Обзор видеокарты NVIDIA GeForce GTX 1080. Часть 1: архитектура Pascal и знакомство с референсом Founders Edition

Если быть более точным, то GeForce GTX 1070 и GeForce GTX 1080 — это субфлагманы тысячного поколения. «Зеленые» верны своим традициям. Компания и ранее выпускала видеокарты, которые на определенном промежутке времени считались самыми быстрыми, но спустя некоторое время в рамках одной линейки уходили на второй план. Например, парочку GeForce GTX 770/780 впоследствии сменили на пьедестале более быстрые версии GeForce GTX 780 Ti/TITAN. Почти два года назад вышли в продажу GeForce GTX 970/980, но затем свет увидели по-настоящему топовые Maxwell-решения — GeForce GTX 980 Ti/TITAN X. Кому-то подобный цикл не нравится, ведь хочется получить все и сразу, но есть неоспоримый факт: GeForce GTX 1080 на данный момент времени — это самая быстрая одночиповая игровая видеокарта NVIDIA.

В первой части обзора я рассмотрю основные особенности графического процессора GP104, а также архитектуры Pascal в целом. И изучу работу эталонной версии GeForce GTX 1080 Founders Edition.

Процессор GP104, архитектура Pascal и память GDDR5X

Если описать архитектуру Pascal одной фразой, то получится следующее: доработка Maxwell плюс переход на 16-нанометровый техпроцесс. Действительно, если отбросить использование FinFET, никаких радикальных новшеств, смены вектора развития или чего-нибудь еще разработка NVIDIA не предлагает. Однако процессор GP104, используемый в GeForce GTX 1080, заметно быстрее субфлагмана прошлого поколения — GM204 (GeForce GTX 980). Взгляните хотя бы на пиковую вычислительную мощность. Далеко не самый производительный Pascal-чип почти вдвое быстрее решения Maxwell. Если судить по количеству ГФЛОПС, то GP104 вообще нет равных среди игровых видеокарт, так как у процессора GM200, используемого в GeForce GTX TITAN X, всего 6144 ГФЛОПС.

Переход на новый техпроцесс заметно уменьшил полезную площадь кристалла, но при этом серьезно увеличил транзисторный бюджет GPU. Легко подсчитать: на каждый квадратный миллиметр GP104 приходится ~23 миллиона затворов FinFET, а у GM204 только 13 миллионов. GeForce GTX 1080 — это первая видеокарта, в которой используется процессор с трехмерными транзисторами, но не планарными. Очевидно, что 7,2 млрд не являются пределом для контрактного производителя NVIDIA — компании TSMC.

Вторым положительным эффектом при переходе на 16-нанометровую технологию производства, безусловно, стало гигантское увеличение тактовой частоты. Один лишь буст по ядру в размере 481 МГц дает приличный прирост быстродействия. А ведь по сравнению с GM204 в GP104 серьезно прибавилось CUDA-ядер и текстурных блоков.

Третий плюс 16 нанометров — низкое энергопотребление. GeForce GTX 1080 почти вдвое мощнее GeForce GTX 980 в плане вычислений, но требует при этом всего на 15 Вт больше.

Построение основных элементов у GP104 такое же, как у GM204. Есть основной элемент — потоковый мультипроцессор SM. Несколько таких блоков объединяются в крупную вычислительную ячейку — кластер процессорной графики GPC. У Maxwell в одном GPC содержится четыре SM, у Pascal — пять. Таким образом, NVIDIA продолжает дробить блоки, увеличивая как численное количество вычислительных элементов (CUDA-ядер и текстурных блоков), так и параллелизм. Если учесть, что в каждый SM входит 128 CUDA и 8 текстурных блоков, то разница получается ощутимая: 2560 ядер против 2048 и 160 TMU против 128 TMU. Накладываем на все это разницу в частоте (481 МГц) — вот и получается практически двукратное превосходство GP104 в вычислительной мощности над GM204. Все логично.

Количество блоков растеризации осталось неизменным — 64 единицы на весь процессор. И это, пожалуй, самое слабое место GP104. У GM200 таких элементов 96, что может сказаться на быстродействии в разрешении Ultra HD в некоторых играх. В более низких Full HD и WQHD у GeForce GTX 1080 точно все будет в порядке.

