Итоги 2018 года: видеокарты

Индустрия дискретных графических процессоров в наше время соблюдает более-менее устойчивый двухлетний цикл развития. Понятно, что разработка отдельной архитектуры GPU от блок-схемы до коммерческого продукта в действительности занимает намного более продолжительный срок. Но бизнес-процессы внутри компании-производителя спланированы так, что в первый год на потребительский рынок выпускают сравнительно компактные чипы первой волны, и, если есть такая возможность, происходит освоение нового узла фотолитографии, а в следующем году уже появляются крупные GPU верхнего эшелона, которые приближаются к пределу возможностей действующих производственных линий.

2017 год оба основных производителя дискретных GPU завершили во второй фазе цикла: NVIDIA целиком развернула семейство видеокарт GeForce 10, а AMD представила ускорители Radeon RX Vega, которые вместе с моделями Radeon RX 500-й серии составляют семейство «красных» продуктов на техпроцессе 14 нм FinFET. В прошедшем году мы ожидали от AMD и NVIDIA решительных действий. И пусть графическое подразделение AMD все еще копит силы для полномасштабной замены архитектур Polaris и Vega, новинки NVIDIA точно не оставили никого равнодушным, хотя далеко не все игроки остались ими довольны.

⇡#NVIDIA GeForce RTX

Несмотря на то, что мы сейчас подводим итоги года в сфере дискретных GPU, а новые видеокарты были представлены в августе, серии GeForce RTX 20 все еще нельзя дать однозначную оценку. В этот раз NVIDIA сломала все правила, которым следовала в предыдущие годы, и GeForce RTX скорее демонстрирует новую политику компании в отношении потребительских GPU, нежели продолжение сложившихся традиций.

Разработчики графических процессоров не в первый раз пробуют свои силы в трассировке лучей. Современный GPU уже давно превратился из устройства, обладающего одними лишь фиксированными функциями для рендеринга 3D-графики, в универсальную вычислительную машину. Шейдерные ALU достаточно эффективны для создания изображений методом трассировки лучей, так сказать, в офлайне: фермы из нескольких GPU используют в киноиндустрии, моделировании промышленных объектов и прочих задачах, в которых сравнительно более легкий метод растеризации не дает требуемой точности. Однако Ray Tracing в реальном времени оставался недостижимой целью для создателей компьютерных игр и потребительского железа.

Чтобы GPU мог выполнять трассировку лучей в реальном времени, требуется поворот к специализированным вычислительным блокам — именно то, что сделала NVIDIA в архитектуре Turing. По словам Дженсена Хуанга, компания не меньше десяти лет готовилась к этому событию. Зачатки аппаратных функций для трассировки лучей можно было обнаружить еще в семействе чипов Maxwell, а Volta в какой-то степени обеспечивает аппаратно ускоренный Ray Tracing за счет тензорных операций. Но в Turing впервые среди массовых GPU значительная часть транзисторного бюджета выделена на специализированную логику для трассировки лучей. Сколько именно — пока известно только разработчикам, хотя у независимых исследователей есть возможность провести базовый reverse engineering чипов Turing и вычислить площадь, занятую RT-блоками.

Как бы то ни было, тесты GeForce RTX показали, что во имя прогрессивных методов рендеринга NVIDIA пришлось пойти на определенные жертвы в традиционных метриках быстродействия. Так, GeForce RTX 2080 Ti сдвинул планку игровой производительности лишь на 28 % по сравнению с предшествующим флагманом (GeForce GTX 1080 Ti), а ведь в прошлом разница между поколениями продуктов NVIDIA достигала 68 % (GeForce GTX 1080 Ti против GeForce GTX 980 Ti). В то же время GeForce RTX 2080 оказался полным эквивалентом GeForce GTX 1080 Ti в играх без трассировки лучей, а RTX 2070 лишь на 9–14 % превосходит GTX 1080 в актуальных для ускорителей этой категории разрешениях 1080p и 1440p. Все это притом, что в основе серии GeForce RTX лежат чрезвычайно крупные чипы, содержащие от 10 800 до 18 600 млн транзисторов.

