметить, что новая GTX 680 одновременно может выводить изображение на четыре монитора, в то время как предыдущие модели поддерживают только два. Кроме того, новая видеокарта в одиночку может одновременно выводить изображение в стерео режиме на три монитора (3D Vision Surround).

При подключении современных мониторов и телевизоров новая видеокарта поддерживает интерфейсы HDMI 1.4a, DisplayPort 1.2, а также многопоточный вывод аудио, для чего обладает всеми необходимыми разъемами.

Заключение

Очевидно, что первое устройство в семействе Kepler – очень интересное, которое основано не только на измененной архитектуре, но и с совершенно другим подходом, предполагающим ставку, сделанную на энергоэффективность и баланс между графическими и универсальными вычислениями. В основном на улучшение характеристик нового видеоустройства повлияла замена технологического процесса на более тонкий.

В общем, новый графический чип отличается от предшествующих разработок сразу несколькими параметрами: увеличенным количеством исполнительных блоков (математических и текстурных), значительным увеличением рабочей частоты чипа, некоторыми архитектурными изменениями. Но самое главное, что потребление энергии,  а соответственно и нагрев процессора значительно уменьшены.

В новой модели видеокарты остались все возможности архитектуры Fermi, однако наиболее слабые места были в значительной степени доработаны. Компания NVIDIA сделала все возможное, чтобы добиться увеличения производительности нового чипа. По сравнению с предыдущей моделью GTX 580, новая видеокарта обладает втрое большим количеством вычислительных ядер, увеличенной математической мощностью и производительностью при обработке геометрии, а так же лучшей скоростью текстурных выборок, что раньше являлось одним из слабых мест видеоустройств NVIDIA.

Из возможных недостатков новых моделей GTX 680 можно выделить не очень большой объем видеопамяти, которого может не хватить при работе в самых экстремальных условиях с очень высокими разрешениями, а так же не увеличившуюся еще со времен GTX 580 скорость заполнения и пропускную способность памяти. Именно эти недостатки могут быть основной причиной ограничения производительности новинки в тестах и играх. Скорее всего, если видеокарта и будет где-то проигрывать в производительности конкурирующим решениям AMD, то виновником этого станут вышеуказанные недочеты.

Конечно, в новой видеокарте важна не только производительность. Зачем пользователям иметь 100 либо 150 кадров в секунду, когда для комфортной игры достаточно и более меньших значений? А вот качество всегда есть смысл улучшить, пусть даже использовав при этом экстенсивные методы, например, улучшение технологии полноэкранного сглаживания.

Исходя из всего вышеизложенного, видеокарта GeForce GTX 680 является отличной заменой GTX 580. Ведь новинка имеет не только увеличенную производительность, но и новейшие технологии, низкие показатели потребления энергии, тепловыделения и шумности системы охлаждения.