Современные видеокарты на чипсетах компании NVIDIA

Алексей Шобанов

реди тех, кто хоть как-то связан с использованием ПК в повседневной жизни, вряд ли найдется сегодня хоть один человек, которому не знакома аббревиатура «NVIDIA». Название этой компании уже давно стало своего рода синонимом понятия «видеокарта», а также символом высочайшей производительности. Однако серьезная конкуренция в этом секторе ИТ-рынка никогда не позволяет NVIDIA почивать на лаврах, а в последнее время борьба за лидерство обострилась на столько, что говорить о ее безоговорочном лидерстве было бы уже не совсем корректно. Тем не менее компания NVIDIA была, есть и, надеемся, будет и впредь одним из лидеров индустрии кремниевой логики для графических карт. Компания NVIDIA предлагает свои решения для всего спектра графики, начиная от чипсетов для недорогих видеокарт так называемого low-end-сектора (здесь уместно упомянуть и о наборах микросхем системной логики с интегрированным графическим ядром серий nForce, nForce 2 и nForce 3, которое также можно причислить к бюджетным решениям видеоподсистемы) и заканчивая наборами микросхем для hi-end-графики и профессиональных видеокарт.

Темой же данного обзора станут современные чипсеты NVIDIA поколения DirectX 9 с интерфейсом AGP. Хотя эти наборы микросхем значительно отличаются по производительности, цене, и в той или иной мере, по своей технической реализации, их объединяет то, что все они поддерживают работу API DirectX 9, а это, в свою очередь, обусловливает обязательное наличие поддержки пиксельных и вершинных шейдеров версии 2.0. К числу таких чипсетов следует отнести наборы микросхем серии GeForce FX, основанные на графическом ядре NV30 (GeForce FX 5800 и GeForce FX 5800 Ultra), на пришедшем ему на смену NV35 (GeForce FX 5900, GeForce FX 5900 Ultra и GeForce FX 5900 FX), на NV38 (GeForce FX 5950 Ultra), на NV31 (GeForce FX 5600 и GeForce FX 5600 Ultra), наследником которого стало ядро NV36 (GeForce FX 5700 и GeForce FX 5700 Ultra), а также на ядре NV34 (GeForce FX 5200, GeForce FX 5200 Ultra и GeForce FX 5500). C некоторой оговоркой к этому же поколению можно отнести и последние чипсеты серии GeForce 6, появление которых стало новым этапом в развитии компьютерной графики, поскольку, помимо прочего, графическое ядро NV40, положенное в основу чипов этой серии, стало первым решением, поддерживающим пиксельные и вершинные шейдеры версии 3.0. Таким образом, отбросив уже покидающие «большую сцену» чипы на ядре NV30 и NV31, в этом обзоре мы решили рассмотреть возможности следующих графических чипсетов компании NVIDIA: GeForce FX 5500, GeForce FX 5700, GeForce FX 5700 Ultra, GeForce FX 5900 FX, GeForce FX 5900, GeForce FX 5900 Ultra, GeForce FX 5950 Ultra, GeForce 6800, GeForce 6800 GT, GeForce 6800 Ultra.

Начнем наш обзор с краткой спецификации современных графических чипсетов NVIDIA, которая наглядно иллюстрирует их возможности, и, опираясь на эти данные, попробуем указать на достоинства и недостатки этих решений (табл. 1).

Таблица 1. Технические характеристики современных графических чипсетов NVIDIA

Представленные в таблице чипсеты, выпускаемые сегодня компанией NVIDIA, практически полностью охватывают все ценовые сегменты рынка ПК — от решений для геймеров и энтузиастов (GeForce FX 5900 Ultra, GeForce FX 5950 Ultra, GeForce 6800, GeForce 6800 GT, GeForce 6800 Ultra) до рынка бюджетных ПК (GeForce FX 5500, а также GeForce FX 5200 и GeForce FX 5200 Ultra, не вошедшие в данный обзор). Маркетологи NVIDIA проводят более общее деление этих продуктов — например графические чипы серии GeForce FX они условно разбивают на две группы: perfomance (GeForce FX 5700, GeForce FX 5700 Ultra, GeForce FX 5900 FX, GeForce FX 5900, GeForce FX 5900 Ultra, GeForce FX 5950 Ultra) и mainstream (GeForce FX 5500, GeForce FX 5200 и GeForce FX 5200 Ultra). Основой для подобной классификации служат не только показатели производительности и цены чипов, но и реализованные в них технологии (табл. 2).