Наконец, по тому же принципу работает кэш. В каждом потоковом мультипроцессоре есть 256 Кбайт для регистров, 96 Кбайт общей памяти и 48 Кбайт кэша первого уровня. Объем кэша второго уровня, общего для всех кластеров процессорной графики, составляет 2 Мбайт.

Помимо экстенсивных преобразований, совершенных за счет перехода на 16-нанометровый техпроцесс, Pascal-чипы получили улучшенный движок Polymorph Engine 4.0, в который включен аппаратный блок Simultaneous Multi-Projection (SMP), отвечающий за генерацию нескольких проекций одного потока геометрии. Это особенно актуально в связи с популяризацией мониторов и телевизоров с изогнутыми экранами, а также шлемов виртуальной реальности. SMP-блок обрабатывает до 16 заранее симулированных проекций одного потока геометрии. Или репликации 32 проекций, разделенных на два центра проецирования (для устройств VR).

Следующий важный элемент в архитектуре Pascal — поддержка асинхронных вычислений. Как показывает практика, их эффективность сказывается в играх с программным интерфейсом DirectX 12. Классический (статический) сценарий работы графического процессора (как у Maxwell) предполагает, что два типа нагрузки — обработка графики и вычисления (например, физика) — выполняются разными вычислительными блоками за одинаковое количество времени. Но GPU не всегда выполняет вычисления разного рода одновременно. В итоге часть блоков элементарно простаивает. Динамический алгоритм асинхронных вычислений решает эту проблему, направляя незадействованные элементы процессора на обработку вычислений.

Второй сценарий предполагает выполнение задач, критичных ко времени исполнения. Это может быть алгоритм асинхронного искажения времени в виртуальной реальности, например. Если он не выполняется до развертки (scan out), то кадр будет сброшен. Поэтому чип обязан уметь быстро переключаться между задачами. Pascal — первая архитектура NVIDIA, в которой применяется «пиксельное прерывание операций» (Pixel Level Preemption). Алгоритм следит за состоянием рендеринга, при необходимости останавливает (прерывает) работу по раскраске треугольника, дает команду выполнить другое действие, а затем вновь возвращается к раскраске треугольника, причем на том же уровне, на каком она была прервана.

Видеокарта GeForce GTX 1080 получила восемь гигабайт памяти стандарта GDDR5X. Главной характеристикой новых «мозгов» является очень высокая реальная частота в размере 2500 МГц. Вкупе с 256-битной шиной пропускная способность памяти составляет 320 Гбайт/с. Не рекорд, конечно, но это почти на 100 Гбайт/с больше, чем у GeForce GTX 980. Но меньше, чем у GeForce GTX 980 Ti.

Младший флагман — GeForce GTX 1070 — получил обыкновенную GDDR5 (1750 МГц), но те же 8 Гбайт. Первые игровые видеокарты с HBM2, видимо, появятся только в следующем году.

Еще один момент. Очевидно, что в 2016 году наличие 4 Гбайт — это необходимый минимум для игровой видеокарты. А потому не исключаю, что уже в следующем году адаптеры уровня GeForce GTX 970/980 потихоньку начнут «задыхаться» от нехватки памяти. К сожалению, системные требования в современных играх растут непропорционально улучшению качества графики.

Проблема потребления ресурсов и видеопамяти в частности — одна из самых насущных на сегодняшний день. Поэтому алгоритмы сжатия данных приходятся как нельзя кстати. В Pascal реализовано сразу два новых метода сжатия изображения с соотношением 4:1 и 8:1. Первый случай эффективен, когда разница в значении цвета пикселей блока невелика. Второй сочетает алгоритм сжатия 4:1 блоков размером 2x2 пикселя с двукратным сжатием дельты между блоками. В среднем экономится до 20% памяти, если сравнивать новую архитектуру с Maxwell.

Меня настораживает тот факт, что разработчики игр в последнее время откровенно «забили» на поддержку AMD CrossFire и NVIDIA SLI. И все же «зеленые» не отказываются от этой технологии. Правда, в один массив реально подключить лишь две GeForce GTX 1080. От поддержки 3-Way SLI и Quad SLI в NVIDIA полностью не отказываются, но для этого теперь необходимо получить специальный программный ключ от представителей компании.

Каждая видеокарта оснащена двумя «гребешками». К ним подключаются и старые гибкие мостики, но их пропускной способности, по словам NVIDIA, будет достаточно лишь для разрешений Full HD и WQHD. В остальных случаях лучше использовать новый жесткий коннектор.

