GPU из будущего: обзор GeForce GTX TITAN

Выпустят ли видеокарту на базе GPU GK110? Ответ на этот вопрос мы больше всего хотели услышать от NVIDIA и тогда, когда флагманскую позицию в линейке GeForce 600 занял более простой чип GK104, и тогда, когда GK110 дебютировал в составе профессиональных ускорителей Tesla K20/K20X. Вся история с задержкой выхода «большого Кеплера», а затем и спецификации Tesla K20/K20X заставили было усомниться в перспективах GK110 как игрового GPU. Всем известно, что у NVIDIA были трудности с освоением техпроцесса 28 нм на TSMC, которых не избежал даже гораздо более простой чип GK104, что же говорить о монстре из семи миллиардов транзисторов, которым является GK110. И вот мы видим, что новые модели Tesla получили довольно-таки скромные частоты GPU, а из 15 потоковых мультипроцессоров (SMX) GK110 работоспособны 13 или 14. При этом TDP карточек уже достигает 225-235 Вт.

Подводя итоги 2012 года по дискретной графике, мы предположили два варианта развития событий. Либо NVIDIA все-таки решится попытать счастья с GK110, выпустив на его основе GeForce GTX 780, либо оправдается более скучная версия и в GTX 780 установят обновленную версию GK104. Однако NVIDIA опровергла все предположения о том, в каком качестве представят адаптер на GK110, когда и каков он будет вообще.

⇡#Технические характеристики, цена

Первая неожиданность состоит в том, что адаптер GeForce GTX TITAN на GK110 не относится к линейкам GeForce 600 или 700, он как бы сам по себе. И это значит, что место на плате GTX 780 все-таки зарезервировано для GK114. Второе — то, что TITAN вышел в свет уже сейчас, хотя первый продукт на базе архитектуры Kepler отмечает годовщину только в марте.

Но главное — это тот факт, что GK110 выбрался из производственных неурядиц с минимальными потерями. Из 15 SMX, как и у Tesla K20X, не работает лишь один. Остальные 14 SMX дают фантастическое число активных вычислительных блоков: 2688 ядер CUDA, 224 текстурных модуля, 28 ROP. Сравните с формулой GK104: 1536 ядер CUDA, 128 текстурников, 32 ROP.

GPU TITAN работает на базовой частоте 836 МГц, Boost Clock равняется 876 МГц.

NVIDIA GK104

NVIDIA GK110

Кроме того, GK110 в GTX TITAN не имеет того слабого места, коим у GK104 является 256-битная шина памяти. Здесь шесть работающих контроллеров дают разрядность 384 бит — как у GTX 580 и Radeon HD 7970. Объем набортной памяти — щедрые 6 Гбайт, эффективная частота — стандартные для старших карт Kepler 6008 МГц.

Вся эта роскошь, разумеется, далась ценой высокого энергопотребления. TDP GeForce GTX TITAN составляет 250 Вт против 195 Вт у GTX 680. TITAN также будет чрезвычайно дорогой картой. Рекомендованная цена в США составляет $999, в России — 34 990 руб. Столь дорогих видеоадаптеров с одним GPU свет еще не видел. Но скажем в защиту TITAN, что GTX 690 на момент релиза стоил дороже — 35 990 руб., а по производительности, судя по спецификациям TITAN, они вполне сопоставимы.

В розничной продаже TITAN будет доступен начиная с 4 марта. Первыми вендорами, которые представят видеокарты в нашем регионе, станут ASUS, Gigabyte, Palit и Zotac.

⇡#Архитектура GK110

GK110 сохранил все черты архитектуры Kepler, которую мы подробно рассматривали в обзоре GeForce GTX 680, за одним важным исключением, касающимся устройства потоковых мультипроцессоров. Как и у GK04, SMX содержит 192 ядра CUDA, 32 блока Load/Store и 32 блока специальных функций (SFU). Но в GK110 к этому прибавили 64 ядра двойной точности (FP64). Всего в TITAN получается 896 активных ядер с поддержкой FP64.

GK104 в каждом SMX также имеет восемь специальных ядер, способных выполнять инструкции FP64 за один такт. Но поскольку ядер CUDA, поддерживающих лишь FP32, там 192, то теоретическая производительность GK104 в задачах с двойной точностью составляет 1/24 от задач с одинарной точностью. Для сравнения: GPU Tahiti от AMD способен обрабатывать FP64 со скоростью 1/2 от FP32.

