Предисловие

Появление видеокарт на основе графических процессоров NVIDIA G80 и ATI R600 обозначило начало нового этапа развития индустрии компьютерных игр: появилась поддержка нового интерфейса прикладного программирования (API, Application Programming Interface) от Microsoft — DirectX 10.

Ключевым условием поддержки DirectX 10 является унифицированная шейдерная архитектура графического процессора. Первой видеокартой, соответствовавшей данному требованию, была GeForce 8800 GTX на основе графического процессора G80 с его 128-ю унифицированными шейдерными конвейерами. Ответом компании ATI стал продукт под названием Radeon HD 2900 XT на основе графического процессора R600, обладающего 320-ю шейдерными конвейерами.

Исходя из характеристик вышеупомянутых видеокарт, несложно определить их теоретическую пиковую шейдерную производительность. Шейдерная подсистема R600 работает с той же тактовой частотой, что и остальная логика (740 МГц), в то время как у G80 частота этой подсистемы значительно выше (1,35 ГГц). Теоретическая пиковая шейдерная производительность Radeon HD 2900 XT равна 236,8 млрд. условных скалярных операций в секунду, а GeForce 8800 GTX — только 172,8 млрд. операций в секунду. Однако по результатам первых тестов, несмотря на преимущество в шейдерной производительности, видеокарта на основе R600 проиграла конкуренту от NVIDIA.

Многие пользователи, не ориентирующиеся в особенностях архитектуры современных графических процессоров, озадачены одним и тем же вопросом: почему видеокарта, обладающая в 2,5 раза большим количеством шейдерных конвейеров, проигрывает своему конкуренту? Ответом на данный вопрос послужит эта небольшая статья.

Архитектура графического процессора NVIDIA G80

Cвой новый графический процессор под кодовым названием G80 компания NVIDIA спроектировала на основе принципов скалярной унифицированной шейдерной архитектуры. Что характерно, каждый из его 128-и потоковых скалярных конвейеров (процессоров) может обрабатывать всего лишь по одной операции (команде) за такт. Несмотря на то, что ещё несколько лет назад казалось, что и 20-и конвейеров вполне достаточно, но необходимость в столь большом количестве всё же возникла. Особенность скалярных конвейеров состоит в том, что они могут производить вычисления лишь над одним операндом в некоторый момент времени, а традиционные конвейеры проектируются для одновременной параллельной (векторизированной) обработки 4 операндов.

Собственно, архитектура на основе унифицированных (универсальных) шейдерных конвейеров уже сама по себе способствует увеличению реальной производительности графического процессора. При использовании специализированных конвейеров, то есть когда одни предназначены исключительно для обработки вершинных (геометрических) шейдеров, а другие — пиксельных, часто возникают ситуации, когда при расчёте сцены основная нагрузка ложится на пиксельные конвейеры, а вершинные частично простаивают. Или наоборот. Унифицированная архитектура избавлена от этих недостатков, так как каждый шейдерный конвейер может обрабатывать как вершинные, так и пиксельные команды.

Блок-схема графического процессора NVIDIA G80 выглядит следующим образом:

Как уже было сказано выше, G80 — это первый графический процессор с поддержкой DirectX 10. Вслед за ним NVIDIA выпустила графические процессоры под кодовыми названиями G86, G84, а также серии G9x и GT200. Все они обладают унифицированной скалярной шейдерной архитектурой.

Сравнительная таблица видеокарт GeForce 8 Series:

Видеокарта	Чип	Тех- про- цесс	Кон- вейеры	Частота		Память					Fill Rate
		нм		ядра	шейдер. блоков	Объем	Тип	Частота (эфф.)	Ширина шины	ПСП	Mtex/s	Mpix/s
				МГц	МГц	МБ		МГц	бит	ГБ/c
8800 Ultra	G80	90	128	612	1512	768	GDDR3	2160	384	103,6	19584	14688
8800 GTX	G80	90	128	575	1350	768	GDDR3	1800	384	86,4	18400	13800
8800 GTS	G80	90	96	500	1200	320 / 640	GDDR3	1600	320	64,0	12000	10000
8800 GTS	G92	65	128	650	1625	512 / 1024	GDDR3	2000	256	64,0	41600	10400
8800 GT	G92	65	112	600	1500	256 / 512 / 1024	GDDR3	1800	256	57,6	33600	9600
8800 GS	G92	65	96	550	1375	384 / 768	GDDR3	1600	192	38,4	26400	8800
8600 GTS	G84	80	32	675	1450	256 / 512	GDDR3	2000	128	32,0	10800	5400
8600 GT	G84	80	32	540	1180	256 / 512	GDDR3	1400	128	22,4	8640	4320
8500 GT	G86	80	16	450	900	256 / 512	DDR2	800	128	12,8	3600	3600
8400 GS	G86	80	16	450	900	128 / 256 / 512	DDR2	800	64	6,4	3600	3600
8300 GS	G86	80	8	450	900	128 / 256 / 512	DDR2	800	64	6,4	1800	3600

