Современные видеокарты компаний NVIDIA и AMD

Текстурная и пиксельная скорость заполнения, измеряется в млн. пикселов в секунду, показывает количество выводимой информации в единицу времени. Выводы карты — видеоадаптеры MDA, Hercules, CGA и EGA оснащались 9-контактным разьемом типа D-Sub. Изредка также присутствовал коаксиальный разьем Composite Video, позволяющий вывести черно-белое изображение на телевизионный приемник или монитор, оснащенный НЧ-видеовходом. Видеоадаптеры VGA и более поздние обычно имели всего один разъём VGA (15-контактный D-Sub). Изредка ранние версии VGA-адаптеров имели также разьем предыдущего поколения (9-контактный) для совместимости со старыми мониторами. Выбор рабочего выхода задавался переключателями на плате видеоадаптера. В настоящее время платы оснащают разъёмами DVI или HDMI, либо Display Port в количестве от одного до трех. Некоторые видеокарты ATi последнего поколения оснащаются шестью видеовыходами. Порты DVI и HDMI являются эволюционными стадиями развития стандарта передачи видеосигнала, поэтому для соединения устройств с этими типами портов возможно использование переходников. Порт DVI бывает двух разновидностей. DVI-I также включает аналоговые сигналы, позволяющие подключить монитор через переходник на разьем D-SUB. DVI-D не позволяет этого сделать. Display Port позволяет подключать до четырёх устройств, в том числе акустические системы, USB-концентраторы и иные устройства ввода-вывода. На видеокарте также возможно размещение композитных и S-Video видеовыходов и видеовходов (обозначаются, как ViVo). В современных видеокартах мы можем видеть разъем HDMI

 

4. Интерфейс

 

Первое препятствие к повышению быстродействия видеосистемы - это интерфейс передачи данных, к которому подключён видеоадаптер. Как бы ни был быстр процессор видеоадаптера, большая часть его возможностей останется незадействованной, если не будут обеспечены соответствующие каналы обмена информацией между ним, центральным процессором, оперативной памятью компьютера и дополнительными видеоустройствами. Основным каналом передачи данных является, конечно, интерфейсная шина материнской платы, через которую обеспечивается обмен данными с центральным процессором и оперативной памятью. Самой первой шиной использовавшейся в IBM PC была XT-Bus, она имела разрядность 8 бит данных и 20 бит адреса и работала на частоте 4,77 МГц. Далее появилась шина ISA (Industry Standart Architecture - архитектура промышленного стандарта), соответственно она имела разрядность 16/24 бит и работала на частоте 8 МГц. Пиковая пропускная способность составляла чуть больше 5,5 МиБ/с. Этого более чем хватало для отображения текстовой информации и игр с шестнадцатицветной графикой. Дальнейшим рывком явилось появление шины MCA (Micro Channel Architecture) в новой серии компьютеров PS/2 фирмы IBM. Она уже имела разрядность 32/32 бит и пиковую пропускную способность 40 МиБ/с. Но то обстоятельство, что архитектура MCI являлась закрытой (собственностью IBM), побудило остальных производителей искать иные пути увеличения пропускной способности основного канала доступа к видеоадаптеру. И вот, с появлением процессоров серии 486, было предложено использовать для подключения периферийных устройств локальную шину самого процессора, в результате родилась VLB (VESA Local Bus — локальная шина стандарта VESA). Работая на внешней тактовой частоте процессора, которая составляла от 25 МГц до 50 МГц, и имея разрядность 32 бит, шина VLB обеспечивала пиковую пропускную способность около 130 МиБ/с. Этого уже было более чем достаточно для всех существовавших приложений, помимо этого возможность использования её не только для видеоадаптеров, наличие трёх слотов подключения и обеспечение обратной совместимости с ISA (VLB представляет собой просто ещё один 116 контактный разъём за слотом ISA) гарантировали ей достаточно долгую жизнь и поддержку многими производителями чипсетов для материнских плат, и периферийных устройств, даже несмотря на то, что при частотах 40 МГц и 50 МГц обеспечить работу даже двух устройств подключенных к ней представлялось проблематичным из-за чрезмерно высокой нагрузки на каскады центрального процессора (ведь большинство управляющих цепей шло с VLB на процессор напрямую, безо всякой буферизации). И всё-таки, с учётом того, что не только видеоадаптер стал требовать высокую скорость обмена информацией, и явной невозможности подключения к VLB всех устройств (и необходимостью наличия межплатформенного решения, не ограничивающегося только PC), была разработана шина PCI (Periferal Component Interconnect - объединение внешних компонентов) появившаяся, в первую очередь, на материнских платах для процессоров Pentium. С точки зрения производительности на платформе PC всё осталось по-прежнему - при тактовой частоте шины 33 МГц и разрядности 32/32 бит она обеспечивала пиковую пропускную способность 133 МиБ/с - столько же, сколько и VLB. Однако она была удобнее и в конце-концов вытеснила шину VLB и на материнских платах для процессоров класса 486.