NVIDIA выпустит сразу три вариации — для трех типов расстояний между PEG-портами на материнской плате. SLI-контроллер отныне работает на увеличенной до 650 МГц частоте. Именно поэтому и рекомендуется использовать новые мостики.

Появление DirectX 12 поспособствовало появлению новых SLI-режимов: MDA (Multi Display Adapter) и LDA (Linked Display Adapter). Второй тип имеет две подформы: Implicit, который используется программистами NVIDIA, и Explicit, который используется разработчиком компьютерной игры. Главной и долгожданной особенностью LDA-режима стала возможность объединения массива видеопамяти в единый банк. Однако необходимо учитывать, что работе подобного алгоритма будет сопутствовать определенная задержка, так как одному адаптеру придется обращаться к памяти другого через шину PCI Express. MDA-тип подразумевает классический принцип работы, в котором каждый GPU работает лишь со своими чипами памяти. LDA-режим предназначен для объединения видеокарт с идентичными чипами, а MDA — с разными, в том числе и от разных производителей вообще. Во втором случае требуется выверенная оптимизация кода игры. Изучая современный конвейер, можно сразу же предположить, что никто этим заниматься не будет.

Из важных нововведений отмечу поддержку нового типа вертикальной синхронизации — Fast Sync. Подробно описывать принцип действия функции не буду. Главное — результат. Алгоритм позволяет серьезно снизить задержки при выводе картинки на экран. Для этого используется дополнительный третий буфер кадров, получивший название Last Rendered Buffer (LRB).

Наконец, контроллер дисплея GP104 получил поддержку нескольких важных стандартов. Например, BT.2020 с поддержкой реальных 10/12 бит и HDR. I/O-панель GeForce GTX 1080 оснащена видеовыходами HDMI 2.0b и DisplayPort 1.4.

«Зеленые» презентовали еще несколько технологий и функций. Так, уделили внимание звуку в VR. Наглядный видеоролик прилагаю. NVIDIA представила платформу ANSEL, способную скрупулезно и творчески работать со скриншотами.

На бумаге Pascal и ее первенцы выглядят очень даже интересно:

• 16-нанометровый техпроцесс серьезно увеличил производительность GPU. В том числе и за счет высокой тактовой частоты.
• Движок Simultaneous Multi-Projection улучшил и ускорил обработку изображения с применением устройств виртуальной реальности, изогнутых телевизоров и многомониторных систем.
• Ресурсы кэша и оперативной памяти задействуются более экономно.
• Технология SLI отныне складывает VRAM.
• Улучшена работа асинхронных вычислений.
• Введена поддержка BT.2020 и HDR.

Не так уж и мало для нового поколения.

NVIDIA GeForce GTX 1080 Founders Edition

К нам в тестовую лабораторию прибыла референсная версия GeForce GTX 1080. Теперь она называется Founders Edition. Самое неожиданное — эталонная модификация отныне стоит дороже кастома. В России Founders Edition оценили в 55 000 рублей. Мягко говоря, недешево. Полный список технических характеристик приведен ниже.

У видеокарт GeForce GTX 980 Ti и GeForce GTX TITAN X больше и CUDA-ядер, и текстурных блоков. Однако за счет иной конструкции кластера процессорной графики их эффективность несколько ниже, чем у GeForce GTX 1080. И не забываем, что сам GPU «шустрит» на очень высокой тактовой частоте.

Референс, он же Founders Edition, очень красив. Личное мнение. Понятно, что для видеокарты этот факт не имеет никакого значения, главное — эффективность и надежность. И все же. Сама карта получилась стандартной длины — 267 мм.

Адаптер занимает два слота расширения. Ближе к видеовыходам расположена пара коннекторов для подключения SLI-мостика. К видеокарте необходимо подключить один 8-пиновый провод от блока питания.

Оборотная сторона Founders Edition получила бекплейт. Вот честно, мы в редакции так и не смогли понять, из какого материала он выполнен. Вроде пластик. Или металл. Впрочем, особой разницы нет. Часть бекплейта снимается. Так, по мнению инженеров NVIDIA, видеокарта будет лучше себя чувствовать в паре с другой GeForce GTX 1080. Нечто похожее использовалось и в референсной версии GeForce GTX 980.

