Обзор NVIDIA SHIELD Tablet и Tegra K1: графика больших консолей в мобильном GPU

Недавний обзор портативной консоли SHIELD мы завершили на том, что, хотя система на чипе Tegra 4, которая лежит в ее основе, все еще обладает отменной производительностью в 3D, NVIDIA уже готовит следующее игровое устройство на базе SoC Tegra K1. Тогда еще было не известно, что это будет: то ли новая версия той же консоли, то ли более привычный формат — планшетный компьютер. А получилось в некотором роде и то и другое: планшет и отдельный беспроводной контроллер, которые продаются и могут использоваться по отдельности, но на самом деле немыслимы друг без друга.

Помимо собственных достоинств, SHIELD Tablet представляет для нас особенный интерес как официальное воплощение Tegra K1. Первым устройством на базе K1 стал китайский планшет Xiaomi MiPad, и других вариантов пока нет вовсе. Поспешим же проверить, на что способна новая система.

⇡#Tegra K1: CPU

Чип Tegra K1, так же как и его предшественник Tegra 4, производится тайваньской TSMC по техпроцессу 28 нм и представляет собой SoC с четырьмя ядрами архитектуры ARM. В этой области у NVIDIA мало что изменилось. Центральный процессор Tegra K1 по-прежнему спроектирован по простой и, можно сказать, грубоватой схеме, когда все вычислительные ядра построены по архитектуре Cortex-A15.

CPU по-прежнему имеет 2 Мбайт общего кеша L2 и по 64 Кбайт L1 на каждое ядро. В качестве оперативной памяти используются чипы LPDDR3 с 64-битным интерфейсом.

Надо сказать, что A15, будучи более производительным ядром по сравнению с широко используемым Cortex-A9, одновременно отличается повышенным энергопотреблением. Микропроцессоров на базе A15 пока немного, наиболее ярким примером, помимо самой Tegra 4 и Tegra K1, является семейство чипов Samsung Exynos 5. Вот только в Exynos одновременно с ядрами Cortex-A15, коих также может быть вплоть до четырех штук, интегрированы ядра Cortex-A7, являющиеся производными от A8 со специально упрощенным дизайном. Благодаря такому устройству CPU, которое называется «гетерогенной архитектурой ARM big.LITTLE», система может в большом диапазоне масштабировать производительность и сопутствующее ей энергопотребление, не только варьируя тактовую частоту ядер, но и распределяя вычислительные потоки между крупными и мелкими ядрами в зависимости от их требований и приоритета. «Свободные» ядра отключаются, так что с точки зрения энергопотребления все выглядит достаточно неплохо.

В Tegra 4, а следом за ней — и Tegra K1, присутствует зародыш такого дизайна в виде так называемого shadow core — пятого ядра Cortex-A15, урезанного по сравнению с четырьмя основными ядрами. «Теневое» ядро работает при минимальной активности ОС и обслуживает самые нетребовательные задачи (к примеру, получение почты), пока устройство лежит в кармане с выключенным экраном. В остальном масштабирование достигается исключительно манипуляциями с частотой. В результате у Tegra 4 энергоэффективность если и не так плоха, как многие привыкли думать о мобильных SoC NVIDIA, то все-таки уступает показателям конкурирующих систем как на архитектуре ARM bit.LITTLE, так и с ядрами оригинального дизайна (Apple A7, Qualcomm Snapdragon 801).

Несмотря на то, что CPU в Tegra K1 архитектурно не отступил от основ, заложенных в Tegra 4, и все так же производится по технологической норме 28 нм, NVIDIA изыскала другие способы поднять соотношение производительности и мощности. Во-первых, логика ядер была обновлена с версии r2p1 до r3p3, а на пути между этими версиями Cortex-A15 как раз произошли изменения, направленные на повышение энергоэффективности. Во-вторых, чипы Tegra K1 производятся на TSMC по техпроцессу 28 HPm (High Performane Mobile), который характеризуется уменьшенными утечками тока в кристалле. Как следствие, K1 теоретически может обеспечить на 40% большую производительность при равном энергопотреблении с Tegra 4 либо потреблять на 55% меньше тока при равной производительности.

