Материал: Современные видеокарты компаний NVIDIA и AMD

С появлением процессоров Intel Pentium II, и серьёзной заявкой PC на принадлежность к рынку высокопроизводительных рабочих станций, а также с появлением 3D-игр со сложной графикой, стало ясно, что пропускной способности PCI в том виде, в каком она существовала на платформе PC (обычно частота 33 МГц и разрядность 32 бит), скоро не хватит на удовлетворение запросов системы. Поэтому фирма Intel решила сделать отдельную шину для графической подсистемы, несколько модернизировала шину PCI, обеспечила новой получившейся шине отдельный доступ к памяти с поддержкой некоторых специфических запросов видеоадаптеров, и назвала это AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт). Разрядность шины AGP составляет 32 бит, рабочая частота 66 МГц. Первая версия разъема поддерживала режимы передачи данных 1x и 2x, вторая - 4x, третья - 8x. В этих режимах за один такт передаются соответственно одно, два, четыре или восемь 32 - разрядных слов. Версии AGP не всегда были совместимы между собой в связи с использованием различных напряжений питания в разных версиях. Для предотвращения повреждения оборудования использовался ключ в разъеме. Пиковая пропускная способность в режиме 1x - 266 МиБ/с. Выпуск видеоадаптеров на базе шинах PCI и AGP на настоящий момент ничтожно мал, так как шина AGP перестала удовлетворять современным требованиям для мощности новых ПК, и, кроме того, не может обеспечить необходимую мощность питания. Для решения этих проблем создано расширение шины PCI - E - PCI Express версий 1.0, 1.1 и 2.0, это последовательный, в отличие от AGP, интерфейс, его пропускная способность может достигать нескольких десятков ГБ/с. На данный момент произошёл практически полный отказ от шины AGP в пользу PCI Express. Однако стоит отметить, что некоторые производители до сих предлагают достаточно современные по своей конструкции видеоплаты с интерфейсами PCI и AGP - во многих случаях это достаточно простой путь резко повысить производительность морально устаревшего ПК в некоторых графических задачах.

3.     
Практический раздел

В современном мире из-за неконкурентоспособности производителей видеокарт, фирмы, которые их выпускают всего две. Это видеокарты компаний NVIDIA GeForce и AMD Radeon. Для сравнений самых последних моделей видеокарт на сегодняшний день для настольных ПК, были выбраны модели - GeForce GTX Titan и Radeon R9 295 X2.

3.1    GeForce GTX Titan

.1.1   Описаниеотошла от своего принципа наименования видеокарт для Titan, но в подобной эксклюзивной модели вполне можно пойти на такой шаг. Единственная исключительная модель получила слово, а не цифры в конце названия, что отличает новинку от всех видеокарт линейки GeForce GTX 600(700). Ускоритель вычислений NVIDIA Tesla K20X также основан на наиболее мощном чипе семейства Kepler, содержащем 2688 вычислительных CUDA-ядер, и вообще - это почти что близнец вышедшей игровой карты на этом же GPU, который применяется в быстрейшем суперкомпьютере мира под названием Titan. Поэтому неудивительно, что NVIDIA решила назвать свою игровую карту GeForce GTX Titan, чтобы рынок ассоциировал их игровые решения с успешными суперкомпьютерными.

На рынке GeForce GTX Titan не заменяет никакую модель видеокарты в линейке компании NVIDIA, а будет сосуществовать с двухчиповой GeForce GTX 690 в самых верхних ее строчках. Модель GTX 690 будет продолжать производиться и продаваться, так как эти две видеокарты друг другу ничуть не мешают - они очень разные. GeForce GTX 690 лучше подходит для одних целей, когда важен максимальный FPS, несмотря на объективные недостатки мультичипового AFR-рендеринга, а Titan лучше подойдет в качестве универсального решения с большим объемом локальной памяти и быстрым к ней доступом, что скажется в сверхвысоких разрешениях. Кроме того, Titan компактнее и требует меньше энергии, поэтому подойдет для большего количества систем, а еще он тише и предлагает дополнительные возможности вроде GPU Boost 2.0 и полноскоростных вычислений с двойной точностью.