Впрочем, относительно скромный прирост быстродействия в архитектуре Turing отчасти можно списать на отставание фотолитографических технологий от амбиций NVIDIA. Узел 12 нм FFN на фабрике TSMC, который используется для чипов Turing, в действительности является дальнейшим развитием техпроцесса 16 нм FinFET и не обеспечивает радикального увеличения тактовых частот и плотности компонентов.

Похоже, именно из-за того, что NVIDIA пришлось затормозить наращивание «сырой» вычислительной мощности, компания решила одновременно выпустить на массовом рынке несколько GPU с поддержкой трассировки лучей, вместо того чтобы оставить флагманский чип в запасе на следующий год. Кроме того, жизнь видеокарт серии GeForce 10 формально не окончена: нет никаких официальных скидок, и они остаются в продаже, пока есть в запасе у производителей. В результате у покупателя есть выбор между старыми и новыми ускорителями, обладающими сопоставимой производительностью: GeForce GTX 1080 или RTX 2070, GTX 1080 Ti или RTX 2080. Только GeForce RTX 2080 Ti остается бескомпромиссным решением, которое одновременно предлагает и трассировку лучей в реальном времени, и существенный рост быстродействия в традиционном игровом рендеринге.

Само по себе пересечение нового и старого семейства устройств со сдвигом на одну позицию модельного ряда — не новая и совершенно приемлемая ситуация. Вот только доступ к передовому железу NVIDIA нынче как никогда дорог. GeForce RTX 2070 и RTX 2080 выпущены по таким же рекомендованным ценам, как GeForce GTX 1080 и GTX 1080 Ti соответственно. В этот раз геймеры не получили бесплатного увеличения быстродействия в пересчете на доллар, как всегда было в прошлые годы, а новый флагман продается по беспрецедентно высоким ценам — от $999. Фактически GeFore RTX 2080 Ti занял ту нишу, в которой раньше существовали видеокарты серии TITAN. Жадность компании Дженсена Хуанга в глазах критиков подчеркивают и цены видеокарт под маркой Founders Edition, которые продаются в интернет-магазине NVIDIA по цене на $100–200 выше уровня, рекомендованного для сторонних производителей.

Если бы на рынке высокопроизводительных GPU сохранялась столь же острая конкуренция, как во времена чипов на техпроцессе 28 нм, можно было бы сказать, что NVIDIA испытывает терпение покупателей. Но в ситуации, когда лучшая из массовых видеокарт AMD, Radeon RX Vega 64, может соперничать лишь с GeForce GTX 1080, придется согласиться с правилами NVIDIA, по которым функции трассировки лучей стоят серьезной прибавки в ценах. Так ли это в действительности?

С фундаментальной точки зрения есть несколько аргументов в пользу того, что гибридный рендеринг, сочетающий растеризацию и трассировку лучей, не только приветствуется, но и попросту необходим как разработчикам GPU, так и игроделам. Трудно не заметить, что в последние годы освоение новых узлов фотолитографии проходит с трудностями. Законы физики пока позволяют уменьшать размер транзистора, а у разработчиков микросхем еще есть в запасе несколько приемов, способных держать «под капельницей» закон Мура (включая многочиповые сборки на кремниевой подложке или микросхемы в виде трехмерного стека, как делается в чипах Flash-памяти). Но в долговременной перспективе главным источником прогресса для процессоров любого типа вместо разрастания транзисторного бюджета станет усовершенствование архитектуры, в частности — за счет специализации вычислительных блоков. Именно это сделали авторы архитектуры Turing — так же как 3dfx, сама NVIDIA и прочие пионеры 3D-графики на PC середине в 90-х, создавшие специализированное железо для рендеринга путем растеризации.

Разработчики ПО тоже неспроста поддерживают инициативу NVIDIA. В первых проектах с поддержкой трассировки лучей эта технология выглядит как дополнительный или в лучшем случае альтернативный метод создания световых эффектов (теней, отражений, Ambient Occlusion и прочих), которые в контексте растеризации уже реализованы за счет тех или иных «костылей». Однако трассировка лучей позволяет делать то же самое более элегантным, прямолинейным и потенциально эффективным с точки зрения быстродействия путем. Тем более что Ray Tracing на чипах Turing, в отличие от множества ныне забытых проприетарных функций рендеринга, доступен через расширение DXR для Direct3D 12.