Сравнительная таблица видеокарт GeForce 9 Series:

Видеокарта	Чип	Тех- про- цесс	Кон- вейеры	Частота		Память					Fill Rate
		нм		ядра	шейдер. блоков	Объем	Тип	Частота (эфф.)	Ширина шины	ПСП	Mtex/s	Mpix/s
				МГц	МГц	МБ		МГц	бит	ГБ/c
9800 GX2	2x G92	65	2x 128	600	1512	2x 512	GDDR3	2000	2x 256	2x 64,0	2x 38400	2x 9600
9800 GTX+	G92b	55	128	738	1836	512 / 1024	GDDR3	2200	256	70,4	47232	11808
9800 GTX	G92	65	128	675	1688	512 / 1024	GDDR3	2200	256	70,4	43200	10800
9800 GT	G92 G92b	65 55	112	600	1500	512 / 1024	GDDR3	1800	256	57,6	33600	9600
9600 GT	G94	65 / 55	64	600 650	1500 1635	256 / 512 / 1024	GDDR3	1800	256	57,6	19200 20800	9600 10400
9600 GSO	G92	65	96	550	1375	384 / 768	GDDR3	1600	192	38,4	26400	8800
9500 GT	G96	65 / 55	32	550	1400	256 / 512 / 1024	DDR2 GDDR3	1000 1600	128	16,0 25,6	8800	4400
9400 GT	G96	65 / 55	16	550	1400	256 / 512 / 1024	DDR2	800	128	12,8	4400	4400

Сравнительная таблица видеокарт GeForce 200 Series:

Видеокарта	Чип	Тех- про- цесс	Кон- вейеры	Частота		Память					Fill Rate
		нм		ядра	шейдер. блоков	Объем	Тип	Частота (эфф.)	Ширина шины	ПСП	Mtex/s	Mpix/s
				МГц	МГц	МБ		МГц	бит	ГБ/c
GTX 295	2x GT200b	55	2x 240	576	1242	2x 896	GDDR3	2000	2x 448	2x 111,9	2x 46080	2x 16128
GTX 285	GT200b	55	240	648	1476	1024 / 2048	GDDR3	2484	512	159,0	51840	20736
GTX 280	GT200	65	240	602	1296	1024	GDDR3	2214	512	141,7	48160	19264
GTX 275	GT200b	55	240	633	1404	896 / 1792	GDDR3	2268	448	127,0	50640	17724
GTX 260	GT200 GT200 GT200b	65 65 55	192 216 216	576	1242	896 / 1792	GDDR3	2000	448	111,9	36864 41472 41472	16128
GTS 250	G92b	55	128	738	1836	512 / 1024 / 2048	GDDR3	2200	256	70,4	47232	11808

Архитектура графического процессора ATI R600

Компания ATI выпустила свой ответ с запозданием примерно на полгода. За это время NVIDIA успела выпустить на рынок несколько видеокарт на основе G80.

Как уже было упомянуто, новый продукт под названием Radeon HD 2900 XT основан на графическом процессоре с кодовым названием R600, который обладает 320-ю унифицированными шейдерными конвейерами. Стоит отметить, что нельзя непосредственно сравнивать эти 320 конвейеров R600 со 128-ю конвейерами G80, поскольку отличия в их архитектуре более чем существенны. Об этом и в подробностях.

Как и в случае G80, каждый из шейдерных конвейеров R600 может выполнять одну операцию за такт. Дело в том, что конвейеры R600 не являются скалярными в широком смысле этого слова, так как они группируются в блоки по 5 штук. Каждый из этих 64 суперскалярных блоков может выполнять за такт одну скалярную операцию и одну векторизированную на 4-х конвейерах сразу. Теоретически одна такая векторизированная команда эквивалентна 4-м скалярным, но не всегда. Говоря простым языком, 4 одинаковые скалярные операции можно преобразовать в 1 векторизированную. Если же эти 4 скалярные операции отличаются по характеру, то такое преобразование невозможно. Это не имело бы никакого значения, если бы все операции с шейдерами были векторизированными, но на деле всё обстоит иначе, и прямая аналогия между 5-ю конвейерами ATI типа Vec 4+1 и 5-ю скалярными конвейерами NVIDIA просматривается далеко не всегда, поскольку в реальных приложениях доля независимых скалярных расчётов довольно значительна. Очевидно, что это негативно отражается на реальной производительности R600.

