Arial Georgia Tahoma Times New Roman Verdana

Влияние количества исполнительных блоков на общую производительность архитектуры Nvidia G8x

Поводом для исследования вопроса производительности архитектуры Nvidia G8x при разном количестве активных шейдерных блоков и написания этой небольшой заметки, послужили как уже существующие урезанные решения среднего и младшего уровня этой архитектуры, так и возможные будущие решения обеих лидирующих на рынке компаний, разрабатывающих видеочипы, в которых количество универсальных шейдерных блоков (а, скорее всего и соотношение количества блоков разного назначения) будет изменено.

Очень интересно, насколько отличается производительность подобных решений при разном количестве блоков, исполняющих вершинные и пиксельные шейдеры в уже существующих играх. Исследование поможет оценить и то, насколько сильно на скорости рендеринга сказывается шейдерная производительность, и как сильно современные игры ограничены скоростью текстурирования и филлрейтом.

В топовых видеочипах имеется большое количество ALU, которые занимаются исполнением всех типов шейдеров, но нужно ли такое их количество существующим приложениям? Нагружают ли имеющиеся игры эти блоки соответствующим количеством пиксельных и вершинных шейдеров (про геометрические пока даже не заикаемся) или можно было бы ограничиться меньшим числом таких блоков, и сниженное их количество в чипах среднего и низшего ценового диапазонов оправдано?

Сегодня мы постараемся ответить на все эти вопросы, исследовав сравнительную производительность Geforce 8800 GTX в нескольких распространенных играх при разном количестве активных блоков. Как вы знаете, в G80 общее число этих блоков равно 128. При помощи известной утилиты RivaTuner от Алексея Николайчука, которая позволяет отключать эти блоки, мы сделали замеры производительности с 32, 64, 96 и 128 активными блоками для того, чтобы оценить сравнительную скорость рендеринга в известных играх, список которых приведен ниже. К сожалению, «чистого» исследования сделать не удастся, так как в архитектуре G8x нельзя отключить исполнительные блоки ALU отдельно от блоков текстурирования (TMU).

Конфигурация и настройки тестовой системы

При тестировании использовалась следующая программно-аппаратная конфигурация:

• Процессор: AMD Athlon 64 X2 4600+ Socket 939
• Системная плата: Foxconn WinFast NF4SK8AA-8KRS (Nvidia nForce4 SLI)
• Оперативная память: 2048 Мб DDR SDRAM PC3200
• Видеокарта: Nvidia Geforce 8800 GTX 768MB
• Жесткий диск: Seagate Barracuda 7200.7 120 Gb SATA
• Операционная система: Microsoft Windows XP Professional SP2
• Видеодрайвер: Nvidia ForceWare 158.22

Использовались два режима видеонастроек: стандартный режим наиболее распространенного разрешения 1280x1024 (или ближайший к нему 1280x960 для игр без поддержки такового) без использования анизотропной фильтрации и антиалиасинга; и режим высокого качества — с разрешением экрана 1600x1200 пикселей, с включенными мультисэмплингом 4x и анизотропной фильтрацией максимально возможного уровня — 16x. Два режима были выбраны для того, чтобы исключить упор в производительность CPU и другие исполнительные блоки GPU.

Набор игр, использовавшихся в наших тестах, включает только стандартные бенчмарки, часто используемые в статьях: Quake 4, F.E.A.R., Serious Sam 2, Call of Juarez, Company of Heroes, S.T.A.L.K.E.R.: Shadow of Chernobyl. Игры, не предоставляющие стандартных средств для измерения производительности, в этот раз не применялись, для предлагаемого исследования достаточно и представленных выше. Из дополнительного программного обеспечения использовалась утилита RivaTuner 2.02.

