DX11 и DX12: а есть ли между ними разница?

Сменяются видеокарты, игры, процессоры, а смена DX11 на DX12 тянется еще с 2015 года, поэтому многие и забыли, чем эти версии отличаются друг от друга, и что же принесет новая API. В большей части на этом лежит вина и самого Microsoft, так как они сделали DX12 достоянием исключительно Win10, заявив что на более старых системах DX12 невозможно реализовать, но не так давно появилась информация, что поддержка DX12 все же появится на win7, и первой игрой будет World of Warcraft. В результате долгое время компьютеров с поддержкой DX12 было крайне мало, чтобы разработчикам игр вообще стоило обращать на этот сегмент свое внимание. Пожалуй, только сама Microsoft и ее дочерние игровые компании перешли на полноценный выпуск игр на DX12, но среди них не было значимых шедевров, и, пожалуй, самая узнаваемая серия — это Forza Horizon.

Однако, на начало 2019 года ситуация стала меняться, и, прежде всего, мы уже видим в статистике STEAM, что большинство компьютеров (64.53%) уже имеют как видеокарту так и операционную систему, совместимую с DX12, и стоит напомнить, что последнее поколение приставок Microsoft и Sony тоже поддерживают DX12, что в итоге дает нам абсолютное большинство игровых устройств DX12 ready.

В итоге мы видим, что на конец 18 и начало 19 года все больше и больше игр отказываются от DX11 как основного API в пользу как DX12, так и Vulkan. Вот их список:

• Lara Croft Shadow of the Tomb Raider
• Resident evil 2 (remake)
• Crackdown 3
• Metro Exodus
• The Division2
• Devil may cry 5

Готовятся к выходу и, скорее всего, будут иметь поддержку Vulkan или DX12

• DOOM Eternal
• Wolfenstein Youngblood
• Serious Sam 4
• Star wars fallen order
• Rage 2 

Поскольку мы выяснили, что для полномасштабного ввода DX12 есть как готовность со стороны пользователей, так и достаточное кол-во крупных проектов, то стоит освежить знания о этом API. Вероятнее всего, вы считаете, что самым главным отличием DX12 от своего предшественника является возможность трассировки лучей, и на этом все отличия заканчиваются, но это вовсе не так. Давайте взглянем на отличия этих двух версий, чтобы нам лучше понимать, чего эти версии могут и не могут, и что реально принесет DX12.

Помимо упомянутой трассировки лучей DX12 включал в себя такую технологию как Multi Gpu — это возможность объединения нескольких видеокарт даже различных производителей для обработки изображения. Звучит здорово, но, на мой взгляд, технология имеет мало шансов на широкое применение, и вот почему. Для разработчика игр придется сначала заставить работать просто неимоверное кол-во различных вариаций видеокарт, потом еще это все протестировать, а это очень много времени и очень много затрат, а выгоды от введения сомнительны. Для разработчика GPU это будет означать, что можно купить менее мощную видеокарту и установить ее параллельно, причем это может быть видеокарта их конкурента, в итоге это будет влиять на среднюю цену купленных у них устройств — для достижения искомой производительности можно будет покупать видеокарту классом ниже. Вообще стоит вспомнить SLI и CrossFire -  много ли игр поддерживают эти технологии? Вот мы и добрались до наиболее значимых отличий DX12 от предшественника — работа с потоками CPU.

Таким образом выглядит пример работы игры с DX11: один поток отвечает за обработку видео, на остальных работают другие части движка, например звуковой движок, сетевая часть, расчет NPC и так далее, главное, что за самую емкую и сложную часть отвечает только 1 ядро процессора. Теоретически DX11 может работать максимум с двумя потоками, но, к сожалению, как показывает практика, это остается только теорией. DX12 уже способен работать с восемью потоками, и выглядит это так:

DX12 распределяет по потокам/ядрам самую объемную задачу по подготовке данных и последующей обработке их на GPU, что влияет положительно на производительность. Производительность, разумеется, не вырастает в 8 раз, так как этот процесс не идеально масштабируемый, и есть и другие узкие места. Забавно отметить, что результаты работы в случае всего одного потока или восьми отправляются на GPU о обрабатываются тысячами ядер CUDA или CU в зависимости от вендора GPU.