Улучшения по части энергоэффективности также позволили поднять частотный потолок чипа с 1,9 до 2,2 ГГц вне зависимости от числа активных ядер. Частота теневого ядра Cortex-A15 масштабируется вплоть до 1 ГГц. Производители SoC в последнее время не любят раскрывать TDP своих продуктов (да и с дискретными CPU и GPU картина становится все более мутной), но, судя по характеристикам SHIELD Tablet и консоли SHIELD, система действительно стала более экономичной. Планшету на Tegra K1 достаточно батареи емкостью 19,75 Вт*ч, в то время как консоль на Tegra 4 комплектуется аккумулятором на 28,8 Вт*ч, да еще при меньшем размере и разрешении экрана. Конечно, не выполнив тесты, мы еще не знаем последний член уравнения — время автономной работы, но SHIELD Tablet, по крайней мере, не нуждается в активном охлаждении с помощью вентилятора, дабы SoC могла работать на максимальной частоте.

Занятно, что, будучи одним из зачинателей гонки количества ядер в мобильных SoC, NVIDIA одновременно ведет разработку второй «ветки» Tegra K1, являющейся двухъядерным CPU оригинальной архитектуры. Два чипа абсолютно совместимы на уровне контактов и обладают одинаковыми GPU, только в противоположность лицензированному IP Cortex-A15 используются ядра собственной разработки под кодовым названием Denver.

Известно о них пока что куда меньше, чем требует наше любопытство. NVIDIA утверждает, что Denver — это 64-битное ядро, поддерживающее набор инструкций ARMv8, но с необычно большой суперскалярностью: вплоть до 7 инструкций, выполняемых одновременно. Есть предположение, что Denver требует перекодирования инструкций ARMv8, наподобие того, как процессоры Intel перекодируют инструкции x86 в RISC-подобные микрокоманды. В таком случае вполне логично, что цифра 7 относится именно к инструкциям во внутреннем формате Denver.

Путем перекодирования инструкций от «широкого» конвейера можно добиться большей производительности на ватт, чем в системе с четырьмя и более отдельными «узкими» ядрами, за счет извлечения дополнительного ILP (Instruction Level Parallelism — «параллелизм на уровне инструкций») из исполняемого кода. Объявлено, что тактовая частота Denver может достигать 2,5 ГГц — очень немало для столь «широкого» процессора. Как бы то ни было, нам еще предстоит дождаться коммерческой реализации Tegra K1 на основе ядер Denver, а в SHIELD Tablet мы имеем дело с обычным Cortex-A15.

⇡#Tegra K1: GPU, ISP, коммуникации

Основной пафос Tegra K1 заключается вовсе не в оптимизации CPU, а в полностью переработанном графическом процессоре. GPU в составе Tegra 4 (также известный как GeForce ULP, Ultra Low Power) построен по схеме, существовавшей до появления унифицированной шейдерной архитектуры, то есть имеет отдельные ALU для обработки пиксельных и вершинных шейдеров. Tegra 4 демонстрирует достаточно высокую производительность в 3D, и в этой области NVIDIA также могла бы удовлетвориться приращением тактовых частот.

Вместо этого Tegra K1 получила полноценный GPU на базе архитектуры Kepler, с минимальными изменениями перенесенной из «дискретного» кремния. На стратегическом уровне NVIDIA теперь планирует синхронизировать разработку дискретных и интегрированных GPU, более того, новые итерации архитектуры, начиная с Maxwell, будут проектироваться как интегрированные решения с приоритетом энергоэффективности.

Впрочем, и архитектура Kepler во многом сформирована требованиями к TDP и потому хорошо вписалась в мобильную SoC. Из дискретного GPU разработчики взяли один SMX (Streaming Multiprocessor) — крупнейший унифицированный блок архитектуры, который включает 192 ядра CUDA и 8 текстурных модулей (вдвое меньше, чем в дискретных GPU), а также геометрическую логику PolyMorph Engine 2.0 (без изменений).

Вне SMX лежат четыре ROP и управляющая логика Kepler, которая наверняка подверглась упрощению в связи с тем, что в SoC нет необходимости распределять нагрузку между несколькими SMX. Поскольку частота GPU не превышает 950 МГц, да еще с учетом оптимизаций техпроцесса, вполне достоверно выглядит заявленный NVIDIA тепловой пакет 2 Вт. Отметим, впрочем, что речь идет только лишь о графическом процессоре, а не об энергопотреблении SoC в целом.

