Итоги 2017 года: графические ускорители

В 2016 году началась новая эра в истории дискретных GPU — оба производителя графических процессоров для настольных ПК и ноутбуков начали выпуск чипов с прогрессивным техпроцессом 14/16 нм FinFET, который позволил возобновить рост быстродействия и энергоэффективности, заторможенный в долгий период господства нормы 28 нм. В следующем, 2017 году возможности новой технологии уже полностью раскрылись — и NVIDIA, и AMD выпустили на массовый рынок GPU первого эшелона, ранее зарезервированные за ускорителями вычислений. Наибольшее внимание привлекла именно AMD, ведь компания наконец-то восстановила присутствие в сегменте высокопроизводительных игровых видеокарт благодаря семейству Radeon RX Vega. С другой стороны, NVIDIA уже проложила дорогу чипам архитектуры Volta, которые производятся на основе следующего узла фотолитографии с применением FinFET — 12 нм.

Настало время подвести промежуточные итоги в сфере дискретных видеокарт для настольных компьютеров и перечислить события, которыми отличился этот довольно урожайный год.

⇡#AMD Radeon RX 500

Ускорители Radeon с индексами RX 460, RX 470 и RX 480 пришли в 2016 году на смену устаревшим GPU эпохи 28 нм, которые успели пережить один, а то и два раунда ребрендинга, в начальном и среднем сегментах производительности. За счет привлекательных цен AMD оказала серьезное давление на конкурирующие устройства серии GeForce 10, но с технической точки зрения семейство Polaris не оправдало возложенных на него надежд, ведь конкурент гораздо лучше распорядился теми возможностями, которые новый техпроцесс 14/16 нм FinFET открыл для увеличения энергоэффективности и частотного потенциала GPU.

На следующий год после дебюта 400-й серии Radeon не могло быть и речи о том, чтобы AMD в одночасье заполнила все ценовые ниши графическими процессорами Vega или Navi, поэтому чипам Polaris было суждено второе рождение в рамках семейства Radeon 500. За долгий срок жизни архитектуры Graphics Core Next компания не один раз использовала этот прием, когда GPU следующего поколения еще не готовы к массовому производству и «старый» кремний переводят в следующую серию видеоадаптеров. Но Polaris — особый случай. Вместо простой перемаркировки AMD выпустила обновленные кристаллы Polaris 20 и Polaris 21, в которых была оптимизирована схемотехника и производственный процесс.

Ревизия GPU в Radeon 500-й серии существенно повлияла на быстродействие старших моделей семейства. Так, рядовые образцы Radeon RX 570 и RX 580 в штатном режиме достигают таких же частот, как топовые модификации их предшественников — RX 470 и RX 480 — с отборными кристаллами и развитой системой охлаждения. В результате Radeon RX 580 на равных соревнуется с GeForce GTX 1060 6 Гбайт по игровой производительности, а RX 570 берет свое в противостоянии с GTX 1060 3 Гбайт за счет большего объема RAM. Увы, победы Radeon RX 570 и RX 580 в бенчмарках не компенсируют ситуацию с ценами видеокарт на старшем чипе Polaris. Криптовалютная лихорадка удерживает их на существенно более высоком уровне по сравнению с рекомендованными AMD розничными значениями.

Что касается младших моделей семейства — Radeon RX 550 и RX 560, то здесь AMD сделала акцент более на энергоэффективности, нежели на быстродйствии. В 2016 году, когда Radeon RX 460 поступил в продажу, AMD пришлось пойти на компромисс: пусть укоритель уступает по быстродействию своим соперникам (GeForce GTX 1050 и GTX 1050 Ti), зато он дешевле, что немаловажно в данной ценовой категории. Но у графического процессора Polaris 11 осталась в резерве часть логики, не задействованной в Radeon RX 460, и под именем Polaris 21 чип вернулся в составе Radeon RX 560 с полностью активным набором вычислительных блоков.

Пусть в старших моделях 500-й серии AMD целиком инвестировала освободившийся ресурс энергоэффективности в наращивание частот, но спецификации Radeon RX 560 позволяют выпускать видеокарты с TBP (Typical Board Power) от 60 Вт, а некоторые производители смело опустились и до отметки 45 Вт, ведь расширенный конвейер Polaris 21 в какой-то степени компенсирует ограниченный частотный диапазон. С другой стороны, мощным вариантам Radeon RX 560, достигающим 80 Вт, обновленный GPU помогает в борьбе с GeForce GTX 1050 и GTX 1050 Ti. Как бы то ни было, в этой нише видеокарты AMD по-прежнему проигрывают устройствам NVIDIA по быстродействию и привлекают покупателя за счет сравнительно низких цен.