Что же происходит с данными попавшими в GPU?

Вверху видна последовательность обработки данных DX11, которая происходит в строго установленном порядке, и без выполнения предыдущих задач следующие не могут быть реализованы, тогда как DX12 имеет возможность разделения и исполнения этих задач на разных ядрах нашего GPU, что обеспечивает большую загрузку самого GPU и приводит к уменьшению задержек и росту FPS. Важно отметить, что скорость исполнения самих элементов, из которых состоит вся задача, не увеличивается. Весь выигрыш в производительности достигается только за счет оптимизации очереди — это и называется асинхронные вычисления.

Давайте теперь взглянем на то, что же конкретно подготавливает CPU для последующей обработки на GPU, если конечную картинку мы видим в таком виде:

То процессор передает каркас изображения в виде сетки полигонов для последующей закраски — аналогия с деткой книжкой-раскраской более чем уместна.

Каждый из полигонов обрабатываются на CPU и называется вызовом отрисовки или draw call. Соответственно, чем больше полигонов в кадре мы видим, тем больше нагрузка на CPU, такие ситуации наиболее характерны для игр с открытым миром и появления большого количества объектов в кадре, особенно если это очень детализированные объекты как NPC. В других случаях — когда мы смотрим в небо или видим незначительное кол-во полигонов в каком-нибудь ограниченном пространстве, например, коридоре, где вызовов отрисовки не так много, преимущества DX12 тают. Давайте перейдем к выводам из теоретической части знакомства с DX12.

1. В визуальном плане DX12 имеет очень скудные преимущества перед DX11 - лучи это самое яркое отличие.

2. Программирование под DX12 сложнее, и все преимущества нового API раскрываются полностью, только когда движок изначально разрабатывается, а не адаптируется под него.

3. Для несложных сцен, где в кадре мало объектов/предметов и полигонов, DX12 может показывать меньшую производительность по сравнению с DX11, так как все вызовы отрисовки прекрасно успевают обрабатываться на 1 ядре процессора, а в случае с DX12 результаты работы восьми потоков надо еще синхронизировать. Это может быть верно для целых игр, а не просто сцен, если они в своей основе имеют несложную графику.

4. DX12 не снижает нагрузку на процессор, а, наоборот, увеличивает, только при этом нагрузка распределяется до 8ми ядер/потоков процессора а не ложится на 1 ядро.

5. Выигрыш от перехода на DX12 будет у процессоров с небольшой производительностью на ядро, но большим их количеством, например, как серия FX от AMD.

Синтетический тест 3D mark Api Overhead Test https://3dnews.ru/911658

Наблюдаем в кадре то самое большое количество объектов, и результат — отличие на  порядок,- это действительно огромная разница, даже если сделать скидку на то, что это синтетический тест.

Игровые тесты

Тестовая конфигурация

• FX 6300 @4500
• DDR3 2133
• RX 580 8GB

Lara Croft Shadow of the Tomb Raider

Для рассмотрения возьмем последнюю сцену из 3х тестовых отрезков — она наиболее характерна большим количеством вызовов отрисовок.

Обратите внимание на загрузку процессора: слева DX11 74%, справа DX12 100%.

Первые 3 значения относятся к последней сцене теста, четвертое же значение — это результат по всем трем сценам. Примечательно что максимальный кадр, который был отмечен, был в момент показа именно куска неба, и разницы между API нету, в то время как наибольшая разница отмечена именно в минимальных кадрах, и достигает она внушительных 43%. То есть, в самых графически нагруженных сложных сценах мы видим наибольшую пользу от перехода на DX12.

Resident Evil 2 remake

В этом тесте мы видим куда менее тривиальные результаты: падение максимального и среднего кадра, но и подъем минимальных значений аж на целых 33%. То есть, в моментах, где производительности 1 потока вполне хватает, DX11 даже быстрее, но как только сцена усложняется и производительности 1 потока недостаточно, DX12 раскрывается, что переносит весь игровой процесс до 60+ кадров, а DX11 опускается до условно неиграбельных 45. Боюсь именно с такими результатами и связана такая нелюбовь тестеров к DX12, так как в нем может быть меньше максимальных кадров, и даже, что может показаться совсем неприемлемым, и средние кадры, однако, как ни парадоксально, DX12 при этом более комфортен для игры.