Смена GeForce ULP на полноценный Kepler стала колоссальным шагом вперед, по меньшей мере с позиции производительности. Но кроме того, Tegra K1 обладает тем же набором аппаратных функций и поддержкой API, что и дискретные GPU NVIDIA. Поддерживаются OpenGL 4.4, DirectX 12, а также OpenCL 1.2 и CUDA 6.0 для «счетных» задач. Не забыт и OpenGL ES 3.1, используемый всеми современными мобильными GPU. В чем-то Tegra K1 даже опередила свои дискретные аналоги — например, она поддерживает компрессию текстур ASTC на аппаратном уровне.

NVIDIA утверждает, что Tegra K1 по вычислительным возможностям сопоставима с графическими процессорами консолей предыдущего поколения. Прикинув производительность в различных аспектах, с этим вполне можно согласиться. Tegra K1 имеет явное преимущество в скорости шейдерных расчетов, но есть определенный недостаток пропускной способности памяти и скорости заполнения.

Tegra K1 получила существенно прокачанный ISP (Image Signal Processor). Этот блок отвечает за обработку фото и видео: автофокус, настройка экспозиции, HDR и прочее. По сравнению с Tegra 4 совокупная производительность двух блоков ISP в Tegra K1 увеличена втрое — до 1,2 Гпикс/с. SoC обеспечивает аппаратное кодирование/декодирование видео кодеком H.264 с разрешением 2160p на частоте 30 Гц. Поддерживается и H.265, но лишь с частичным аппаратным ускорением. SoC позволяет развести порты DisplayPort 1.4 и HDMI 1.4b, которые не умеют выводить видео в 4К-разрешении с частотой смены кадров выше 30 Гц.

Для накопителей и соединения с дискретными устройствами Tegra K1 использует три порта USB 2.0, два USB 3.0, eMMC и PCI-E x4. В мобильных устройствах, разумеется, все это не будет использоваться одновременно.

⇡#SHIELD Tablet

Закончив обсуждение системы, лежащей в основе SHIELD Tablet, обратимся к самому устройству. SoC Tegra K1 в составе планшета может достигать максимальной предусмотренной дизайном частоты — 2,2 ГГц. Для этого, к счастью, не требуется обдувать ее встроенным вентилятором, как сделано в консоли SHIELD. Объем оперативной памяти составляет 2 Гбайт.

Внешним видом планшет напоминает Tegra Note 7, служивший референсным устройством для Tegra 4. Но поскольку выпуск Tegra K1 столь важен для NVIDIA, SHIELD Tablet во всех отношениях являет собой устройство более высокого класса.

В экране используется матрица IPS размером 8 дюймов и разрешением 1920х1200 пикселов. Такой не вполне привычный формат на самом деле идеален для SHIELD Tablet. Дальше по дюймовой линейке продвигаться нельзя: востребованность крупных планшетов под сомнением, а главное — возникают взаимно противоречивые требования увеличить разрешение и сохранить высокий уровень производительности в 3D-приложениях. С другой стороны, 8-дюймовый экран с соотношением сторон 16:10 более удобен в портретной ориентации, чем узкие 7-дюймовые матрицы стандарта Full HD.

Соответственно, и ближайший аналог SHIELD Tablet по габаритам — это скорее iPad mini, нежели Google Nexus 7. По качеству материалов планшет NVIDIA, конечно, не гонится за Apple. Корпус сделан целиком из пластика, но никаких претензий по люфту и состыковке деталей нет. Вся задняя поверхность отделана покрытием soft touch с глянцевыми буквами логотипа SHIELD. От Tegra Note 7 планшет унаследовал стилус, хранящийся в углублении корпуса. В целом в дизайне SHIELD Tablet воплотилась уже хорошо узнаваемая стилистика NVIDIA.

Поскольку SHIELD Tablet — это в первую очередь игровое устройство, дизайн планшета располагает к использованию в ландшафтной ориентации. При этом по бокам от экрана выстраиваются широкие решетки стереодинамиков, а все аппаратные кнопки остаются на грани корпуса, обращенной вверх. Разъемы для наушников, Micro USB и Mini HDMI сосредоточены в одном месте. Для SHIELD отдельно продается магнитная крышка-подставка. Крайний сегмент крышки цепляется к лицевой панели, удерживая ее закрытой (есть функция входа в сон при закрытии и выхода при открывании), либо к середине обратной поверхности, образуя устойчивую подпорку.

Планшет поставляется в модификациях с интерфейсом Wi-Fi либо с WiFi + LTE. Модем в сотовой версии поддерживает частоты Band 7 и Band 20, необходимые для работы в российских сетях.