По причине широкого диапазона мощности и объема RAM (2 либо 4 Гбайт) под одной и той же маркой Radeon RX 560 встречаются устройства с совершенно разным уровнем производительности. Но мало того, AMD допускает применение в RX 560 графических процессоров с «урезанной» конфигураций вычислительных блоков — как в Radeon RX 460. В итоге RX 560 из всех видеокарт в современном каталоге AMD и NVIDIA обладает наиболее размытыми спецификациями и требует особенного внимания при покупке.

Последний представитель 500-й серии — Radeon RX 550 вывел на рынок десктопных GPU совершенно новый графический процессор, который расширил семейство Polaris в сторону самых компактных и энергоэкономичных решений. В своей ценовой нише Radeon RX 550 пришел на смену розничной модели Radeon R7 350 и нескольким OEM-позициям нижнего уровня из 300-й и 400-й серии. На высокое быстродействие в ААА-играх такие видеокарты не претендуют, вместо этого RX 550 козыряет поддержкой современных интерфейсов вывода изображения (DisplayPort 1.3/1.4 и HDMI 2.0) и аппаратным декодированием видео высокого разрешения. Впрочем, при своей стоимости Radeon RX 550 неплохо подходит и для игр (не последнюю роль в этом играет адекватный объем локальной памяти — 2 или даже 4 Гбайт), в особенности — нетребовательных многопользовательских проектов.

AMD Radeon RX Vega

AMD изначально дала понять, что семейство графических процессоров Polaris было лишь промежуточным шагом на пути к Vega — по-настоящему масштабному обновлению архитектуры Graphics Core Next, которое позволит компании вернуться на рынок GPU для энтузиастов. А перед тем как это, наконец, свершилось, GPU Vega 10 прошел боевую проверку в составе ускорителей вычислений Radeon Instinct и просьюмерской карты Radeon RX Vega Frontier Edition.

На потребительском рынке семейство Radeon RX Vega представлено двумя моделями с индексами 56 и 64, последняя из которых существует в конфигурациях с воздушным либо жидкостным охлаждением. Чип Vega 10 — единственный отпрыск архитектуры Vega на данный момент — является идейным наследником графического процессора Fiji (Radeon R9 Fury и Fury X). У этих GPU похожая конфигурация вычислительных блоков, и оба комплектуются высокоскоростной памятью типа HBM. Vega принадлежит честь вывести на рынок потребительских видеокарт HBM второго поколения и технологию страничного доступа к адресному пространству, который позволяет использовать локальную память GPU как кеш третьего уровня и обращаться к «дальней» памяти (системной RAM) на уровне драйвера — так же, как это устроено в центральных процессорах со времен Intel 80286.

В то время как NVIDIA, начиная с поколения Pascal, выделила GPU для неграфических вычислений (GP100) в особую категорию, архитектура GCN 1.4, лежащая в основе Vega, как и предыдущие итерации Graphics Core Next, ориентирована одновременно и на рендеринг, и на вычисления общего назначения (GP-GPU). По сравнению с Polaris вычислительные возможности Vega расширены за счет «уплотнения» операций сниженной разрядности (функция Packed Math, в терминологии AMD): графический процессор может одновременно производить вдвое больше операций над числами формата FP16 по сравнению с операциями FP32. Пусть математика сниженной точности в дискретных GPU пока востребована преимущественно в задачах машинного обучения, но со временем она может найти широкое применение и в графике на тех стадиях конвейера рендеринга, которые не требуют более точного представления. Благо операции с плавающей запятой над 10- и 16-битными числами поддерживаются доминирующим игровым API — DirectX 12.

Пусть в чипах AMD сохраняется упор на расчетную нагрузку, создатели Vega не обошли вниманием блоки фиксированной функциональности, связанные с 3D-рендерингом. Vega приобрела совершенно новый, частично программируемый геометрический движок и отдельный планировщик операций над геометрическими примитивами, а сравнительно небольшое для такого крупного GPU число блоков наложения текстур компенсирует тайловый рендеринг (этот метод использует и NVIDIA в архитектурах Maxwell и Pascal). Наконец, Vega может похвастаться наиболее полной поддержкой функций рендеринга DirectX 12 «в железе» среди дискретных GPU. Возможности Vega не только соответствуют высшему feature level в спецификациях Direct3D 12, но и в рамках отдельных функций, подразумевающих более подробное разделение, Vega превосходит архитектуры Pascal и Volta от NVIDIA.