Результаты тестирования

Quake 4 1.3

Игра использует графический движок, появившийся еще в игре DOOM 3 три года назад. Он уже порядком устарел и полученные нами результаты не должны сильно зависеть от количества исполнительных шейдерных блоков. Кроме того, Quake 4 достаточно процессорозависим, так как использует центральный процессор системы в алгоритме расчета и наложения теней, и для расчета физических взаимодействий. Рассмотрим на практике сначала «легкий» режим:

Так и есть, процессорозависимость в разрешении 1280x1024 налицо. Снижение производительности отмечено только при 32 активных шейдерных блоках, в остальных случаях скорость близкая. Рассматриваем «тяжелый» режим:

Вот тут уже видно, что в таком режиме с включенными анизотропной фильтрацией и антиалиасингом, нагружающим видеокарту, скорость ограничена в том числе количеством и мощностью шейдерных блоков и блоков текстурирования, только при переходе от 96 к 128 блокам скорость сильно ограничена чем-то другим и мало зависит от количества активных ALU. Интересно, что даже такая устаревшая игра, как Quake 4, довольно сильно зависит от мощности исполнительных блоков, можно было бы ожидать большей зависимости от блоков ROP. Хотя зависимость от количества исполнительных блоков не полная, игре явно хватило бы и меньшего количества шейдерных блоков, чем есть в наличии у G80.

F.E.A.R.

Игра F.E.A.R. также использует для наложения теней алгоритмы, схожие с теми, что есть в DOOM 3 и использует CPU для физических расчетов, что может ограничивать производительность в «легком» режиме. Но всё же в F.E.A.R. скорость рендеринга более всего зависит от мощности видеокарты, от филлрейта и пропускной способности памяти. Проверим, что получится при тестировании встроенным бенчмарком в первом тестовом режиме:

Как и в предыдущем случае, скорость ограничена центральным процессором, и количество активных ALU у G80 не сильно влияет на общую производительность. Смотрим более сложные условия:

Наше раннее предположение в том, что скорость в большей степени ограничена филлрейтом, не оправдывается. Зависимость от количества шейдерных и текстурных блоков имеется, хотя и не такая явная. Ситуация почти полностью повторяет ту, что мы видели в Quake 4, прирост производительности невелик только в последнем случае, а до того прослеживается явное влияние мощи исполнительных блоков на общую скорость рендеринга, хотя и не соответствующее их сравнительному количеству.

Serious Sam 2

Еще одна довольно старая игра, производительность которой больше зависит от видеокарты, особенно на уровнях с не очень большим количеством врагов. Движок игры не ставит особенно сложных задач перед блоками исполнения шейдеров, зато нагружает текстурные, поэтому мы, скорее всего, увидим примерно ту же картину, что и в двух уже исследованных играх.

Легкий режим традиционно показывает упор в скорость CPU, и только в случае с 32 активными блоками ALU наблюдается сильный спад общей производительности, когда скорость рендеринга значительно снижается. В сложном режиме такого повториться не должно:

Видим почти то же самое, что и в других протестированных играх, хотя зависимость производительности от количества активных блоков тут еще заметнее, особенно в случае 32 и 64 шейдерных блоков. Но даже потом зависимость остаётся явной, игра получает прирост скорости рендеринга, в том числе от увеличения количества активных блоков ALU до 96 и 128 штук. Но, судя по всему, не сами по себе блоки ALU служат ограничивающим скорость фактором, а «привязанные» к ним блоки текстурирования.

Call of Juarez

Это уже относительно новая игра, отличающаяся весьма технологичным игровым движком (в нашем материале использовалась Direct3D 9 версия игры). Как мы определили в технологическом обзоре, производительность в Call of Juarez более всего ограничена видеокартой, именно на неё ложится большая нагрузка. В игре много геометрии и очень много пиксельной обработки, которой занимаются как раз те блоки, количество которых мы сегодня изменяем. Процессор может ограничивать производительность только из-за большого количества вызовов отрисовки, но в игре есть оптимизации, снижающие это воздействие, так что скорость CPU не должна стать серьёзным ограничивающим фактором в этот раз.

Это, пожалуй, первая игра, в которой мы видим такую явную зависимость от количества шейдерных и текстурных блоков даже в легком режиме. И эта зависимость почти одинакова для обоих режимов, игра в очередной раз подтверждает то, что скорость рендеринга в ней зависит от мощности видеокарты, прежде всего. Видно, что скорость увеличивается с каждым шагом очень сильно, хотя и не прямо пропорционально количеству блоков. Это говорит о том, что количество и мощность блоков по выполнению вершинных и пиксельных шейдеров в Call of Juarez оказывает сильнейшее влияние на получаемую частоту кадров в секунду.