В отличие от предыдущих быстрейших видеокарт на базе одного GPU компании NVIDIA последнего поколения, Titan сделан на базе чипа GK110 и имеет 384-битную шину памяти. Поэтому объем установленной на нее видеопамяти теоретически мог быть равен 3 или 6 ГБ. В случае столь дорогой и элитной модели установка 6 ГБ памяти совершенно оправдана, хотя из практических соображений было бы вполне достаточно и 3 ГБ. Но ведь это ровно как у лучших моделей конкурента, ставить с которыми Titan на одну полку NVIDIA явно не хочет. Ну и для серьезных вычислений объем в 6 ГБ может быть вполне актуальным. Так что даже в условиях самых требовательных приложений и максимальных настроек качества с полноэкранным сглаживанием любого уровня видеопамяти у Titan всегда хватит.

.1.2   Конструкция и система охлаждения

Длина платы GeForce GTX Titan - 10,5 дюймов (267 мм), для питания она использует один 8-контактный и один 6-контактный разъемы от блока питания. Для вывода изображения используется стандартный набор из двух разъемов Dual-Link DVI, одного HDMI и одного разъема DisplayPort.

Рисунок 1. Внешний вид GeForce GTX Titan

Дизайн корпуса GeForce GTX Titan схож с дизайном другой топовой видеокарты NVIDIA - GeForce GTX 680. Выглядит плата в целом очень солидно, и качество сборки и материалов на уровне. Понятно, что для премиум-сегмента принято использовать соответствующие материалы, и инженеры NVIDIA решили накрыть конструкцию «Титана» алюминиевой крышкой. В центре крышки есть прозрачное пластиковое окно, открывающее пытливому взору чудесный вид на испарительную камеру и двухслотовый алюминиевый радиатор, участвующий в охлаждении чипа GK110.

Логотип GeForce GTX на боковом торце видеокарты имеет светодиодную подсветку. Она служит также индикатором включения, а интенсивность подсветки светодиодами можно отрегулировать вручную, используя специальное ПО от партнеров NVIDIA. Можно даже настроить светодиоды так, чтобы интенсивность их свечения изменялась в зависимости от нагрузки на GPU.

Так как GeForce GTX Titan спроектирован и предназначен для энтузиастов и любителей выжать из системы все до последнего, это не могло не сказаться на некоторых технических решениях, примененных в конструкции. Сам чип GK110 снабжает энергией 6-фазная схема питания с защитой от перенапряжения, а дополнительная схема с двумя фазами используется для питания GDDR5 видеопамяти. 6+2-фазная схема обеспечивает плату питанием даже с учетом возможного разгона, процесс которого стал еще легче благодаря возможности повышения напряжения (читайте об этом ниже). К слову, сама NVIDIA уверяет, что при стандартном охлаждении для графического процессора возможно достижение тактовой частоты выше 1 ГГц.

Для своей новой видеокарты высшего класса инженеры NVIDIA разработали новую систему охлаждения, которая отличается высокой эффективностью. В кулере используется технология испарительной камеры, которая отлично рассеивает тепло, были увеличены ребра радиатора, а также в очередной раз улучшена схема управления вентилятором, изменяющая рабочее напряжение и частоту его вращения для достижения оптимального сочетания акустического и температурного режимов.

Рисунок 2. Схема охлаждения

Медная испарительная камера в кулере GeForce GTX Titan работает как тепловая трубка, но она более мощная и эффективная. Кроме того, для улучшения работы камеры используется новый материал термоинтерфейса от компании Shin-Etsu, который обеспечивает двукратное преимущество перед тем, что применялся ранее в GeForce GTX 680. В результате, новая испарительная камера и термоинтерфейс позволяют отводить больше тепла от GK110, давая возможность работы на более высокой тактовой частоте.

Тепло от испарительной камеры отводится при помощи большого двухслотового радиатора из алюминиевого сплава. По сравнению с предыдущими решениями линейки GeForce GTX 600, в кулере Titan применяются удлиненные ребра радиатора, что увеличивает площадь рассеивания и повышает его эффективность. На GeForce GTX Titan также установлена алюминиевая пластина с обратной стороны, которая дополнительно охлаждает печатную плату и компоненты на ней. В конструкции вентилятора используются те же демпфирующие материалы, что и в GeForce GTX 680 - они служат для снижения уровня шума.