Так как число ядер FP64 и FP32 в кристалле GK110 соотносится как 1 к 3, то теоретически он в состоянии выполнять нагрузку FP64 на 1/3 от скорости FP32. Но на практике это может быть не совсем так. По умолчанию ядра FP64 работают на 1/8 частоты других компонентов SMX, что дает такую же скорость 1/24, как у GK104. Чтобы задействовать их на полной частоте, есть специальная опция в панели управления драйвера, но общая тактовая частота GPU при этом снижается.

Кстати, SMX в GK110 по-прежнему пользуется статическим планировщиком, представленным в GK104, что негативно сказывается на производительности в неграфических вычислениях, но если GeForce GTX 680 по этой причине уступал GTX 580 в задачах на GP-GPU, то GK110 наверняка компенсирует недостаток огромным числом вычислительных блоков. Неспроста за счет Tesla K20 укомплектован суперкомпьютер Titan в Oak Ridge National Laboratory (ORNL), который возглавил Top 500 прошедшей осенью. Отсюда, кстати, и гордое имя GeForce GTX TITAN.

⇡#GPU Boost 2.0

NVIDIA представила новую версию технологии динамического управления частотой и напряжением графического процессора. Первое изменение, которое произошло в алгоритме GPU Boost: в качестве переменной, от которой зависит частота и напряжение GPU, может быть не только лимит мощности (Power Target), как было раньше, но и температура процессора. Соответственно, в утилитах для разгона теперь появились два отдельных слайдера для того и другого критерия, и можно отдать приоритет одному из них.

Что более интересно, NVIDIA, наконец, дала возможность повышать напряжение на GPU. Однако делается это не привычным способом, характерным для видеоадаптеров со статическим напряжением. В логике GPU Boost есть функция, связывающая значения частоты и напряжения. Если алгоритм решает, что лимит температуры или мощности позволяет поднять частоту, то устанавливается и соответствующее ей напряжение. И что нам позволяет сделать новоприобретенная функция OverVoltage, так это предоставить в распоряжение автоматики еще несколько ступенек частоты и напряжения. А вот доберется ли до них GPU под нагрузкой, уже зависит от температуры или мощности.

Кроме того, в экспериментах с разгоном TITAN замечено, что даже в пределах диапазона частот и напряжений, которые доступны видеокарте без помощи OverVoltage (до отметки Vrel на графике), активация этой опции заставляет более агрессивно задействовать частотный потенциал.

К примеру, предельная частота Boost Clock, которую мы зарегистрировали в бенчмарках, составляет 1006 МГц, а напряжение — 1,162 В. Если максимизировать уровни Power Target, Temp Target и OverVoltage, то частота может подниматься вплоть до 1032 МГц, а напряжение — до 1,2 В. С другой стороны, если при максимальных Power Target и Temp Target в определенной сцене мы наблюдали частоту и напряжение 992 МГц и 1,15 В, то максимальный OverVoltage превращает их в 1019 МГц и 1,187 В.

В функции GPU Boost 2.0 также входит возможность разгонять дисплей. Да-да, с помощью утилиты, поддерживающей эту опцию, можно попробовать увеличить частоту вертикальной развертки, скажем, с 60 до 80 Гц, дабы одновременно наслаждаться высоким фреймрейтом и вертикальной синхронизацией.

⇡#Конструкция

Физически GeForce GTX TITAN выполнен в стилистике GeForce GTX 690. Такой же цельнометаллический корпус системы охлаждения и пластиковое (простите, поликарбонатное) окошко, открывающее взору ребра радиатора, а через несколько месяцев эксплуатации — залежи пыли. TITAN даже ближе к совершенству, чем его двухпроцессорный собрат, потому что из металла у него изготовлены абсолютно все детали корпуса, включая п-образные пластины, идущие вдоль длинных сторон. А у GTX 690 они сделаны из скучного крашеного пластика.

NVIDIA GeForce GTX TITAN

На торце карты — знакомый логотип со светодиодной подсветкой и бархатистой поверхностью soft-touch, чтобы от изделия можно было получить одновременно как визуальное, так и тактильное удовольствие.

NVIDIA GeForce GTX TITAN

NVIDIA GeForce GTX TITAN

Система охлаждения включает радиатор с испарительной камерой в основании и массивную металлическую раму, которая целиком закрывает печатную плату и служит для отвода тепла от микросхем памяти и транзисторов системы питания. Чипы памяти на оборотной стороне PCB вынуждены охлаждаться «сами по себе». В хвосте платы за турбинкой к раме прикреплен дополнительный блок алюминиевых ребер, через который проходит часть забираемого турбинкой воздуха. Но основной выхлоп идет через прорези в крепежной планке, наружу из корпуса.

