Видеокарта в нагрузку: обзор графических ускорителей Intel HD Graphics 4000 и Intel HD Graphics 2500

Ещё несколько лет тому назад разговор о производительности встроенных графических ядер не имел практически никакого смысла. Полагаться на такие решения можно было лишь в тех случаях, когда работа с трёхмерной графикой не входила в число возможных применений компьютера, потому что встроенные графические ядра по сравнению с дискретными видеоакселераторами обладали минималистичной функциональностью в 3D-режимах. Однако к сегодняшнему дню эта ситуация в корне изменилась. Начиная с 2007 года зачинщик основной массы изменений на компьютерном рынке, компания Intel считает наращивание возможностей и производительности собственной интегрированной графики одной из важнейших задач. И её успехи впечатляют: встроенные графические ядра не только более чем на порядок увеличили своё быстродействие, но и стали неотъемлемой составной частью современных процессоров. Причём на достигнутом компания явно останавливаться не собирается и вынашивает амбициозные планы по увеличению скорости встраиваемой графики ещё на порядок к 2015 году.

Внезапно появившийся у разработчиков процессоров интерес к совершенствованию графических ядер стал отражением желания пользователей иметь в своём распоряжении достаточно компактные, но при этом вполне производительные вычислительные системы. Казалось бы, совсем недавно термин «мобильный компьютер» ассоциировался с системой, которую можно просто перенести с места на место одной рукой, а вопрос её размеров и веса волновал мало кого. Сегодня же, даже глядя на достаточно небольшие двухкилограммовые ноутбуки, многие потребители недовольно морщат нос. Тренд повернулся в сторону планшетных компьютеров и ультракомпактных решений, которые Intel величает ультрабуками. И именно такое стремление к легкости и миниатюрности стало основной движущей силой в интеграции графики в центральные процессоры и в увеличении её производительности. Один чип, полноценно заменяющий собой и CPU, и GPU и имеющий при этом невысокое тепловыделение — это именно тот базис, который необходим для создания прельщающих современных пользователей мобильных решений. Поэтому мы и наблюдаем бурное развитие гибридных процессоров, с существованием которых мириться приходится и приверженцам настольных систем. Последние, надо сказать, от такого прогресса тоже получают определённые дивиденды.

Процессоры Ivy Bridge — это уже второй вариант интеловской микроархитектуры, характеризующейся гибридным дизайном, объединяющим в одном полупроводниковом кристалле вычислительные ядра с графическим. По сравнению с предыдущей версией микроархитектуры, Sandy Bridge, изменения произошли кардинальные, причём касаются они в первую очередь именно графического ядра. Intel даже пришлось давать специальные разъяснения по поводу нарушения принципа «тик-так»: Ivy Bridge должен был стать результатом переноса предыдущего дизайна на новый, 22-нм технологический процесс, но, по факту, с точки зрения графических возможностей произошёл очень существенный шаг вперёд. Именно поэтому рассмотрение нового видеоядра, входящего в Ivy Bridge, мы сделали в виде отдельного материала — количество всевозможных нововведений чрезвычайно велико, да и улучшение 3D-производительности носит совсем нешуточный характер.

Отличное представление о том, насколько существенны произошедшие изменения, можно получить, просто сопоставляя полупроводниковые кристаллы Ivy Bridge и Sandy Bridge.

Sandy Bridge — площадь 216 кв.мм; Ivy Bridge — площадь 160 кв.мм

Оба они выполнены по различным технологическим процессам и имеют различную площадь. Но, обратите внимание, в то время как в дизайне Sandy Bridge на долю графического ядра было отведено примерно 19 процентов площади кристалла, в Ivy Bridge эта доля возросла до 28 процентов. А это значит, что сложность входящей в состав процессора графики увеличилась более чем вдвое: со 189 до 392 млн транзисторов. Совершенно очевидно, что такой заметный рост транзисторного бюджета впустую уйти не мог.

Необходимо подчеркнуть, что политика Intel в отношении объединения вычислительных и графического ядер и наращивания мощности последнего несколько расходится с концепцией APU, предложенной компанией AMD. Интеловский конкурент рассматривает внутрипроцессорное графическое ядро в качестве дополнения к вычислительным, рассчитывая, что гибкие программируемые шейдерные процессоры смогут стать подспорьем в деле увеличения общей производительности решения. Intel же возможность широкого использования графики для вычислений в расчет не берет: с традиционно процессорным быстродействием у Ivу Bridge всё в порядке и так. При этом первоочередная роль графического ядра — совершенно традиционная, а борьба разработчиков за приумножение его мощности обусловлена желанием максимально снизить число случаев, когда дискретная видеокарта выступает необходимым системным компонентом, особенно в мобильных компьютерах.