С появлением процессоров Intel Pentium II, и серьёзной заявкой PC на принадлежность к рынку высокопроизводительных рабочих станций, а также с появлением 3D-игр со сложной графикой, стало ясно, что пропускной способности PCI в том виде, в каком она существовала на платформе PC (обычно частота 33 МГц и разрядность 32 бит), скоро не хватит на удовлетворение запросов системы. Поэтому фирма Intel решила сделать отдельную шину для графической подсистемы, несколько модернизировала шину PCI, обеспечила новой получившейся шине отдельный доступ к памяти с поддержкой некоторых специфических запросов видеоадаптеров, и назвала это AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт). Разрядность шины AGP составляет 32 бит, рабочая частота 66 МГц. Первая версия разьема поддерживала режимы передачи данных 1x и 2x, вторая - 4x, третья - 8x. В этих режимах за один такт передаются соответственно одно, два, четыре или восемь 32 - разрядных слов. Версии AGP не всегда были совместимы между собой в связи с использованием различных напряжений питания в разных версиях. Для предотвращения повреждения оборудования использовался ключ в разьеме. Пиковая пропускная способность в режиме 1x - 266 МиБ/с. Выпуск видеоадаптеров на базе шинах PCI и AGP на настоящий момент ничтожно мал, так как шина AGP перестала удовлетворять современным требованиям для мощности новых ПК, и, кроме того, не может обеспечить необходимую мощность питания. Для решения этих проблем создано расширение шины PCI - E - PCI Express версий 1.0, 1.1 и 2.0, это последовательный, в отличие от AGP, интерфейс, его пропускная способность может достигать нескольких десятков ГБ/с. На данный момент произошёл практически полный отказ от шины AGP в пользу PCI Express. Однако стоит отметить, что некоторые производители до сих предлагают достаточно современные по своей конструкции видеоплаты с интерфейсами PCI и AGP — во многих случаях это достаточно простой путь резко повысить производительность морально устаревшего ПК в некоторых графических задачах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Практический раздел

 

В современном мире из-за неконкурентоспособности производителей видеокарт, фирмы, которые их выпускают всего две. Это видеокарты компаний NVIDIA GeForce и AMD Radeon. Для сравнений самых последних моделей видеокарт на сегодняшний день для настольных ПК, были выбраны модели – GeForce GTX Titan и Radeon R9 295 X2.

 

1. GeForce GTX Titan
1. Описание

 

NVIDIA отошла от своего принципа  наименования видеокарт для Titan, но в подобной эксклюзивной модели вполне можно пойти на такой шаг. Единственная исключительная модель получила слово, а не цифры в конце названия, что отличает новинку от всех видеокарт линейки GeForce GTX 600(700). Ускоритель вычислений NVIDIA Tesla K20X также основан на наиболее мощном чипе семейства Kepler, содержащем 2688 вычислительных CUDA-ядер, и вообще — это почти что близнец вышедшей игровой карты на этом же GPU, который применяется в быстрейшем суперкомпьютере мира под названием Titan. Поэтому неудивительно, что NVIDIA решила назвать свою игровую карту GeForce GTX Titan, чтобы рынок ассоциировал их игровые решения с успешными суперкомпьютерными.