Другой вопрос, исполнятся ли обещания гибридного рендеринга уже в первом поколении GPU, поддерживающих трассировку лучей в реальном времени, или программного раскрытия их аппаратных возможностей придется ждать еще очень долго. Ответа на него пока нет. Единственный на данный момент пример трассировки лучей в реальной игре — это Battlefield V, и в ней даже после недавних оптимизаций активация DXR снижает частоту кадров на 30–50 %. Конечно, нельзя делать выводы по одной лишь игре, тем более что видеокарты GeForce RTX легко переживают такое падение производительности, сохраняя приличный фреймрейт, а трассировка лучей действительно облагораживает картинку. И все же, по крайней мере в Battlefield V, Ray Tracing имеет довольно высокую цену. В будущих итерациях архитектуры NVIDIA придется существенно нарастить быстродействие RT-блоков или выделить им большую площадь кристалла, чтобы поддержка DXR опустилась в средний и нижний ценовой сегмент графических процессоров, как в свое время произошло с поддержкой шейдеров. Но если двухлетний цикл развития GPU останется в силе, то следующий шаг в этом направлении будет сделан еще нескоро, а AMD и вовсе собирается постоять в стороне, пока NVIDIA несет бремя первопроходца.

Однако у видеокарт GeForce RTX есть еще одна особенность, которая на фоне горячих дискуссий о трассировке лучей не получает того внимания, которого она в действительности заслуживает. Turing унаследовал от архитектуры Volta массив тензорных ядер, за счет которых увеличивается скорость обработки данных сетями глубинного обучения. В Volta тензорные ядра используются для исследовательских и промышленных задач. В Turing они опять-таки участвуют в алгоритмах трассировки лучей, но не только: в дополнение ко множеству возможностей, которые искусственный интеллект открывает для компьютерных игр, NVIDIA предлагает DLSS (Deep Learning Super Sampling) — высококачественное полноэкранное сглаживание и масштабирование изображения, за счет которого практически бесплатно и без видимых потерь в качестве можно увеличить разрешение рендеринга — скажем, с 1440p до 2160p. В отличие от DXR, гораздо больше игровых проектов, как грядущих, так и уже выпущенных, объявили о сотрудничестве с NVIDIA по внедрению DLSS, и если эта программа достигнет успеха, то глубинное обучение фактически компенсирует все проблемы Turing: и недостаточно высокий рост быстродействия в играх без DXR относительно показателей прошлого поколения, и ресурсоемкость самой трассировки лучей.

⇡#AMD Radeon RX 590

Если речь идет о графических картах, то помимо такой бомбы, как выпуск GeForce RTX, в 2018 году произошло немного событий, достойных упоминания. AMD, кажется, полностью увлечена центральными процессорами, а графические карты все сильнее отстают от предложений конкурента. В 2017 году красная команда хотя бы смогла выставить соперника для GeForce GTX 1080, но вместе с серией GeForce RTX NVIDIA ушла далеко вперед. Сегодня лучший игровой ускоритель NVIDIA превосходит Radeon RX Vega 64 по быстродействию более чем на 50 %, хотя работает примерно в таком же термопакете — 250-295 Вт.

Но несмотря на то, что AMD временно устранилась от борьбы за рынок видеокарт высшего эшелона, марка Radeon хорошо чувствует себя в более доступной категории видеокарт. После того как майнеры криптовалют перестали опустошать запасы ускорителей на чипах Polaris и Vega, их розничные цены приблизились к значениям, рекомендованным в момент релиза. В то же время за прошедший год AMD удалось существенно повысить быстродействие видеокарт исключительно за счет усовершенствования драйверов (это хорошо видно на примере недавних тестов Radeon RX Vega 56 и Vega 64, если сравнить показатели с прошлогодними результатами). В пользу архитектуры GCN работает и распространение игр на API Direct3D 12, в которых не действует такой козырь NVIDIA, как чрезвычайно хорошо оптимизированный драйвер Direct3D 11. Благодаря прогрессу в программном обеспечении AMD без оговорок достигла тех целей, которые стояли перед Radeon RX 580 и Radeon RX Vega 64. Обе видеокарты теперь по меньшей мере не уступают по игровому быстродействию своим основным соперникам — GeForce GTX 1060 и GeForce GTX 1080.