Впрочем, что подход AMD, что Intel — результат оказывается один и тот же. Рыночная доля дискретной графики неуклонно сокращается, уступая место интегрированной графике новых поколений, которая к настоящему времени приобрела поддержку DirectX 11 и получила производительность выше, чем у целого ряда бюджетных видеокарт. В данном материале мы посмотрим на реализованные в Ivy Bridge графические акселераторы Intel HD Graphics 4000 и Intel HD Graphics 2500 и попробуем оценить, использование каких дискретные видеокарт потеряло свой смысл с появлением интеловской графики нового поколения.

⇡#Графическая архитектура Intel HD Graphics 4000/2500: что нового

Увеличение производительности интегрированных графических ядер — далеко не такая простая задача. И то, что Intel смогла поднять её за несколько лет более чем на порядок — на самом деле результат серьёзной инженерной работы. Основная проблема здесь заключается в том, что интегрированные графические акселераторы не могут воспользоваться выделенной высокоскоростной видеопамятью, а делят с вычислительными ядрами обычную системную память с достаточно низкой по меркам современных 3D-приложений пропускной способностью. Поэтому оптимизация работы с памятью — это самый первый шаг, который необходимо сделать при проектировании быстродействующей встраиваемой графики.

И этот важный шаг компания Intel осуществила в прошлом варианте микроархитектуры — Sandy Bridge. Внедрение кольцевой внутрипроцессорной шины, связывающей воедино все компоненты CPU (вычислительные ядра, кеш третьего уровня, графику, системный агент с контроллером памяти), открыло для встроенного видеоядра короткий и прогрессивный маршрут для обращений в память — через быстродействующий кеш третьего уровня. Иными словами, интегрированное графическое ядро наряду с вычислительными процессорными ядрами стало равноправным пользователем L3-кеша и контроллера памяти, что существенно уменьшило простои, обусловленные ожиданием графических данных для обработки. Кольцевая шина оказалась до того удачной находкой прошлого дизайна, что в новую микроархитектуру Ivy Bridge она перекочевала без каких бы то ни было изменений.

Что же касается внутреннего строения графического ядра Ivy Bridge, то в целом его можно считать дальнейшим развитием идей, заложенных в акселераторах HD Graphics предыдущих поколений. Архитектура актуального интеловского графического ядра уходит своими корнями к представленным в 2010 году процессорам Clarkdale и Arrandale, но каждая новая её реинкарнация представляет собой не простое копирование предыдущего дизайна, а его совершенствование.

Архитектура графического ядра HD Graphics поколения Ivy Bridge

Так, при переходе от микроархитектуры Sandy Bridge к Ivy Bridge рост производительности графики достигается в первую очередь за счёт увеличения количества исполнительных устройств, тем более что внутреннее строение HD Graphics изначально подразумевало техническую возможность их простейшего добавления. В то время как в старшем варианте графики из Sandy Bridge, HD Graphics 3000, было реализовано 12 устройств, наиболее производительная модификация встраиваемого в Ivy Bridge видеоядра, HD Graphics 4000, получила 16 исполнительных устройств. Однако только лишь этим дело не ограничилось, сами устройства тоже были улучшены. В них добавился второй текстурный сэмплер, а пропускная способность возросла до трёх инструкций за такт.

Увеличение скорости обработки данных графическим ядром потребовало от разработчиков вновь задуматься и об их своевременной доставке. Поэтому в графическом ядре Ivy Bridge появилась и своя собственная кеш-память. Объём её не разглашается, однако, судя по всему, речь идёт о небольшом, но высокоскоростном внутреннем буфере.

Хотя нововведения в микроархитектуре графического ядра и кажутся на первый взгляд не слишком значительными, в сумме они выливаются в хорошо заметный невооружённым глазом прирост 3D-производительности, оцениваемый самой компанией Intel как двукратный. Кстати, примерно такой же прирост должно будет предложить и следующее поколение акселераторов HD Graphics, которые будут встраиваться в процессоры семейства Haswell. В них количество исполнительных устройств вырастет до 20, а в борьбу за уменьшение латентностей при работе графического ядра с памятью включится кеш четвёртого уровня.