На рынке GeForce GTX Titan не заменяет никакую модель видеокарты в линейке компании NVIDIA, а будет сосуществовать с двухчиповой GeForce GTX 690 в самых верхних ее строчках. Модель GTX 690 будет продолжать производиться и продаваться, так как эти две видеокарты друг другу ничуть не мешают — они очень разные. GeForce GTX 690 лучше подходит для одних целей, когда важен максимальный FPS, несмотря на объективные недостатки мультичипового AFR-рендеринга, а Titan лучше подойдет в качестве универсального решения с большим объемом локальной памяти и быстрым к ней доступом, что скажется в сверхвысоких разрешениях. Кроме того, Titan компактнее и требует меньше энергии, поэтому подойдет для большего количества систем, а еще он тише и предлагает дополнительные возможности вроде GPU Boost 2.0 и полноскоростных вычислений с двойной точностью.

В отличие от предыдущих быстрейших видеокарт на базе одного GPU компании NVIDIA последнего поколения, Titan сделан на базе чипа GK110 и имеет 384-битную шину памяти. Поэтому объем установленной на нее видеопамяти теоретически мог быть равен 3 или 6 ГБ. В случае столь дорогой и элитной модели установка 6 ГБ памяти совершенно оправдана, хотя из практических соображений было бы вполне достаточно и 3 ГБ. Но ведь это ровно как у лучших моделей конкурента, ставить с которыми Titan на одну полку NVIDIA явно не хочет. Ну и для серьезных вычислений объем в 6 ГБ может быть вполне актуальным. Так что даже в условиях самых требовательных приложений и максимальных настроек качества с полноэкранным сглаживанием любого уровня видеопамяти у Titan всегда хватит.

 

2. Конструкция и система охлаждения

 

 Длина платы GeForce GTX Titan — 10,5 дюймов (267 мм), для питания она использует один 8-контактный и один 6-контактный разъемы от блока питания. Для вывода изображения используется стандартный набор из двух разъемов Dual-Link DVI, одного HDMI и одного разъема DisplayPort.

Рисунок 1. Внешний вид GeForce GTX Titan

 

Дизайн корпуса GeForce GTX Titan схож с дизайном другой топовой видеокарты NVIDIA — GeForce GTX 680. Выглядит плата в целом очень солидно, и качество сборки и материалов на уровне. Понятно, что для премиум-сегмента принято использовать соответствующие материалы, и инженеры NVIDIA решили накрыть конструкцию «Титана» алюминиевой крышкой. В центре крышки есть прозрачное пластиковое окно, открывающее пытливому взору чудесный вид на испарительную камеру и двухслотовый алюминиевый радиатор, участвующий в охлаждении чипа GK110.

Логотип GeForce GTX на боковом торце видеокарты имеет светодиодную подсветку. Она служит также индикатором включения, а интенсивность подсветки светодиодами можно отрегулировать вручную, используя специальное ПО от партнеров NVIDIA. Можно даже настроить светодиоды так, чтобы интенсивность их свечения изменялась в зависимости от нагрузки на GPU.

Так как GeForce GTX Titan спроектирован и предназначен для энтузиастов и любителей выжать из системы все до последнего, это не могло не сказаться на некоторых технических решениях, примененных в конструкции. Сам чип GK110 снабжает энергией 6-фазная схема питания с защитой от перенапряжения, а дополнительная схема с двумя фазами используется для питания GDDR5 видеопамяти. 6+2-фазная схема обеспечивает плату питанием даже с учетом возможного разгона, процесс которого стал еще легче благодаря возможности повышения напряжения (читайте об этом ниже). К слову, сама NVIDIA уверяет, что при стандартном охлаждении для графического процессора возможно достижение тактовой частоты выше 1 ГГц.

Для своей новой видеокарты высшего класса инженеры NVIDIA разработали новую систему охлаждения, которая отличается высокой эффективностью. В кулере используется технология испарительной камеры, которая отлично рассеивает тепло, были увеличены ребра радиатора, а также в очередной раз улучшена схема управления вентилятором, изменяющая рабочее напряжение и частоту его вращения для достижения оптимального сочетания акустического и температурного режимов.

 

Рисунок 2. Схема охлаждения

 

Медная испарительная камера в кулере GeForce GTX Titan работает как тепловая трубка, но она более мощная и эффективная. Кроме того, для улучшения работы камеры используется новый материал термоинтерфейса от компании Shin-Etsu, который обеспечивает двукратное преимущество перед тем, что применялся ранее в GeForce GTX 680. В результате, новая испарительная камера и термоинтерфейс позволяют отводить больше тепла от GK110, давая возможность работы на более высокой тактовой частоте.