Как и у GTX 680 и GTX 690, крыльчатка кулера TITAN изготовлена из звукопоглощающего материала. Видеокарта действительно очень тихо работает в штатном режиме и даже на 100% оборотов система охлаждения еще не очень сильно действует на нервы.

NVIDIA GeForce GTX TITAN

NVIDIA GeForce GTX TITAN

Разводка портов на задней панели абсолютно такая же, как у старших представителей линейки GeForce 600. Есть два выхода Dual-Link DVI, а также полноформатные разъемы DisplayPort и HDMI с поддержкой 4K-разрешений.

NVIDIA GeForce GTX TITAN

⇡#Плата

Как и GK104 в GeForce GTX 680, процессор GK110 в GTX TITAN довольствуется шестью фазами питания. Контроллер — ON NCP4206. Еще две фазы достались видеопамяти. Видеопамять набрана микросхемами Samsung K4G20325FD-FC03 с номинальной эффективной тактовой частотой 6 ГГц.

NVIDIA GeForce GTX TITAN

NVIDIA GeForce GTX TITAN

Сам GPU, вопреки ожиданиям и сомнительным фотографиям, появление которых предшествовало официальному релизу, установлен без теплорассеивателя, благодаря чему открывается вид на колоссальный кристалл, размером примерно с пятирублевую монету.

NVIDIA GK104

NVIDIA GK110

⇡#Методика тестирования

⇡#Участники тестирования

В тестировании приняли участие следующие видеокарты:

• NVIDIA GeForce GTX 690 (915/6008 МГц, 4 Гбайт)
• NVIDIA GeForce GTX 680 (1006/6008 МГц, 2 Гбайт)
• NVIDIA GeForce GTX 590 (607/3414 МГц, 3 Гбайт)
• 2 x Radeon HD 7970 GHz Edition (1050/6000 МГц, 3 Гбайт)
• AMD Radeon HD 7970 GHz Edition (1050/6000 МГц, 3 Гбайт)
• AMD Radeon HD 6990 (880/5000 МГц, 4 Гбайт)

⇡#Разгон, температура, энергопотребление

Базовая частота GPU составляет 836 МГц, а максимальное значение Boost Clock, зарегистрированное в бенчмарках, составило 1006 МГц (прибавка в 169 МГц). В разгоне базовую частоту удалось увеличить до 966 МГц.

Значения Power Target и Temp Target по умолчанию установлены на уровне 100% и 80 °C. Для начала мы увеличили их до максимума — 106% и 94 °C, с приоритетом мощности. В таком режиме Boost Clock достигала 1124 МГц (+157 МГц к базовой частоте). Если же отдать приоритет температуре и прибегнуть к помощи OverVoltage, задав смещение напряжения на максимально допустимые три шага (+37 мВ), то Boost Clock начинает подниматься и до 1150 МГц (+183 МГц), а напряжение — вплоть до 1,2 В.

По пиковому энергопотреблению TITAN значительно превосходит как GeForce GTX 680, так и Radeon HD 7970 GHz Edition. Он кушает почти ровно столько же, что и GTX 580, тем самым вновь утверждая подзабытую истину, что GTX — это ПЕЧ. GeForce GTX 690 расположился на диаграмме поблизости: разница с TITAN составляет единицы ватт.

В тесте также участвует наша «темная лошадка», условный Radeon HD 7990 GHz Edition — два GPU Tahiti XT2, расположенные на одной плате и работающие на стандартных для HD 7970 GHz Edition тактовых частотах. Пока мы не будем раскрывать название и штатные спецификации этой карты, так как в ближайшее время с ней состоится отдельное знакомство. Так вот, эта карта далеко не столь экономична, как GTX 690 или TITAN, и соперничает по максимальному энергопотреблению со знаменитыми своим аппетитом GTX 590 и HD 6990.

Примечательно также то, что разгон TITAN почти никак не отражается на энергопотреблении. Похоже, что GPU Boost и в штатном режиме исчерпывает резерв мощности.

Система охлаждения TITAN оправдала возложенные на нее ожидания. Под нагрузкой чип GK110 нагревается не больше, чем вдвое меньший GK104 в составе GTX 680. А запаса мощности кулера достаточно для того, чтобы при разгоне адаптера снизить температуру еще на 20 °С.

⇡#Производительность, синтетические тесты

3DMark 2011 (DirectX 11)

• GeForce GTX TITAN так далеко ушел от однопроцессорных участников теста, что адекватными соперниками для него могут быть лишь флагманские видеокарты с двумя GPU.
• GTX 590 и Radeon HD 6990 также легко покорились новинке.
• TITAN, конечно отстает по показателю Graphics score как от GTX 690, так и от сдвоенного HD 7970 GHz Edition, но в результате разгона уже опасно приближается к ним.