Что же касается графики Ivy Bridge, то наращивание её быстродействия было далеко не единственной целью инженеров. Параллельно с ним в соответствие современным требованиям приведены и формальные спецификации нового графического ядра. Это означает, что в HD Graphics 4000 наконец появилась полная поддержка Shader Model 5.0 и аппаратной тесселяции. То есть теперь интеловская графика полностью совместима «в железе» с программными интерфейсами DirectX 11 и OpenGL 3.1. Ну и конечно, не станет проблемой работа HD Graphics 4000 в грядущей операционной системе Windows 8 — необходимые драйверы уже доступны на сайте Intel.

Также Intel добавила в новое графическое ядро и возможность выполнения его средствами вычислительной работы, для этого в новом поколении HD Graphics появилась поддержка DirectCompute 5.0 и OpenCL. В процессорах Sandy Bridge эти программные интерфейсы также поддерживались, но на уровне драйвера, который переадресовывал соответствующую нагрузку на вычислительные ядра. С выходом Ivy Bridge полноценные вычисления на GPU стали доступными и в системах с интеловской графикой.

В свете современных реалий инженеры Intel уделили внимание и поддержке становящихся всё более популярными многомониторных конфигураций. Графическое ядро HD Graphics 4000 стало первым интеловским интегрированным решением, способным работать с тремя независимыми дисплеями. Но имейте в виду, для реализации этой функции потребовалось увеличение ширины шины FDI, по которой изображение передаётся из процессора в набор системной логики. Так что поддержка трёх мониторов возможна только с новыми материнками, использующими чипсеты седьмой серии.

Кроме того, существуют некоторые ограничения в разрешениях и способах подключения мониторов. В настольной платформе, базирующейся на процессорах семейства Ivy Bridge, теоретически можно получить три выхода: первый — универсальный (HDMI, DVI, VGA или DisplayPort) с максимальным разрешением 1920x1200, второй — DisplayPort, HDMI или DVI с разрешением до 1920x1200 и третий — DisplayPort с поддержкой высоких разрешений вплоть до 2560x1600. То есть популярный вариант с подключением WQXGA-мониторов через Dual-Link DVI с Intel HD Graphics 4000 реализовать всё ещё невозможно. Зато версия протокола HDMI доведена до 1.4а, а протокола DisplayPort — до 1.1а, что в первом случае означает поддержку 3D, а во втором — способность интерфейса к передаче аудиопотока.

Инновации затронули и другие составные части графического ядра процессоров Ivy Bridge, в том числе и их мультимедийные возможности. Качественное аппаратное декодирование форматов AVC/H.264, VC-1 и MPEG-2 было успешно реализовано ещё в прошлом поколении HD Graphics, но в графике Ivy Bridge алгоритмы AVC-декодирования были скорректированы. За счёт нового дизайна модуля, отвечающего за контекстно-адаптивное кодирование, выросла производительность аппаратного декодера, что вылилось в теоретическую возможность одновременного воспроизведения нескольких потоков с высоким разрешением, вплоть до 4096x4096.

Немалый прогресс затронул и технологию Quick Sync, предназначенную для быстрого аппаратного кодирования видео в формат AVC/H.264. Введённая в строй в Sandy Bridge, она была признана колоссальным прорывом ещё полтора года назад. Благодаря ей процессоры Intel выдвинулись на первые места в скорости транскодирования видео высокого разрешения, для выполнения которого теперь отводится отдельный аппаратный блок, являющийся частью графического ядра. В рамках HD Graphics 4000 технология Quick Sync стала ещё лучше и получила усовершенствованный медиасэмплер. В результате обновлённый движок Quick Sync обеспечивает по сравнению с его прошлой Sandy Bridge-версией примерно двукратное преимущество в скорости перекодирования в формат H.264. При этом в рамках технологии улучшилось и качество выдаваемого кодеком видео, а также стали поддерживаться сверхвысокие разрешения видеоконтента, вплоть до 4096х4096.