Company of Heroes

А вот игра, не являющаяся шутером от первого лица, а стратегией в реальном времени. К сожалению, встроенный бенчмарк в Company of Heroes не отражает игровой производительности, там показывается скриптовый ролик, мало похожий на саму игру, но все же будет интересно посмотреть на разницу в скорости рендеринга кинематографических сцен движком игры с разным количеством активных блоков GPU. Использовалась Direct3D 9 версия игры. Рассмотрим сначала легкий режим:

Пусть здесь зависимость и не такая явная, как в Call of Juarez, но она явно больше, чем в старых играх, которые были в начале. Упор в центральный процессор наблюдается только в случае 96 и 128 блоков, выполняющих вершинные и пиксельные шейдеры.

В тяжелом режиме ситуация почти повторяет ту, что мы видели в прошлый раз: приросты скорости от увеличения количества ALU есть всегда, и довольно большие. Хотя частота кадров и зависит в том числе от мощности других блоков видеочипа, зависимость от мощности шейдерных и текстурных вычислений велика, особенно в случае 32 и 64 процессоров.

S.T.A.L.K.E.R.: Shadow of Chernobyl

Эта самая новая игра включена в статью из-за своей популярности и технологической «продвинутости», в ней используются многие новые и интересные технические решения. К счастью, после патчей разработчики игры добавили возможность записи и проигрывания демок, а также соответствующего почти полноценного тестирования производительности. «Почти полноценного» потому, что в демке не записывается геймплей, а просто производится «облёт» местности, что хоть не позволяет считать такое тестирование геймплейным, но всё же лучше, чем ничего. Смотрим, что у нас получается в режиме 1280x1024 при условии максимальных игровых настроек:

Как и в первых протестированных играх, скорость рендеринга очень сильно ограничена мощностью центрального процессора, небольшая разница в полученном количестве кадров в секунду есть лишь в случае наименьшего количества активных исполнительных блоков. Посмотрим, что получится в более сложном режиме:

К сожалению, Direct3D 9 движок игры не позволяет использовать мультисэмплинг, поэтому для видеокарты задача сильно облегчена. Что мы и видим в полученных цифрах — производительность уменьшена только в случае 32 активных шейдерных блоков, в остальных случаях она примерно равна. Причем, как видите сами, при изменении режима производительность уменьшилась совсем чуть-чуть, что говорит о сильном упоре скорости в мощность CPU или в какой-то другой параметр, но явно не в возможности GPU. Это делает тестирование Direct3D 9 режима почти бесполезным для наших сегодняшних тестов, в таком случае производительность игры не зависит ни от количества ALU, ни от количества TMU, исключая самую слабую конфигурацию.

Выводы

• На данный момент в современных играх скорость рендеринга в легких графических режимах зачастую ограничена производительностью центрального процессора, и ускорения от увеличения количества шейдерных блоков и блоков текстурирования в таких случаях нет. Так что для видеокарт среднего и нижнего ценовых диапазонов, которые и эксплуатируются в похожих условиях (относительно низкое разрешение, не максимальные настройки качества, отключенные антиалиасинг и анизотропная фильтрация), пониженное количество универсальных блоков в соответствующих GPU вполне оправдано.



• В тяжелых же режимах высокого разрешения с максимальными настройками, производительность чаще ограничивается как раз количеством и скоростью исполнительных шейдерных блоков и блоков текстурирования. Почти во всех играх явно видна разница в производительности между конфигурациями с 32 и 64, 64 и 96 активными блоками, а вот между 96 и 128 разница уже значительно меньше. Делаем основной вывод, что для современных игр в тяжелых условиях количество исполнительных и текстурных блоков очень важно, им всегда найдется работа.



• Наблюдается явная зависимость от времени выхода игры — более новые приложения требовательнее относятся к мощности и количеству блоков, что можно увидеть на примере Call of Juarez и Company of Heroes. Эти игры показывают, что важность мощных вычислительных блоков в видеочипах в дальнейшем будет только расти. Тем более, если речь пойдет о будущих играх, которые не просто будут активнее использовать вершинные и пиксельные шейдеры, но ещё и геометрические шейдеры. Исключением стала игра S.T.A.L.K.E.R., ограничение скорости производительностью CPU при максимальных настройках качества в ней настолько явное, что между конфигурациями с 64 и 128 потоковыми процессорами практически нет разницы. Но всё же большинство игр не такие, в высоких разрешениях они редко упираются в скорость CPU.