В целом AMD создала сбалансированный, разносторонний и во многих отношениях новаторский продукт. Увы, многие из нововведений Vega 10 (как уже не раз бывало с чипами AMD) представляют собой инвестицию в будущее вместо того, чтобы приносить пользу здесь и сейчас, либо используются лишь профессиональным ПО. По грубым оценкам — размеру кристалла, тактовым частотам и энергопотреблению — графический процессор Vega 10 является полноправным соперником GP102 от NVIDIA (GeForce GTX 1080 Ti, TITAN X и TITAN Xp), и эти ожидания полностью оправдались в тестах вычислений общего назначения. В то же время в играх стремление разработчиков получить универсальный чип, подходящий и для графических, и для расчетных задач, только обременяет Vega: по частоте смены кадров в ААА-проектах новый флагман AMD может потягаться лишь с GeForce GTX 1080, а об уровне производительности GeForce GTX 1080 Ti в большинстве случаев не может идти и речи.

Другой недостаток Vega заключается в чрезвычайно высоком энергопотреблении. Новая архитектура способна работать на гораздо более высоких частотах, чем Polaris, но по параметру производительности на ватт в игровых приложениях Vega 10 с разгромным счетом проиграла чипам Pascal сопоставимого уровня быстродействия. Если во времена Fiji AMD почти догнала NVIDIA в гонке энергоэффективности, то сегодня разрыв в пользу соперника велик как никогда.

По сравнению с Radeon RX Vega 64, младшая модель серии — Vega 56 — выступила более убедительно. В играх она одержала уверенную победу над GeForce GTX 1070 и продемонстрировала недюжинный оверклокерский потенциал, за счет которого легко достигает уровня Vega 64 и угрожающе подбирается к GeForce GTX 1080. GeForce GTX 1070 не способен на такие достижения, хотя NVIDIA уже дала отпор Vega 56 с помощью новейшего представителя серии GeForce 10 — GTX 1070 Ti.

Как бы то ни было, мы приветствуем возвращение марки Radeon на рынок высокопроизводительной графики. Главная проблема AMD сейчас связана вовсе не с быстродействием и энергопотреблением GPU, а с дефицитом видеокарт серии Radeon RX Vega на рынке, который подстегивает цены и выталкивает Vega 56 и Vega 64 в такую ценовую категорию, где сравнение с продуктами NVIDIA заканчивается не в пользу «красных». Рано или поздно поставки кристаллов Vega выйдут на должный уровень, и уже появились модели видеокарт нереференсного дизайна, но из-за дефицита AMD продолжает терять доход, столь необходимый для того, чтобы в следующих поколениях GPU преодолеть нарастающее технологическое отставание от NVIDIA.

⇡#NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti

Дебют семейства Vega от AMD ничуть не поколебал позиции GeForce GTX 1080 Ti в качестве лидера высокопроизводительных игровых ускорителей. Учитывая тот факт, что Vega с момента обнародования спецификаций GPU не претендовала на большее быстродействие в рендеринге графики, чем GeForce GTX 1080, у NVIDIA даже не было острой необходимости обновлять модельный ряд серии GeForce 10 столь рано, но в итоге новый флагман, GTX 1080 Ti, увидел свет уже в марте прошедшего года.

Перед тем как попасть на потребительский рынок, графический процессор GP102 заявил о себе в составе «счетных» ускорителей Tesla и просьюмерской видеокарты TITAN X. Это стандартная тактика NVIDIA: верхнюю позицию в новой линейке геймерских видеокарт какое-то время занимает устройство на чипе второго эшелона (в данном случае это GeForce GTX 1080), а флагманский GPU сперва снимает сливки в профессиональной категории и лишь затем, с потерями вычислительных блоков и функций, доходит и до игровых устройств.

GeForce GTX 1080 Ti фактически представляет собой TITAN X со скидкой. По сравнению с «Титаном» игровая видеокарта недосчиталась всего лишь одного контроллера RAM, восьми ROP и 1 Гбайт локальной памяти. В играх эти потери полностью компенсированы повышенными частотами GPU и RAM. Даже расчетные возможности GP102 в GTX 1080 Ti сохранились в полной мере: видеокарта может агрегировать четыре операции над данными int8 за один такт 32-битного CUDA-ядра — точно так же, как и TITAN X, который позиционируется в качестве ускорителя задач глубинного обучения.