Впрочем, у Quick Sync остаются и слабые стороны. На данный момент эта технология задействуется лишь в коммерческих приложениях для транскодирования видео. Популярных свободно распространяемых утилит, работающих с этой технологией, на горизонте не видно. Ещё один недостаток технологии — это её тесная совмещённость с графическим ядром. Если в системе используется внешняя графическая карта, отключающая в общем случае интегрированную графику, использовать Quick Sync невозможно. Правда, решение этой проблемы может предложить сторонняя компания LucidLogix, разработавшая технологию графической виртуализации Virtu.

И тем не менее Quick Sync остаётся уникальной технологией для рынка. Реализованный в её рамках узкоспециализированный аппаратный кодек оказывается существенно лучше по всем показателям, чем кодирование с использованием мощностей шейдерных процессоров современных видеокарт. Реализацию же аналогичного утилитарного аппаратного решения для кодирования вслед за Intel смогла осилить лишь NVIDIA. И то специализированное средство этой компании, NVEnc, появилось лишь совсем недавно — в ускорителях поколения Kepler.

⇡#Intel HD Graphics 4000 против Intel HD Graphics 2500: в чём же разница?

Как и раньше, Intel интегрирует в Ivy Bridge два варианта графического ядра. На этот раз это HD Graphics 4000 и HD Graphics 2500. Старшая и высокопроизводительная модификация, про которую в первую очередь шла речь в предыдущем разделе, впитала в себя все заложенные в микроархитектуре улучшения. Младшая же версия графики направлена не на установление новых стандартов быстродействия для интегрированных решений, а на простое обеспечение для современных процессоров минимально необходимого уровня графической функциональности.

Разница между HD Graphics 4000 и HD Graphics 2500 кардинальная. Быстрая версия видеоядра обладает шестнадцатью исполнительными устройствами, в младшей же их количество урезано до шести. В результате, в то время как HD Graphics 4000 обеспечивает примерно двукратное превосходство в теоретической 3D-производительности над видеоакселератором прошлого поколения HD Graphics 3000, преимущество HD Graphics 2500 перед HD Graphics 2000 прогнозируется на уровне 10-20 процентов. То же самое касается и скорости работы Quick Sync — двукратный рост скорости по сравнению с предшественниками обещан лишь только применительно к старшим версиям видеоядра.

Intel HD Graphics 4000	Intel HD Graphics 2500

«Полноценное» ядро HD Graphics 4000 при этом можно встретить далеко не во всех представителях поколения Ivy Bridge, а главным образом лишь в мобильных, где интегрированная в CPU графика наиболее востребована. В десктопных же моделях HD Graphics 4000 присутствует либо в процессорах серии Core i7, либо в оверклокерских Core i5 (с суффиксом K в модельном номере) с единственным исключением из этого правила — процессором Core i5-3475S. Во всех же остальных случаях пользователям настольных систем приходится либо иметь дело с HD Graphics 2500, либо прибегать к услугам внешних графических ускорителей.

К счастью, увеличение разрыва между старшими и младшими модификациями интеловской графики произошло исключительно в производительности. Функциональность HD Graphics 2500 нисколько не пострадала. Так же как и в HD Graphics 4000, в младшей версии есть поддержка DirectX 11 и трёхмониторных конфигураций.

Следует отметить, что, как и ранее, в разных процессорах Core третьего поколения графическое ядро может функционировать на различных частотах. Например, производительность встроенной графики заботит Intel больше, когда речь идёт о мобильных решениях, и это отражается на частотах. В целом мобильные процессоры Ivy Bridge имеют ядро HD Graphics 4000, работающее на слегка более высокой частоте, чем в случае их десктопных модификаций. Кроме того, разница в частоте встроенной графики может быть обусловлена и ограничениями в тепловыделении разных моделей CPU.

К тому же частота работы графики — величина переменная. В процессорах Ivy Bridge реализована специальная технология Intel HD Graphics Dynamic Frequency, которая интерактивно управляет частотой видеоядра в зависимости от нагрузки на вычислительные ядра процессора и их текущего энергопотребления и тепловыделения.

Поэтому в числе характеристик конкретных реализаций HD Graphics указывается две частоты: минимальная и максимальная. Первая характерна для состояния простоя, вторая же — это целевая частота, до которой графическое ядро стремится разогнаться, если это позволяет текущее энергопотребление и тепловыделение, под нагрузкой.

В следующей далее таблице мы собрали основные сведения о вариантах ядер Intel HD Graphics, используемых в процессорах Core третьего поколения.