3DMark

• Сразу заметим, что драйверы AMD оказались не готовы к появлению нового бенчмарка от Futuremark, поэтому как Radeon HD 6990, так и пара Radeon HD 7970 GHz Edition получили оценку, неадекватную их реальной производительности.
• И снова TITAN борется за первенство лишь с GTX 690, потому что остальные участники тестирования не годятся ему в соперники.
• В штатном режиме GTX 690 сохраняет лидерство, но разгон TITAN способен поколебать его позиции.

Unigine Heaven 2 (DirectX 11)

• Результат тот же. TITAN легко убрал всех соперников, кроме сдвоенного HD 7970 GHz Edition и GTX 690.
• На штатных частотах он уступает последнему, но в результате разгона разрыв сокращается до минимума. Двухпроцессорный адаптер AMD по-прежнему немного впереди.

⇡#Производительность, игровые тесты

Crysis Warhead (DirectX 10)

• В этом тесте правит бал тандем Radeon HD 7970 GHz Edition. Даже при разгоне у TITAN нет шансов с ним справиться.
• Radeon HD 6990 и GeForce GTX 590 выступили более успешно, чем GTX 680 и HD 7970 GHz Edition, и все же TITAN оказался быстрее.
• Разница между TITAN и GTX 690 невелика, а благодаря разгону сокращается до минимума.

Metro 2033 (DirectX 11)

• Вновь с легкостью повержены GTX 680 и HD 7970 GHz Edition, вместе со старыми двухпроцессорными флагманами.
• От GTX 690 новинка отстала совсем ненамного, а в разгоне даже оказалась чуть быстрее.
• Пара Radeon HD 7970 GHz Edition все еще вне конкуренции.

Crysis 2 (DirectX 11)

• От этого теста в сравнении столь мощных видеокарт оказалось мало пользы из-за злополучного ограничения в 100 FPS. При разрешении 1920х1080 оценки всех участников расположились около отметки 100 кадров в секунду.
• Результаты при разрешении 2560х1440 более показательны. TITAN, наряду с GTX 690 и парой Radeon HD 7970 GHz Edition, также достиг предельного фреймрейта, что прочим соперникам оказалось не под силу.

Far Cry 3 (DirectX 11)

• Конкурировать с TITAN могут лишь GTX 690 и тандем Radeon HD 7970 GHz Edition.
• В режиме 1920x1080 TITAN немного опережает двухчиповую карту AMD, а в разгоне приближается и к GTX 690. При разрешении 2560х1440 позиции двойного HD 7970 GHz Edition более прочные.

Battlefield 3 (DirectX 11)

• Преимущество TITAN перед остальными видеокартами с одним GPU, по-прежнему колоссально. То же относится и к GeForce GTX 590 и Radeon HD 6990.
• А вот современные «двухголовые» системы здесь работают чрезвычайно эффективно, поэтому GeForce GTX 690 и сдвоенный Radeon HD 7970 GHz Edition демонстрируют уровень производительности, недостижимый для TITAN даже при разгоне.

Crysis 3 (DirectX 11)

• TITAN на голову превосходит своих однопроцессорных конкурентов вместе с GTX 590 и HD 6990. И все же при разрешении 2560х1440 фреймрейт не достигает минимально приемлемой отметки в 30 FPS.
• Производительность GTX 690 и тандема HD 7970 GHz Edition примерно одинакова и заметно выше, чем у TITAN.
• Но благодаря разгону последний достигает заветных 30 FPS в 2560х1440, и отставание от двухпроцессорных лидеров сокращается до минимума.
• Radeon HD 6990 в Crysis 3 пока что отказывается работать в режиме CrossFireX. Но и не беда, все равно конкуренцию TITAN он составить не смог бы.

Batman: Arkham City (DirectX 11)

• К печали сторонников компании AMD, технология CrossFireX не работает в этой игре от слова «вообще». Поэтому результаты одиночного Radeon HD 7970 GHz Edition оказались даже лучше, чем у двух таких GPU, и единственным соперником TITAN остался GeForce GTX 690.
• Но похоже, что и с SLI Batman не дружит, поэтому даже без разгона TITAN значительно опережает своего двухпроцессорного родственника, а с разгоном уходит еще дальше.