Единственный новый продукт, который AMD представила на рынке потребительских видеокарт, оказался довольно неожиданным: компания решила уже второй раз обновить кремний Polaris, и это не просто ребрендинг. Чипы Polaris однажды прошли ревизию для видеокарт серии Radeon RX 500, а сейчас старший Polaris пережил третье издание — в форме Radeon RX 590, уже по технологической норме 11/12 нм FinFET. Да-да, AMD использует для Polaris 30 сразу двух поставщиков — проверенную фабрику GlobalFoundries, а также, пожалуй впервые в истории дискретных графических процессоров, Samsung. С помощью Radeon RX 590 AMD смогла занять пространство между Radeon RX 580 с одной стороны и GeForce GTX 1070 с другой. Собственно, помимо этого, к описанию Radeon RX 590 можно добавить лишь немногое: благодаря новому техпроцессу увеличились частоты GPU, но архитектура чипа, заложенная в Polaris 10, осталась без малейших изменений.

⇡#Ребрендинг и «резиновые» спецификации

Каким же стал ответ NVIDIA на Radeon RX 590? Модельный ряд ускорителей на чипах Pascal устроен так, что видеокарту, которая могла бы занять позицию между GeForce GTX 1060 и GeForce GTX 1070, можно получить только на основе урезанного чипа GP104, который уже лежит в основе трех моделей (GTX 1070, GTX 1070 Ti и GTX 1080). Так и было сделано, однако NVIDIA не сочла появление Radeon RX 590 достаточно веским поводом для того, чтобы выпустить GeForce GTX 1060 Ti — официальное дополнение к существующему каталогу. Вместо этого в списке продуктов некоторых партнеров NVIDIA появилась новая, уже четвертая по счету (после оригинала, GTX 1060 с 3 Гбайт RAM и GTX 1060 с памятью 9 Гбит/с), версия GeForce GTX 1060. Она основана на графическом процессоре GP104, урезанном по количеству вычислительных блоков в точности до уровня GP106 (то есть в два раза в пересчете на шейдерные ALU и блоки наложения текстур), и выпускается на печатных платах GeForce GTX 1080. Единственное достоинство этой странной модели перед изначальной версией GeForce GTX 1060 заключается в памяти GDDR5X, но только в данном случае чипы RAM сообщаются с GPU 192-биной шиной и работают с пропускной способностью 8 либо 10 Гбит/с на контакт. Мы пока не тестировали новую версию GeForce GTX 1060, но едва ли она сильно отличается по быстродействию от оригинального GTX 1060 (варианты с частотой памяти 8 ГГц явно не лучше ранее существующих карт с микросхемами GDDR5 9 Гбит/с). Для NVIDIA это не более чем формальная реакция на Radeon RX 590 и возможность «слить» наиболее дефективные кристаллы GP104. Как и подобные модели в прошлом, укомплектованные настолько урезанным GPU, GeForce GTX 1060 с памятью GDDR5X поставляется в очень небольших количествах и вряд ли задержится в продаже.

Однако NVIDIA — не единственная компания, у которой под одним и тем же названием скрываются несколько довольно-таки разных устройств. Посмотрим в сторону AMD. «Титульная» версия Radeon RX 560 основана на полностью функциональном чипе Polaris 21 XT, но производители видеокарт выпускают и урезанный вариант, который по числу активных вычислительных блоков GPU соответствует Radeon RX 460. Отличить их друг от друга покупатель может только по спецификациям. Этим вольное обращение AMD с конфигурацией графических карт не ограничивается. На китайском сайте компании появилась модель Radeon RX 580 с пометкой 2048SP, которая, соответственно, имеет 2048 активных шейдерных ALU и ничем не отличается от Radeon RX 570 c 8 Гбайт RAM. Наконец, есть альтернативная версия Radeon RX 550, но это как раз таки приятный сюрприз: в ней используются остатки чипов Polaris 11 c 640 шейдерными ALU вместо 512 блоков в стандартном RX 550 на чипе Polaris 12 (кстати, мы тестировали одну такую видеокарту производства SAPPHIRE).