.1.3  
Графическая архитектура

Новая модель GeForce GTX Titan основана на базе самого сложного видеочипа NVIDIA, да и вообще в мире. Интересно, что первое практическое применение процессор GK110 впервые получил в суперкомпьютере Окриджской национальной лаборатории, который получил имя собственное - Titan. Еще в ноябре прошлого года этот суперкомпьютер был включен в «суперкомпьютерный» список TOP500 как самое быстрое подобное устройство. Всего в конструкции Titan используется 18668 профессиональных вычислительных систем NVIDIA Tesla K20X, что позволило суперкомпьютеру показать рекордный результат в 17,59 петафлопс (речь о вычислениях двойной точности) в общепризнанном тесте Linpack.

Топовый GPU компании поддерживает все возможности, появившиеся в GK104 (GeForce GTX 680), и все особенности архитектуры Kepler относятся и к нему, включая организацию мультипроцессоров SMX, хотя есть и явные отличия. Графический процессор GK110 имеет в своем составе пять (нечетное число, что необычно) кластеров графической обработки Graphics Processing Cluster (GPC), состоящих из трех (снова нечетное!) мультипроцессоров SMX каждый, то есть схема 5Ч3, в отличие от схемы 4Ч2 для GK104. Видимо, при схеме 8Ч2 чип получался слишком сложным.

Объем локальной GDDR5 видеопамяти для Titan равен 6 ГБ. Столь огромный даже по нынешним меркам объем памяти явно предназначен для энтузиастов. Компания NVIDIA неоднократно получала запросы об увеличенном объеме памяти от пользователей - они хотят еще более высокой производительности в высоких разрешениях с применением нескольких мониторов в современных играх и проектах будущего. Пожалуй, в случае продукта премиум-класса и такой объем памяти вполне оправдан. А практически он может понадобиться разве что в расчетных GPGPU-задачах да при появлении первых мультиплатформенных игр, предназначенных для будущего поколения консолей, которые будут иметь довольно большой объем памяти. 6 ГБ памяти с 384-битным интерфейсом должны дать GeForce GTX Titan все необходимое для достижения высокой частоты кадров во всех возможных играх и условиях, даже в ближайшие годы.

Как и другие старшие модели, GeForce GTX Titan поддерживает фирменную технологию GPU Boost, теперь уже второй версии (подробнее см. ниже). Это комбинация программно-аппаратных решений, позволяющая автоматически увеличивать рабочие частоты GPU в зависимости от его энергопотребления для достижения максимальной производительности. Базовая тактовая частота графического процессора GK110 в GeForce GTX Titan равна 836 МГц, а средняя турбочастота (Boost Clock) равна 876 МГц, что немногим больше. Как и в случае предыдущих решений, это лишь средняя частота, которая изменяется в зависимости от игры и нагрузки, а реальные частоты GPU в играх могут быть и выше. Частота памяти GDDR5 в GeForce GTX Titan составляет традиционные 6008 МГц, как и в предыдущей топовой плате компании.

.1.4   Технические характеристики

Частота ядра - 836 (876) МГц;

Количество универсальных процессоров - 2688;

Количество текстурных блоков - 224, блоков блендинга - 48;

Эффективная частота памяти - 6000 (1500Ч4) МГц;

Тип памяти - GDDR5, 384-битная шина памяти;

Объем памяти - 6 ГБ;

Пропускная способность памяти - 288,4 ГБ/с;

Теоретическая максимальная скорость закраски - 40,1 гигапикселей в секунду;

Теоретическая скорость выборки текстур - 187,3 гигатекселей в секунду;

Два разъема Dual Link DVI-I, один mini HDMI, один DisplayPort 1.2;

Шина - PCI Express 3.0;

Энергопотребление до 250 Вт;

Один 8-контактный и один 6-контактный разъемы питания;

Двухслотовое исполнение;

Средняя цена от 40000 рублей.

3.2    Radeon R9 295X2

3.2.1 Описание

Логично, что модель Radeon R9 295X2 занимает самое верхнее положение в новой линейке компании, высоко над R9 290X, так как и по производительности, и по цене она заметно выше одночипового варианта. Рекомендованная цена на Radeon R9 295X2 равна $1500, что ближе всего к цене «эксклюзивного» одночипового решения конкурента из этого же ценового сегмента - GeForce GTX Titan. Ну и частично можно привести в пример GTX 780 Ti, хотя она заметно дешевле. И до анонса и выхода на рынок игрового двухчипового решения NVIDIA, именно топовые одночиповые модели GeForce и будут оставаться соперниками для Radeon R9 295X2.