Модификация c LTE также наделена вдвое большим объемом встроенной памяти — 32 Гбайт. В обоих случаях доступно расширение карточками microSD емкостью вплоть 128 Гбайт. Тут, однако, нужно сразу напомнить, что Android штатно не позволяет устанавливать приложения на внешний накопитель, а мощные игры, ради которых все и затеяно, могут легко занимать по несколько гигабайтов объема.

Рекомендованные розничные цены на две модели SHIELD Tablet составляют $299 и $399 соответственно. В России планшет появится осенью, а стоить будет 13 990 или 18 990 руб.

Если ограничиться формальным описанием по техническим характеристикам, то SHIELD Tablet представляет собой крепкий образчик планшета на Android, к тому же с «родным» интерфейсом ОС и без дизайнерских излишеств. Специфика проявляется только в конфигурации Wi-Fi. Как и консоль SHIELD, планшет обладает адаптером MIMO 2x2, что означает поддержку двух потоков на частоте 2,4 или 5 ГГц. В последнем случае обеспечивается пиковая пропускная способность на PHY-уровне в 300 Мбит/с. Обычному мобильному спутнику для чтения Facebook✴ в «Макдоналдсе» такая скорость ни к чему — это сделано сугубо для стриминга игр с ПК.

⇡#Контроллер SHIELD

SHIELD Tablet является идейным наследником консоли SHIELD. Но основное отличие, помимо обновленной SoC и более крупного экрана, состоит в том, что игровое устройство теперь разделено на два компонента: планшет и беспроводной контроллер. Последний покупается отдельно по рекомендованной цене $59, или 3 490 рублей, что, в общем-то, совсем недешево. Но и контроллер у SHIELD непростой. Начнем с того, что геймпад соединяется с планшетом не по протоколу Bluetooth, а по Wi-Fi Direct. Как следствие — меньшая задержка ввода и потенциально более качественная передача звука: в геймпаде есть встроенный микрофон и разъем для наушников. Помимо планшета, контроллер работает с консолью SHIELD и ПК, но в последнем случае — только по USB-кабелю. Через него же заряжается несъемный аккумулятор.

По форме корпуса и расположению органов управления геймпад в целом не отличается от консоли SHIELD (за вычетом встроенного дисплея, разумеется). Эргономика все так же на высоте. Единственная недоработка механики, которую замечаешь после того, как проведешь с SHIELD достаточно времени: аналоговые стики хотелось бы сделать более тугими, иначе удержание определенного угла наклона, помимо крайних положений, довольно-таки затруднительно. Еще кому-то геймпад покажется слишком легким, но извините — это все-таки мобильное устройство.

В отличие от геймпада консоли SHIELD, кнопки, дублирующие элементы навигации Android, сделали сенсорными, что эффектно, но нисколько не удобно. А кнопки регулировки громкости при этом почему-то самые что ни на есть физические. Также появился миниатюрный тачпад, управляющий курсором мыши наряду с правым аналоговым стиком.

Геймпад идеально интегрирован с устройствами SHIELD. «Спаривание» и активация гемйпада выполняется длительным нажатием кнопки с логотипом NVIDIA. К одному хосту подключаются вплоть до четырех контроллеров. На практике управление геймпадом, работающим по Wi-Fi Direct, и вправду суперотзывчивое. Нет абсолютно никакой разницы в задержке ввода по сравнению со встроенным геймпадом консоли SHIELD.

⇡#Программное обеспечение

На SHIELD Tablet установлен «голый» Android версии 4.4.2 (KitKat) с минимальными дополнениями в виде игрового ПО NVIDIA. Программа SHIELD Hub предоставляет ссылки на игры в Play Store, которые по меньшей мере хорошо дружат с аппаратным геймпадом SHIELD. Отсюда же запускаются установленные игры под Android или трансляция с ПК.

Есть утилита Gamepad Mapper — с ее помощью кнопки геймпада можно привязать к областям экрана или жестам в тех играх, которые не поддерживают аппаратные контроллеры.

С десктопа в SHIELD пришла функция записи видео ShadowPlay силами встроенного кодировщика H.264. Правила точно такие же: либо процесс запускается и останавливается произвольно, либо программа всегда пишет в фоновом режиме, и можно в любой момент извлечь записанное в течение последних 20 минут. То, что происходит на экране, можно сопроводить изображением с веб-камеры и звуком с микрофона. Ролик сохраняется в контейнере MP4, встроена поддержка сервиса Twitch.