Выпустив GeFoce GTX 1080 Ti, NVIDIA завершила переход от GPU эпохи 28 нм к новому поколению, т. к. разница в игровом быстродействии между новым флагманом и его предшественником, GeForce GTX 980 Ti, составляет убедительные 54–67%. GTX 1080 Ti стала первой среди потребительских видеокарт, которая безоговорочно подходит для игры в разрешении 4К. На это достижение претендовали еще GeForce GTX 780 Ti и Radeon R9 290X, но до появления GTX 1080 Ti задача была по силам только TITAN X или паре GTX 1070/1080 в режиме SLI.

⇡#NVIDIA GeForce GTX 1070 Ti

В семействе ускорителей Radeon RX Vega именно младшая модель, Vega 56, оказалась наиболее опасным продуктом для NVIDIA. В противостоянии GeForce GTX 1080 и Vega 64 можно констатировать равенство сил (да и то с массой оговорок), но это все, чего смогла достигнуть AMD, не преступая разумных границ энергопотребления отдельно взятой видеокарты. Напротив, благодаря тому факту, что между GTX 1080 и следующей по старшинству картой NVIDIA лежит большая дистанция, Vega 56 нанесла снайперский удар по GeForce GTX 1070. Ускоритель AMD не только превосходит GTX 1070 по быстродействию на штатных частотах, но и без труда разгоняется до уровня GeForce GTX 1080. Но та же причина (существенно ослабленная по сравнению с GTX 1080 конфигурация GTX 1070) дала возможность NVIDIA оперативно закрыть брешь в своих рядах, выпустив GeForce GTX 1070 Ti.

«Титановая» версия представляет собой чрезвычайно щедрый апгрейд GeForce GTX 1070. GTX 1070 Ti уравнен с GTX 1080 по резерву мощности и базовой частоте, а в составе графического процессора NVIDIA активировала дополнительные вычислительные блоки, которые в сумме подняли проектную вычислительную мощность чипа на 27%. По сути, главным фактором, дифференцирующим GTX 1070 Ti и GTX 1080, осталась оперативная память — GDDR5 или GDDR5X — с сопутствующими тому и иному типу тактовыми частотами.

GeForce GTX 1070 Ti достиг поставленной цели — на штатных частотах обеспечить пусть практически незначимое, но все же неоспоримое преимущество перед видеокартой конкурента. Вместе с тем GTX 1070 Ti оказался не менее перспективным объектом для оверклокинга, чем Vega 56. Фактически за счет разгонного потенциала GeForce GTX 1070 Ti подрывает позиции более дорогой модели собственного семейства — если Vega 56 на повышенных частотах только движется к уровню GeForce GTX 1080, то обновленный GTX 1070 Ti его с легкостью превосходит.

⇡#NVIDIA TITAN Xp и TITAN V

Появление GeForce GTX 1080 Ti полностью обесценило TITAN X — ведь эти видеокарты практически равны по быстродействию, поэтому выход обновленной версии просьмерского ускорителя, TITAN Xp, оставался лишь вопросом времени. Однако, пусть TITAN Xp обладает полностью функциональным графическим процессором GP102, прирост быстродействия сравнительно с GeForce GTX 1080 Ti за счет разблокированных вычислительных блоков и дополнительного гигабайта оперативной памяти оказался довольно скромным.

Впрочем, и TITAN Xp с недавних пор и не претендует на эксклюзивный статус, которым некогда наслаждался TITAN X. Спустя всего лишь год после первого «Титана» на основе архитектуры Pascal увидел свет TITAN V, в котором уже применяется GPU семейства Volta. Особенность ситуации в том, что TITAN V получил старший и пока единственный чип Volta — GV100, в то время как Pascal высшего эшелона (GP100) так и не дошел до просьюмерских видеокарт, не говоря уже об игровых.

GV100 представляет собой чрезвычайно амбициозный проект. Кристалл характеризуется рекордной площадью и количеством транзисторов (21,1 млрд). Фактически это микросхема с наибольшим транзисторным бюджетом среди всех когда-либо выпущенных на сегодняшний день, считая гигантские FPGA и многокристальные процессоры AMD EPIC/Threadripper. Этому достижению поспособствовал техпроцесс 12 нм FinFET, на который NVIDIA переключилась с проверенного 16 нм FinFET.