Какова же теоретическая производительность R600 с 64-ю шейдерными блоками Vec 4+1? Получается, что 47,3 млрд. векторных и столько же скалярных операций в секунду. В таком случае, в зависимости от соотношения количества скалярных и векторных операций в программе, превосходство R600 над G80 с его 43,2 млрд. векторных операций в секунду составит 9-19% при полной векторной нагрузке, а при полностью скалярной примерно двукратное превосходство получит G80. Как показывает практика, в общем случае суперскалярная архитектура R600 не имеет явного преимущества над скалярной архитектурой G80.

Блок-схема графического процессора ATI R600:

Суперскалярную архитектуру R600 унаследовали и новые графические процессоры, которые принадлежат к следующим поколениям видеокарт ATI, то есть HD 3xxx и HD 4xxx.

Сравнительная характеристика видеокарт HD 2xxx:

деокарта	Чип	Тех- про- цесс	Кон- вейеры	Частота ядра	Память					Fill Rate
		нм		МГц	Объем	Тип	Частота (эфф.)	Ширина шины	ПСП	Mtex/s	Mpix/s
					МБ		МГц	бит	ГБ/c
HD 2900 XT	R600	80	320	740 740 825	512 1024 1024	GDDR3 GDDR4 GDDR4	1650 2000 2100	512	105,6 128,0 134,4	11800 11800 13200	11800 11800 13200
HD 2900 Pro	R600	80	320	600	512 512 1024	GDDR3 GDDR3 GDDR4	1600 1600 1850	512 256 512	102,4 51,2 118,4	9600	9600
HD 2900 GT	R600	80	240	600	256	GDDR3	1600	256	51,2	9600	9600
HD 2600 XT	RV630	65	120	800	256 / 512	GDDR4 GDDR3	2200 1400	128	35,2 22,4	6400	3200
HD 2600 Pro	RV630	65	120	700 600	256 / 512	GDDR3 DDR2	1400 800	128	22,4 12,8	5600 4800	2800 2400
HD 2400 XT	RV610	65	40	700	256 / 512	GDDR3	1400	64	11,2	2800	2800
HD 2400 Pro	RV610	65	40	525	256 / 512	DDR2	800	64	6,4	2100	2100

Сравнительная характеристика видеокарт HD 3xxx:

Видеокарта	Чип	Тех- про- цесс	Кон- вейеры	Частота ядра	Память					Fill Rate
		нм		МГц	Объем	Тип	Частота (эфф.)	Ширина шины	ПСП	Mtex/s	Mpix/s
					МБ		МГц	бит	ГБ/c
HD 3870 X2	RV670	55	2x 320	825	2x 512	GDDR3 GDDR4	1800 2250	2x 256	2x 57,4 2x 72,0	2x 13200	2x 13200
HD 3850 X2	RV670	55	320	670	2x 512	GDDR3	1660	2x 256	2x 53,1	2x 10720	2x 10720
HD 3870	RV670	55	320	775	512 / 1024	GDDR3 GDDR4	1800 2250	256	57,6 72,0	12400	12400
HD 3850	RV670	55	320	670	256 / 512	GDDR3	1660	256	53,1	10720	10720
HD 3650	RV635	55	120	725	256 / 512	GDDR3 DDR2	1600 1000	128	25,6 16,0	5800	2900
HD 3470	RV620	55	40	800	256 256 512	GDDR3 GDDR3 DDR2	1900 1400 1000	64	15,2 11,2 8,0	3200	3200
HD 3450	RV620	55	40	500	256 / 512	DDR2	1000	64	8,0	2400	2400

Сравнительная характеристика видеокарт HD 4xxx:

Видеокарта	Чип	Тех- про- цесс	Кон- вейеры	Частота ядра	Память					Fill Rate
		нм		МГц	Объем	Тип	Частота (эфф.)	Ширина шины	ПСП	Mtex/s	Mpix/s
					МБ		МГц	бит	ГБ/c
HD 4870 X2	RV770	55	2x 800	750	2x 1024	GDDR5	3600	2x 256	2x 115,2	2x 30000	2x 12000
HD 4850 X2	RV770	55	800	625	2x 512 / 2x 1024	GDDR3	2000	2x 256	2x 64,0	2x 25000	2x 10000
HD 4890	RV790	55	800	850	512 / 1024 / 2048	GDDR5	3900	256	124,8	34000	13600
HD 4870	RV770	55	800	750	512 / 1024 / 2048	GDDR5	3600 4000	256	115,2 128,0	30000	12000
HD 4850	RV770	55	800	625	512 / 1024	GDDR3	2000	256	64,0	25000	10000
HD 4830	RV770	55	640	575	512 / 1024	GDDR3	1800	256	57,6	18400	9200
HD 4770	RV740	40	640	750	512 / 1024	GDDR5	3200	128	51,2	24000	12000
HD 4650	RV730	55	320	750	512 512 1024	GDDR4 GDDR3 GDDR3	2200 2000 1800	128	35,2 32,0 28,8	24000	6000
HD 4650	RV730	55	320	600	512 / 1024 512	DDR2 GDDR3	1000 1400	128	16,0 22,4	19200	4800
HD 4550	RV710	55	80	600	256 / 512	GDDR3	1600	64	12,8	4800	2400
HD 4350	RV710	55	80	575	256 / 512	DDR2	1000	64	8,0	4800	2400