Вслед за Tegra Note 7 на SHIELD Tablet установлено ПО для распознавания рукописных заметок, а также NVIDIA Dabbler — программа для рисования при помощи комплектного стилуса, которая использует расчетные возможности GPU для симуляции физики: растекающиеся пятна акварели, игра света на объемных мазках масляной краски и так далее.

⇡#Играть: во что и как

У SHIELD Tablet есть два сценария использования: либо мы играем на встроенном дисплее, либо подключаем внешнюю панель по кабелю HDMI. Интерфейс версии 1.4b поддерживает разрешения стандарта Ultra-HD (2160p) с частотой кадров 30 Гц или 1080p с частотой 60 Гц. При этом либо изображение дублируется на встроенном экране, либо он отключен.

А вот во что играть — это более сложный вопрос. Сотрудники NVIDIA нам сообщили, что до последнего момента компания противилась тому, чтобы к их игровым устройствам применяли термин «консоль», поскольку NVIDIA не концентрирует вокруг своих продуктов игры, а стремится сделать универсальную открытую платформу, совместимую как с Android, так и с ПК.

Сам Android как игровая среда пока что пребывает в том же состоянии, что и в прошлом году, когда свет увидел первый SHIELD. Ну то есть, с одной стороны, есть море казуалок и тайм-киллеров, с другой — острый недостаток игр с глубоким погружением в процесс, разработчики ориентируются на технические ограничения аппаратной базы. В этой области NVIDIA взяла на себя задачу в одиночку сдвинуть камень с места, и, кажется, наконец процесс пошел. По крайней мере, вычислительной мощи Tegra K1 хватает за глаза для того, чтобы реализовать в коде все то, что раньше было невозможно.

В обзоре консоли SHIELD мы восторгались, как Half-Life 2 выглядит на мобильном устройстве, но версия для Tegra K1 — это столь же большой рывок вперед. В глаза бросаются текстуры высокого разрешения, анизотропная фильтрация, геометрически правильные тени, блестящие поверхности, и при всем этом — полное отсутствие тормозов в разрешении 1080p.

Другой яркий образчик — платформер Trine 2, предустановленный на каждом SHIELD Tablet. Здесь также можно порадоваться прекрасной графике с богатыми эффектами и детализированным окружением, ну и чертовски увлекательному и затягивающему игровому процессу. Примечательно, что Trine 2 использует полноценный OpenGL, а не типичный для мобильной графики порезанный OpenGL ES, что автоматически делает ее эксклюзивом для Tegra K1, ведь других ARM-совместимых SoC с поддержкой OpenGL пока попросту не существует.

Вскоре грядет выход версий War Thunder для Android и iOS. Бета-версия, которую нам продемонстрировали на большом экране, пожалуй, и вправду выглядит не хуже, чем лучшие игры для консолей предыдущего поколения.

Недостаток больших игровых проектов на Android восполняет трансляция компьютерных игр. Для этого необходимо соединиться с десктопом или ноутбуком (в котором, разумеется, должна быть видеокарта GeForce и ПО NVIDIA) по Wi-Fi или кабельному Ethernet (с помощью USB-адаптера). Игра на встроенном дисплее — сомнительное удовольствие, SHIELD лучше всего использовать в качестве узла для подключения телевизора и беспроводного геймпада.

Вопреки понятному скепсису, играть таким образом очень даже комфортно. При хорошем канале качество изображения идеально (поддерживается разрешение вплоть до 1080p). Задержка ввода, конечно, присутствует, но подчас лишь на грани различения. И что немаловажно, в поддерживаемых играх изначально настроено управление геймпадом, и даже подсказки на экране выводятся с указанием кнопок контроллера.

Более экзотический, по сути, экспериментальный вариант — трансляция по Интернету с удаленного компьютера при условии, что у него есть статический IP-адрес. Наконец, в статусе бета-версии запущен облачный сервис NVIDIA GRID с небольшой библиотекой игр, которым бесплатно можно попользоваться при условии более-менее качественного соединения с серверами NVIDIA в Калифорнии. При таких условиях вообще удивительно, что система удовлетворилась 100-мегабитным каналом в Москве и даже позволила поиграть с более-менее терпимым лагом. Картинка, однако, была очень размытой в силу мощной компрессии.