Хотя GPU в составе TITAN V не является полностью функциональным (часть вычислительных блоков и одна из сборок памяти HBM2 была отключена), все равно TITAN V располагает на 33% большим набором шейдерных ALU по сравнению с TITAN Xp. Но игры и 3D-рендеринг как таковой не являются основной сферой применения TITAN V. Главное нововведение архитектуры Volta — специализированные ядра для тензорных операций (произведение матриц А и B складывается с матрицей C), которые используются главным образом в обработке данных сетями машинного обучения (inference). Кроме того, NVIDIA существенно модифицировала организацию стандартных ядер CUDA с целью разместить на площади GPU как можно больше вычислительных ресурсов.

Графический процессор NVIDIA V100 на плате Tesla V100

В расчетных задачах TITAN V полностью оправдывает свою беспрецедентно высокую цену — $3 000. С другой стороны, в рендеринге (в частности, в играх) возможности GV100 пока под вопросом: по сравнению с TITAN Xp прирост производительности с текущей версией драйвера явно не соответствует как технологической, так и ценовой разнице двух видеокарт.

⇡#Прогноз на будущее

Подрядчики по выпуску микросхем, с которыми сотрудничают AMD и NVIDIA, — TSMC и GlobalFoundries — обещают безболезненный переход от нормы 14/16 нм FinFET к следующему узлу, 12 нм. Пользуясь официальными заявлениями производителей, равно как и неподтвержденными слухами, можно с уверенностью утверждать, что в 2018 году оба разработчика дискретных GPU обновят ассортимент игровых видеокарт за счет чипов нового поколения.

AMD озвучила свои намерения предельно ясно — на базе технологии 12 нм FinFET грядет обновление флагманского графического процессора Vega 10. Действительно, несколько серверных ускорителей с GPU Vega 20 и объемом памяти 16 либо 32 Гбайт уже зарегистрированы в базе устройств Евразийской экономической комиссии. Ходит довольно много слухов о GPU под названием Vega 11 с памятью HBM2, а соответствующую видеокарту прочат в соперники GeForce GTX 1060. AMD поспешила заявить, что Vega 11 является не дискретным чипом, но составной частью грядущих APU с процессорным ядром Zen, однако база ЕЭК содержит данные и о двух потребительских устройствах на основе двух конфигураций данного GPU — Vega 11 XT и Vega 11 PRO. Там же фигурирует и следующий по старшинству графический процессор, Vega 12.

Совершенно ничего не известно о модельном ряде графических процессоров Navi — следующей после Vega итерации GCN. Неофициальные источники поместили грядущий анонс новой архитектуры AMD на август 2018 года. Говорят, что чипы Navi будут производиться по норме 7 нм, и уже в этом поколении AMD может отказаться от выпуска монолитных GPU высшей категории производительности в пользу модульных конструкций из нескольких ядер, объединенных кремниевой подложкой.

В планах NVIDIA официальным наследником архитектуры Pascal является Volta, и недавний выход TITAN V указывает на то, что Volta повторит траекторию развития семейства Pascal: сначала компания выпустит флагманский игровой ускоритель на основе GPU второго эшелона, затем Volta проникнет в среднюю и начальную ценовую категории, и наконец появится видеокарта с большим GPU, которым станет либо GV100, либо его аналог, лишенный специфических вычислительных функций.

На текущий момент Volta является последней вехой в обнародованном NVIDIA манифесте развития GPU, но интернет полнится слухами о новой архитектуре под названием Ampere. А вот что именно скрывается под этим именем, пока совершенно неизвестно. У NVIDIA есть два пути — либо Ampere станет следующей универсальной платформой после Volta, которая найдет применение и в ускорителях вычислений, и в игровых видеокартах, либо NVIDIA планирует зарезервировать Volta для профессиональных продуктов, а грядущее поколение GeForce будет сформировано именно процессорами Ampere. В качестве возможного атрибута GPU Ampere называют оперативную память типа GDDR6, которая отличается скоростью передачи данных вплоть до 16 Гбит/с на контакт и повышенной энергоэффективностью по сравнению с GDDR5X.

Кроме того, NVIDIA тоже изучает перспективы GPU, собранных из нескольких дискретных ядер на кремниевой подложке. Похоже, что это неизбежный путь развития для графических процессоров, но коммерческой стадии многочиповые GPU вряд ли достигнут раньше следующего, 2019 года.

⇡#Приложение. Актуальные линейки видеоадаптеров AMD и NVIDIA для настольных ПК