На новую двухчиповую видеокарту Radeon устанавливается память типа GDDR5 объемом в 4 гигабайта на каждый GPU, что обусловлено 512-битной шиной памяти у чипов Hawaii. Такой большой объем более чем обоснован для продукта такого высокого уровня, так как в некоторых современных игровых приложениях при максимальных настройках, включенном сглаживании и высоких разрешениях, меньшего объема памяти (по 2 гигабайта на чип, к примеру) уже иногда не хватает. И уж тем более это замечание относится к рендерингу в UltraHD-разрешении, в стереорежиме или на нескольких мониторах в режиме Eyefinity.

Естественно, что столь мощная двухчиповая видеокарта имеет эффективную систему охлаждения, отличающуюся от традиционных кулеров для референсных видеокарт AMD, но о ней мы поговорим несколько позже. А вот про энергопотребление платы с двумя мощными GPU на борту можно упомянуть уже сейчас - оно не просто высокое, но поставило очередной рекорд по официальной цифре TDP для платы референсного дизайна, даже двухчиповой. По понятным причинам, карта имеет и два 8-контактных разъема питания, что также объясняется ее гигантским энергопотреблением.

.2.2   Конструкция и система охлаждения

Видеокарта Radeon R9 295X2 не только обеспечивает максимальную 3D-производительность, она и выглядит солидно - согласно своему статусу топовой видеосистемы. Данное изделие компании AMD имеет довольно крепкую и надежную конструкцию, включающую металлические заднюю пластину и кожух системы охлаждения. При этом не забыли украсить и внешний вид платы, применив подсветку логотипа Radeon, расположенного на торце кожуха кулера, а также подсвеченный центральный вентилятор видеокарты.

Рисунок 3. Внешний вид Radeon R9 295X2

Длина новой карты составляет более 30 см (если точнее, то 305-307 мм), а по толщине это двухслотовое решение, а не трехслотовое, какими бывают мощные модели для игровых энтузиастов.

Естественно, что при потреблении энергии даже одночиповой видеокартой Radeon R9 290X, доходящем почти до 300 Вт, в случае двух GPU, работающих на той же частоте и имеющих то же количество активных функциональных устройств, энергопотребление двухчиповой карты никак не могло ограничиться планкой в 375 Вт, которая ранее была стандартом даже для мощных двухчиповых решений. Поэтому в AMD решили выпустить бескомпромиссное решение для энтузиастов, имеющее два 8-контактных разъема дополнительного питания и требующее аж 500 Вт. Соответственно, использование Radeon R9 295X2 в системе предполагает довольно высокие требования к применяемому блоку питания, которые гораздо выше тех, что предъявляют одночиповые модели видеокарт, даже самые мощные. Блок питания должен иметь два 8-контактных PCI Express разъема питания, каждый из которых должен обеспечивать по 28 А по выделенной линии. А в целом, по двум линиям питания, подходящим к видеокарте, БП должен давать не меньше 50 А - и это без учета требований остальных компонентов системы. Так как даже один графический процессор Hawaii очень сильно греется, потребляя более 250 Вт в некоторых случаях, то в AMD решили использовать в двухчиповом решении систему водяного охлаждения, так как вода значительно (в 24 раза) эффективнее воздуха при передаче тепла. Если точнее, то специально сконструированное для Radeon R9 295X2 устройство охлаждения компании Asetek является гибридным, так как сочетает охлаждение при помощи воды и воздуха для разных элементов видеокарты.

Новая двухчиповая видеокарта модели Radeon R9 295X2 имеет кулер, который является герметичной необслуживаемой системой охлаждения, включающей интегрированную помпу, крупный теплообменник с вентилятором типоразмера 120 мм, пару резиновых шлангов и отдельные радиатор с вентилятором для охлаждения микросхем памяти и системы питания. Система водяного охлаждения Asetek спроектирована для максимально эффективного отбора тепла от пары GPU, и для улучшения теплообмена в подошвах, прижатых к обоим чипам, сделаны специальные микроканалы.

Вентилятор на теплообменнике работает на автоматически изменяемой частоте оборотов, которая зависит от температуры охлаждающей жидкости. Вентилятор, служащий для охлаждения памяти и системы питания, также изменяет свои обороты в зависимости от степени нагрева.