На I/O-панели разместился один выход DVI, три DisplayPort и один HDMI. Все остальное пространство занимает решетка, через которую выводится нагретый воздух.

Печатная плата у GeForce GTX 1080 простенькая. Графический процессор обвязан восемью микросхемами памяти GDDR5X. Их на сегодняшний день производит только Micron. За питание GPU отвечают пять фаз.

Система охлаждения у Founders Edition такая же, как и у других референсов. А именно используется радиатор с испарительной камерой и тангенциальный нагнетатель.

Под нагрузкой «турбина» раскручивается до ~2150 об/мин, что составляет 54% от максимально возможной частоты вращения. Система охлаждения при этом держит температуру на уровне 81 градуса Цельсия. Максимальный показатель для GP104 — 92 градуса Цельсия. Шум заметен. На расстоянии метра измерительный прибор зафиксировал 41,5 дБ. Это громче референсной GeForce GTX 980, но тише эталонных версий GeForce GTX 980 Ti и GeForce GTX TITAN X. Отмечу, что вентилятор вращается все время. Видимо, в драйвере для прессы не активирован полупассивный режим работы кулера, когда крыльчатка начинает раскручиваться только при достижении графическим процессором определенной температуры.

Дроссели «подсвистывают».

Бекплейт хорошо сдерживает тепло. Так что видеокарта не будет греть остальные комплектующие. Самым же горячим элементом со стороны выводов стали микросхемы памяти GDDR5X. Но ничего критичного. Референсную GeForce GTX 1080 можно назвать относительно холодной.

Заявленное для GeForce GTX 1080 максимальное энергопотребление соответствует действительности. Флагман Pascal расположился аккурат между GeForce GTX 980 и GeForce GTX 980 Ti.

С разгоном есть пара нюансов. Во-первых, на момент написания статьи процес изменения частот был доступен только при помощи утилиты EVGA PrecisionX 16. Например, MSI Afterburner никак не реагировал на изменение положения ползунков. Во-вторых, утилита GPU-Z, последняя версия которой уже распознает GeForce GTX 1080, никак не отображает частоты после оверклока. Видимо, сказывается обновленный алгоритм GPU Boost 3.0. Третья версия технологии более тщательно подстраивается под разгонный потенциал чипа. Это дает свои плоды.

Мне, например, к номиналу GeForce GTX 1080 удалось накинуть еще 271 МГц по чипу и 256 МГц по памяти. Под нагрузкой частота графического процессора, если верить датчику EVGA PrecisionX 16, колебалась в районе 2050-2076 МГц. Есть стабильные 2 ГГц! Я продолжу изучать разгонный потенциал GeForce GTX 1080, но уже сейчас можно констатировать, что у новинки с этой характеристикой все в порядке.

В бенчмарке Heaven 4.0 ручной оверклок несколько увеличил количество FPS: на 11% в разрешении Full HD и 9% в WQHD соответственно.

Игровая производительность

Тестовый стенд:

• Процессор: Intel Core i7-4790K @4,5 ГГц
• Процессорный кулер: Corsair H75
• Материнская плата: MSI Z97 MPOWER
• Накопитель: SSD Patriot Blast 480 Гбайт
• Оперативная память: DDR3-2133, 2x 8 Гбайт
• Блок питания: Corsair HX850i, 850 Вт
• Периферия: монитор LG 31MU97
• Операционная система: Windows 10 х64

На презентации глава компании Джен-Сен Хуанг заявил, что GeForce GTX 1080 быстрее SLI-массива GeForce GTX 980 и производительнее GeForce GTX TITAN X. И ведь не обманул! В бенчмарке Heaven новый флагман NVIDIA опередил GeForce GTX TITAN X на 25,7% в 1080p, 67,3% в 1440p и 13,3% в 2160p. Интересный получился разброс. В разрешении 2К видеокарта чувствует себя, как рыба в воде.

В стареньком Metro: Last Light нет 30 FPS в разрешении Ultra HD! Правда, остальные видеокарты выглядят еще хуже. Так, GeForce GTX 1080 опережает GeForce GTX 980 Ti на 22,5% в Full HD, 26,3% в WQHD и 26,2% в Ultra HD. Серьезное преимущество! Жаль только, что сама игра, кроме бенчмарка, не представляет уже никакой ценности.