Тепло от испарительной камеры отводится при помощи большого двухслотового радиатора из алюминиевого сплава. По сравнению с предыдущими решениями линейки GeForce GTX 600, в кулере Titan применяются удлиненные ребра радиатора, что увеличивает площадь рассеивания и повышает его эффективность. На GeForce GTX Titan также установлена алюминиевая пластина с обратной стороны, которая дополнительно охлаждает печатную плату и компоненты на ней. В конструкции вентилятора используются те же демпфирующие материалы, что и в GeForce GTX 680 — они служат для снижения уровня шума.

 

3. Графическая архитектура

 

Новая модель GeForce GTX Titan основана на базе самого сложного видеочипа NVIDIA, да и вообще в мире. Интересно, что первое практическое применение процессор GK110 впервые получил в суперкомпьютере Окриджской национальной лаборатории, который получил имя собственное - Titan. Еще в ноябре прошлого года этот суперкомпьютер был включен в «суперкомпьютерный» список TOP500 как самое быстрое подобное устройство. Всего в конструкции Titan используется 18668 профессиональных вычислительных систем NVIDIA Tesla K20X, что позволило суперкомпьютеру показать рекордный результат в 17,59 петафлопс (речь о вычислениях двойной точности) в общепризнанном тесте Linpack.

Топовый GPU компании поддерживает все возможности, появившиеся в GK104 (GeForce GTX 680), и все особенности архитектуры Kepler относятся и к нему, включая организацию мультипроцессоров SMX, хотя есть и явные отличия. Графический процессор GK110 имеет в своем составе пять (нечетное число, что необычно) кластеров графической обработки Graphics Processing Cluster (GPC), состоящих из трех (снова нечетное!) мультипроцессоров SMX каждый, то есть схема 5×3, в отличие от схемы 4×2 для GK104. Видимо, при схеме 8×2 чип получался слишком сложным.

Объем локальной GDDR5 видеопамяти для Titan равен 6 ГБ. Столь огромный даже по нынешним меркам объем памяти явно предназначен для энтузиастов. Компания NVIDIA неоднократно получала запросы об увеличенном объеме памяти от пользователей — они хотят еще более высокой производительности в высоких разрешениях с применением нескольких мониторов в современных играх и проектах будущего. Пожалуй, в случае продукта премиум-класса и такой объем памяти вполне оправдан. А практически он может понадобиться разве что в расчетных GPGPU-задачах да при появлении первых мультиплатформенных игр, предназначенных для будущего поколения консолей, которые будут иметь довольно большой объем памяти. 6 ГБ памяти с 384-битным интерфейсом должны дать GeForce GTX Titan все необходимое для достижения высокой частоты кадров во всех возможных играх и условиях, даже в ближайшие годы.

Как и другие старшие модели, GeForce GTX Titan поддерживает фирменную технологию GPU Boost, теперь уже второй версии (подробнее см. ниже). Это комбинация программно-аппаратных решений, позволяющая автоматически увеличивать рабочие частоты GPU в зависимости от его энергопотребления для достижения максимальной производительности. Базовая тактовая частота графического процессора GK110 в GeForce GTX Titan равна 836 МГц, а средняя турбочастота (Boost Clock) равна 876 МГц, что немногим больше. Как и в случае предыдущих решений, это лишь средняя частота, которая изменяется в зависимости от игры и нагрузки, а реальные частоты GPU в играх могут быть и выше. Частота памяти GDDR5 в GeForce GTX Titan составляет традиционные 6008 МГц, как и в предыдущей топовой плате компании.

4. Технические характеристики

Частота ядра - 836 (876) МГц;

Количество универсальных процессоров - 2688;

Количество текстурных блоков - 224, блоков блендинга - 48;

Эффективная частота памяти - 6000 (1500×4) МГц;

Тип памяти - GDDR5, 384-битная шина памяти;

Объем памяти - 6 ГБ;

Пропускная способность памяти - 288,4 ГБ/с;

Вычислительная производительность (FP32/FP64) - 4,5/1,3 терафлопс;

Теоретическая максимальная скорость закраски - 40,1 гигапикселей в секунду;

Теоретическая скорость выборки текстур - 187,3 гигатекселей в секунду;