⇡#Прогноз на будущее

История графических процессоров раз за разом показывает, что делать предсказания о будущих продуктах — довольно-таки бесполезное занятие. AMD и NVIDIA не любят делиться конкретными планами — и даже в противном случае не всегда их соблюдают, а неофициальные «инсайды» зачастую чрезвычайно далеки от действительности. Тем более что сейчас в Сети циркулирует не так уж много слухов, помимо того, что нам уже известно.

В этом году GlobalFoundries объявила, что прекращает работу над техпроцессом 7 нм, который, как ожидалось, станет основой для следующего поколения графических процессоров AMD. В итоге AMD пришлось воспользоваться услугами TSMC для производства обновленных кристаллов Vega. Чип Vega 20 используется в ускорителях вычислений Radeon Instinct MI50 и MI60, но выпускать его на потребительский рынок AMD не спешит, да и вряд ли это когда-либо вообще случится. Следующим семейством GPU для игровых видеокарт Radeon станет Navi, и это будет последняя итерация архитектуры Graphics Core Next.

По слухам, графические карты на чипах Navi появятся в продаже в 2019 году, возможно, уже в первом квартале. А вот насчет того, как AMD решит назвать новые ускорители, инсайдеры не пришли к согласию. Предсказуемым выбором станет марка Radeon RX 600, но есть мнение, что Navi получит имя Radeon RX 3000, которое хорошо сочетается с процессорами Ryzen 3000-й серии и доставит NVIDIA определенные неудобства, когда настанет время обновить каталог GeForce RTX.

Со слов AMD известно, что Navi рассчитана на работу с оперативной памятью типов GDDR6 и HBM2, но остальные характеристики чипов компания держит в секрете. Согласно наиболее скромным оценкам, три видеокарты на базе Navi покроют диапазон быстродействия от GeForce GTX 1060 до GeForce RTX 2070, но это, согласитесь, довольно мрачный прогноз — притом, что Radeon RX Vega 64 уже не так уж сильно уступает младшему ускорителю Turing. В пользу более оптимистичного взгляда на грядущую графику AMD говорит недавнее заявление CEO AMD, Лизы Су, о том, что Navi будет «конкурентоспособным продуктом в высшем ценовом сегменте». Возможным способом вернуть утраченные позиции для AMD могло бы стать объединение нескольких кристаллов с помощью шины Infinity Fabric, но пока даже инженеры самой компании без особого энтузиазма комментируют такие проекты.

Что касается NVIDIA, то «зеленые» давным-давно не обновляли дорожную карту дискретных GPU, да и не соблюдали ее. Поток слухов о грядущих архитектурах иссяк на Turing, и NVIDIA вряд ли планирует очередной прорыв (по крайней мере в потребительской сфере) на следующий год после того, как старшая видеокарта серии GeForce RTX уже поступила в продажу. Так что архитектура Turing и техпроцесс 12 нм будут распространяться на более младшие модели GeForce. Ожидаемым ходом станет выпуск устройства под названием GeForce RTX 2060 (собственно, на момент публикации этого материала она уже анонсирована). И поскольку GeForce RTX 2070 стала единственной видеокартой 20-й серии, которая получила полностью функциональный GPU, логично было бы использовать чипы TU106 с дефектами для производства урезанной модели. В результате GeForce RTX 2060 сохранит функции трассировки лучей и тензорных вычислений, а быстродействие в играх без DXR должно соответствовать уровню GeForce GTX 1070 Ti.

В то же время говорят, что NVIDIA заполнит нижние позиции ценового ряда за счет чипов Turing, лишенных RT-ядер. И коль скоро аббревиатура RTX указывает на трассировку лучей, бюджетный Turing выйдет под маркой GeForce GTX, и не исключено, что в рамках отдельной серии GTX 1100. В качестве конкретных моделей указывают GeForce GTX 1060 и GTX 1060 Ti.

⇡#Приложение 1. Модельный ряд потребительских дискретных графических карт AMD

⇡#Приложение 2. Модельный ряд потребительских дискретных графических карт NVIDIA