В Battlefield 4 заоблачный FPS во всех разрешениях. Наблюдать почти 60 кадров в секунду в Ultra HD, что ни говори, а приятно. В этом режиме GeForce GTX 1080 быстрее GeForce GTX 980 Ti на 35%.

Tomb Raider — еще одна игра 2013 года, которая на максимальных настройках «нагибает» в разрешении Ultra HD даже GeForce GTX 1080.

Dragon Age Inquisition — единственная из списка игра, в которой GeForce GTX 1080 не сумела стать первой. В этом приложении верх одержал «Титан».

В Far Cry 4 все видеокарты вернулись на свои места. GeForce GTX 1080 лидирует с большим отрывом. При заданных нами настройках флагман Pascal выдает больше 30 кадров в секунду. Играбельно.

GTA V — весьма процессорозависимая игра. Не удивлюсь, если в Full HD даже с 8-кратным сглаживанием FPS «уперся» в центральный процессор. Впрочем, этому вопросу я посвящу отдельную статью. В любом случае в 1440p и 2160p GeForce GTX 1080 обходит своего ближайшего конкурента на 24% и 23% соответственно.

В третьем «Ведьмаке» новинка показала отличный FPS на максимальном качестве графики в разрешении Ultra HD!

Вычисления

GeForce GTX 1080 — игровая видеокарта. Производительность GP104 в вычислениях двойной точности относительно производительности при работе с FP32 такая же, как у GM104, — 1/32. Карта никак не выделяется на фоне топовых Maxwell-собратьев. Доказательство — ниже.

И все же новинка, как и в играх, в профессиональных приложениях оказывается заметно быстрее и GeForce GTX TITAN X, и GeForce GTX 980 Ti. И даже главный конкурент в лице Radeon R9 Fury X в большинстве паттернов опережен.

Аналогичная ситуация в комплексном бенчмарке CompuBench. Судя по результатам, GeForce GTX 1080 — отличное решение для майнинга!

Трассировка лучей всегда лучше производилась на видеокартах NVIDIA. Конкретно в паттерне Room новый вожак «жирафов» опередил GeForce GTX TITAN X всего на 7%.

В заключение

Уже давно понятно, что производители видеокарт засиделись на 28-нанометровом техпроцессе. Напомню, первая видеокарта вышла в далеком 2011 году. В итоге GeForce GTX 1080, обладая отличными характеристиками и очень высокой частотой, «привозит» бывшему одночиповому флагману 20-30% в зависимости от конкретного приложения. Это серьезное достижение. Представляете, что будет в следующем году, когда выйдет GeForce GTX 1080 Ti на полноценном GP100?

Если не злоупотреблять сглаживанием, то с одной GeForce GTX 1080 вполне реально играть во все современные игры в разрешении Ultra HD. В WQHD — идеально, в Full HD — местами даже избыточно. При этом новинка получилась холодной и хорошо разгоняется. Что еще для счастья надо?

Хотя бы 700 долларов. Хотя для Европы и России цены традиционно завышены: 789 Евро и 55 000 рублей соответственно. Впервые референсный образец продается по рекомендованной цене дороже, чем кастом. Скоро появятся так называемые MSRP-версии, которые NVIDIA оценила в 600 долларов. Точнее, от 600 долларов. Это уже интереснее! По такому прайсу, скорее всего, будут отпускать самые дешевые модели с невзрачным пластиковым кулером, шумные и без фабричного оверклока. Что-то мне подсказывает, что крутые и разогнанные на заводе кастомы с большими радиаторами и несколькими вентиляторами обойдутся потенциальному покупателю во все те же 700 долларов США, если не больше.

Тестовая лаборатория только начала изучать новые Pascal’и. Поэтому в первой части я воздержусь от категоричных выводов и заявлений. Есть факты — они перечислены. Во второй части мы рассмотрим быстродействие GeForce GTX 1080 в большом количестве современных игр, а также более подробно уделим внимание разгону видеокарты. Интересно узнать, как поведет себя новая архитектура в DirectX 12. Необходимо ответить на один важный вопрос: какой процессор «прокачает» GeForce GTX 1080? Наконец, к нам уже едут кастомные версии флагманского «Паскаля».

Вторая часть: тестирование в 20 играх и разгон.

Какой процессор нужен NVIDIA GeForce GTX 1080.