Давайте перейдем к связкам с другим видеокартами и процессорами и понаблюдаем за результатами. Для этого выберем 4 игры:

• Lara Croft Shadow of the Tomb Raider
• Resident Evil 2 remake
• Division2
• Metro Exodus

Все эти игры работают как в режиме DX11, так и DX12. Давайте сравним, каковы будут изменения от смены API. Во всех тестах в качестве CPU применялся 9900K в разгоне до 5.0. Другими словами, мы увидим ситуацию, когда процессор не ограничивал нашу производительность.

Данные в таблице — это изменения в % между API. Интересно, что видеокарты семейства Pascal по-разному реагируют на DX12, несмотря на одинаковую архитектуру в их основе, прироста на младших моделях нет, связано ли это с работой драйвера или аппаратной части, находится за рамками этого блога. Нужно констатировать только одно: на видеокартах, формально имеющих поддержку DX12_1, прироста от перехода на новый API может не быть. С другой стороны, видеокарта RX 580, формально имеющая поддержку только DX12_0, дает прирост в 9% как топовая GTX 2080, прирост у видеокарт Vega доходит до 17%, что является просто потрясающим результатом. В любом случае мы замечаем прирост на последних сериях видеокарт от 5% до почти 20% производительности, и это очень значительное изменение. Что можно сказать — даже в связке с мощным процессором на современных видеокартах переход на DX12 оправдан и увеличивает производительность, если провести подобные тесты с менее производительным процессором, то отличия будут еще более существенны.

Справедливо будет заметить, что у компании Nvidia традиционно была хорошая производительность под DX11, и можно было бы предположить, что DX12 просто мог не давать таких преимуществ как у конкурентов. Давайте немного отвлечемся от темы сравнения API и взглянем более пристально на сами видеокарты.  

Что ж, в DX11 видим тотальное доминирование продуктов Nvidia, и только Vega 56 немного опережает своего визави в виде GTX1070.

Однако при переходе на DX12 ситуация кардинально меняется, и Vega 56 опережает GTX 1070 уже на 13% и отстает на 7,6% от GTX1080, Vega 64 же опережает GTX 1080 5.4% и не дотягивает до RTX 2070 всего 2%! Да, похоже, AMD не зря в своих презентациях много внимание уделяла DX12 — действительно, их продукция намного лучше чувствует себя под новым API.

В качестве вывода можно сказать, что для владельцев старых процессоров, которые приобрели одни из последних серий видеокарт, переход на DX12 в любимой игре даст ощутимую прибавку производительности вплоть до 50%, при использовании DX12 на топовых видеокартах и процессорах выигрыш DX12 может составлять 10-20%, что тоже крайне не мало, поэтому все больше и больше разработчиков обращают внимание на новый API, и если в 19 году как минимум 50% из крупных, так называемых AAA, игр вышло с поддержкой DX12, то с выходом консолей нового поколения как от Microsoft, так и от Sony игровая индустрия окончательно перейдет на новый стандарт, поэтому при покупке видеокарты уже сейчас стоит обращать внимание преимущественно на тесты именно в этом API. Поэтому, скажем, новые серии Turing в виде 1660 1660ti 1650 1650ti могут быть намного привлекательнее, чем это могло бы казаться на первый взгляд т.к. по сравнению с 1050ti,1060, 1070 они действительно быстрее работают под новым API.

Результаты последних тестов взяты со страниц сайта gamegpu.com

Больше моих тестов и обзоров вы найдете на моем youtube канале.

P.S. Говоря о различиях Vulkan и DX12, надо упомянуть, что в состав последнего входит DirectX Audio, который стандартизирует работу с аудио, что очень сильно упрощает разработку, в Vulkan подобного нет. Так же эти API отличаются в топологии своей работы, и программирование под ними несколько разное, но основная цель DX12 и Vulkan - это отвязать работу вызовов отрисовки от одного лишь ядра, и с этой задачей оба API справляются.