DiRT Showdown (DirectX 11)

• Эта игра очень любит видеокарты AMD, поэтому GeForce GTX 680 и GTX 690 получили скромные оценки по сравнению с Radeon HD 7970 GHz Edition и двумя такими видеокартами соответственно.
• TITAN также в первый раз уступил Radeon HD 7970 GHz Edition.
• GTX 690 немного опережает новинку, но при разгоне последней их результаты практически выравниваются.

The Elder Scrolls 5: Skyrim (DirectX 9)

• Skyrim — плохой тест для топовых видеокарт. Между большинством участников нет никакой значимой разницы, и только GTX 680 немного просел при разрешении 2560х1440. Да еще Radeon HD 6990 позорно отстал от основной группы в обоих режимах.

Call of Duty: Modern Warfare 3 (DirectX 9)

• В CoD, с ее легкой по нынешним стандартам графикой, фреймрейт у столь мощных видеокарт уже зашкаливает.
• TITAN легко расправился с другими однопроцессорными адаптерами, к которым примкнули и бывшие двухпроцессорные флагманы.
• GTX 690 и двойной HD 7970 GHz Edition не теряют своего превосходства даже перед лицом разогнанного TITAN.

⇡#GeForce GTX TITAN vs GTX 690 vs 2xRadeon HD 7970 GHz Edition

Первое, что бросается в глаза при взгляде на сводную таблицу, это то, что разгон TITAN хотя и корректирует его положение по сравнению с соперниками, но в абсолютных значениях не всегда дает значимую прибавку FPS. На увеличение частот хорошо откликаются DiRT Showdown, Unigine Heaven 2 и Battlefield 3. В других же тестах эффект от разгона совсем невелик. В общем, как и в случае с другими видеокартами семейства Kepler с технологией GPU Boost, мегагерцы у GTX TITAN подчас имеют отчетливый привкус кукурузы.

Также видно, что TITAN всегда идет где-то рядом с GTX 690, а иногда даже опережает его. Вот двойной Radeon HD 7970 GHz Edition оказался более сильным соперником, TITAN догоняет его не так часто.

⇡#Выводы

Для NVIDIA TITAN стал ярким достижением и демонстрацией ее инженерного потенциала. Несмотря на все трудности, которые сопровождали GK110 и архитектуру Kepler в целом на пути от проектирования к коммерческим продуктам, мы все-таки получили этот технологический шедевр. Мир еще не видел такого огромного GPU, и производительность поражает воображение. TITAN просто уничтожил теперь уже бывших однопроцессорных фаворитов – GeForce GTX 680 и Radeon HD 7970 GHz Edition и небезуспешно соревнуется с двумя GPU в лице GeForce GTX 690 или условного Radeon HD 7990 GHz Edition.

В целом GTX 690 удерживает лидерство, но у TITAN есть другие преимущества, главное из которых — более предсказуемая производительность, которая не зависит от эффективности SLI в той или иной игре. А также поддержка вычислений с двойной точностью на скорости 1/3 от FP32 для тех, кому это необходимо. Кроме того, NVIDIA утверждает, что тройка «Титанов» в SLI имеет большую производительность, чем два GTX 690, во что мы охотно верим, зная, что при переходе от трех к четырем GPU скорость масштабируется не очень хорошо.

Тандем Radeon HD 7970 GHz Edition — более серьезный противник для TITAN. Но посмотрите, как много энергии потребляет эта парочка, даже если GPU находятся на одной плате. Для AMD сравнение даже единственного HD 7970 GHz Edition с TITAN очень обидно, потому что они находятся в абсолютно одинаковом энергетическом бюджете 250 Вт, а по производительности совершенно несопоставимы. С другой стороны, хотя NVIDIA и удалось добиться столь впечатляющего соотношения двух важнейших качеств дискретного видеоадаптера — производительности и энергопотребления, но третье качество — цена, отчасти зависимая от себестоимости и выхода годных чипов, совершенно упущено. Ведь тысяча долларов за видеокарту с одним GPU — это тоже своеобразный рекорд. В принципе, в рознице все выглядит справедливо: если TITAN сравним по производительности с адаптерами на двух GPU, то не грех и попросить за него такие же деньги. Но если взглянуть шире, то ситуация говорит о том, что хотя мастерство разработчиков и изысканные энергосберегающие технологии уже позволяют создать GPU с 7,1 миллиарда транзисторов, но производство (по крайней мере, для NVIDIA) еще не готово выпускать таких монстров в по-настоящему больших количествах. GK110 и TITAN ­— это в своем роде привет из будущего. GPU такого масштаба наверняка станут привычным делом для топовых видеоадаптеров через одно-два поколения.