Выводы

Несмотря на свою теоретическую шейдерную мощь видеокарты ATI на практике не столь сильны, как может показаться на первый взгляд. В современных играх значительную часть времени занимают скалярные расчёты, что снижает реальную производительность систем на основе видеокарт ATI. С другой стороны, оптимизация шейдерного кода позволяет минимизировать этот недостаток.

Примером может послужить сравнение видеокарт GeForce GTX 295 и Radeon HD 4870 X2. Продукт от NVIDIA основан на двух графических процессорах GT200b с 240-ю унифицированными скалярными шейдерными конвейерами каждый, в то время как решение от ATI содержит по 800 конвейеров в каждом из своих двух графических процессоров RV770. Но на самом деле HD4870 X2 имеет только 320 шейдерных блоков (по 160 на графический процессор), производительность которых на скалярных операциях существенно уступает производительности конкурента.

Отсюда ответ на вопрос, почему видеокарта с 480-ю шейдерными конвейерами побеждает видеокарту, у которой их 1600, звучит примерно так: видеокарты ATI Radeon обладают суперскалярной архитектурой, в отличие от видеокарт NVIDIA GeForce с их скалярной архитектурой, и реальное количество шейдерных блоков у видеокарт ATI значительно меньше заявленного количества конвейеров.

Однако тот факт, что в 3D-приложениях, выпущенных к моменту выхода R600, суперскалярная архитектура не оправдала ожиданий, вовсе не означает, что в ATI неверно выбрали направление и создали ущербную базовую архитектуру. Во время разработки R600 основной акцент был сделан именно на вычисления, а не на скорость текстурирования или скорость заполнения (fill rate) — R600 показывает отличные результаты почти по всех синтетических тестах, особенно в геометрических, а также в тестах сложных пиксельных шейдеров с ветвлениями. Поэтому количество блоков текстурирования и растеризации не столь значительно, как ранее предполагалось. Превосходство R600 в шейдерной производительности будет тем значительнее, чем сложнее (векторизированнее) будут шейдерные операции.

Послесловие

В данной статье было произведено сравнение архитектуры графических процессоров NVIDIA G80 и ATI R600. Аналогичное сравнение применимо и для последующих поколений видеокарт со скалярной (GeForce 8 / 9 / GTX) и суперскалярной (Radeon HD 2xxx / HD 3xxx / HD 4xxx) архитектурой.

Краткий справочник терминов, упоминающихся в статье

Шейдер (shader) — это программа для одной из ступеней графического конвейера, используемая в трёхмерной графике для определения окончательных параметров объекта или изображения. Она может включать в себя произвольной сложности описание поглощения и рассеяния света, наложения текстуры, отражение и преломление, затенение, смещение поверхности и эффекты пост-обработки.

Пиксельный шейдер (pixel shader) работает с фрагментами изображения, под которыми в данном случае подразумеваются пикселы, обладающие некоторым набором атрибутов, таких как цвет, глубина, текстурные координаты. Пиксельный шейдер используется на последней стадии графического конвейера для формирования фрагмента изображения.

Вершинный шейдер (vertex shader) оперирует данными, сопоставленными с вершинами многогранников. К таким данным, в частности, относятся координаты вершины в пространстве, текстурные координаты, тангенс-вектор, вектор бинормали, вектор нормали. Вершинный шейдер может быть использован для видового и перспективного преобразования вершин, генерации текстурных координат, расчета освещения и т. д.

Геометрический шейдер (geometry shader), в отличие от вершинного, способен обработать не только одну вершину, но и целый примитив. Это может быть отрезок (две вершины) и треугольник (три вершины), а при наличии информации о смежных вершинах (adjacency) может быть обработано до шести вершин для треугольного примитива. Кроме того, геометрический шейдер способен генерировать примитивы «на лету», не задействуя при этом центральный процессор.

Шейдерный конвейер (процессор) — это устройство для обработки одного элемента данных одной командой (типичными элементами данных могут быть целые или числа с плавающей запятой).

Блок растеризации (ROP, Raster Operator) — устройство, выполняющее Z-буферизацию, сглаживание и запись обработанного изображения в буфер кадра видеокарты.

Блок текстурирования (TMU, Texture Mapping Unit) — устройство, отвечающее за наложение изображений (текстур) на поверхности геометрических объектов.