Таблица 2. Классификация чипсетов серии GeForce FX компании NVIDIA

Пожалуй, следует сказать несколько слов о том, что скрывается за звучными названиями этих технологий.

Начнем с CineFX. В общем понимании CineFX — это архитектура графического ядра, которая позволяет чипам NVIDIA воссоздавать различные эффекты кинематографического качества для игра и других прикладных задач в реальном времени. Наиболее емко характеризуют данную архитектуру такие возможности, как гибкость, адаптивность и программируемость. Так, для архитектуры CineFX отсутствует понятие пиксельного конвейера в классическом смысле этого термина. Здесь уже нет набора независимых, логически завершенных параллельно работающих функциональных единиц — в данном случае речь идет о некоем наборе вычислительных блоков (ALU) и блоков выборки текстур. На основе поставленных задач этот массив элементов образует цепи, являющиеся по своей сути теми самыми пиксельными конвейерами, при этом адаптивно пытаясь воссоздать наиболее производительную архитектуру за счет варьирования числа блоков выборки текстур, связанных в образуемый конвейер. Еще одной неотъемлемой частью архитектуры CineFX является расширенная поддержка пиксельных и вершинных шейдеров DirectX 9, что особо подчеркивается компанией NVIDIA: даже в спецификациях чипов обозначается номер версии шейдеров — 2.0+. Что же означает этот плюс? А то, что в отношении пиксельных шейдеров план перевыполнен по всем показателям: максимальная длина пиксельного шейдера для графического ядра с архитектурой CineFX практически неограниченна (до 2048 инструкций при требуемых 96), а кроме того, намного увеличено количество заранее заданных констант и временных регистров. Реализация поддержки вершинных шейдеров также честно заслужила свой значок, поскольку архитектура CineFX предусматривает значительное увеличение числа используемых регистров.

Логическим продолжением архитектуры CineFX стали ее последующие версии — CineFX 2.0 (графическое ядро NV35 и NV36/38) и CineFX 3.0 (графическое ядро NV 40)  — которые характеризуются скорее эволюционными, нежели революционными изменениями. Так, к примеру, в архитектуре CineFX 2.0 была вдвое повышена производительность блоков работы с числами с плавающей запятой, которые используются при исполнении пиксельных шейдеров.

Теперь рассмотрим технологию Intellisample HCT (High-resolution Compression Technology), сущнсть которой в полной мере отражена в ее названии: HCT — это совокупность алгоритмов компрессии текстур, буфера кадра и Z-буфера, позволяющих значительно увеличить производительность при работе в больших разрешениях. Так на официальном сайте NVIDIA указывается, что при работе с максимальными настройками качества изображения и разрешении 1600Ѕ1200 и выше производительность увеличивается до 50%. Поэтому вполне естественным кажется то, что в картах, позиционируемых компанией как mainstream-решения, то есть в картах нижнего middle-end-уровня, подобная технология отсутствует.

Технология UltraShadow — еще один способ снизить вычислительную нагрузку на графическое ядро. На этот раз хитрость заключается в том, что при расчете теней можно задавать граничные координаты, до и после которых построение теней выполняться не будет.

nView — это поддерживаемая ПО NVIDIA ForceWare технология, которая обеспечивает возможность многоэкранной работы. Подключив к видеокарте два монитора (сегодня это позволяют делать все построенные на перечисленных графических чипах видеокарты), пользователь получает возможность с помощью NVIDIA nView сконфигурировать вдвое большее виртуальное рабочее пространство. К примеру, имея один компьютер, можно на одном мониторе просматривать презентацию, а на другом — работать, предположим, с документом Word.

Все вышеописанные классификации и технологии относятся к чипам серии NVIDIA GeForce FX, а решения поколения GeForce 6 при этом оказались в стороне. И это не случайно: сегодня графические карты на графическом ядре NV40 — это топовое решение вне классификаций. Чипсеты на его основе сложно вписать в рамки, по которым ранжируют графику семейства GeForce FX, — это будет выглядеть так же нелепо, как попытка найти великану подобающее место в строю карликов. Ведь даже самый скромный из чипов GeForce 6 — GeForce 6800, позиционируемый в своем классе как решение для широкого круга пользователей (mainstream), по своим возможностям не идет ни в какое сравнение даже с самым производительным решением из серии GeForce FX. Поэтому отдельно остановимся на тех наработках и технологиях, которые специалисты компании NVIDIA реализовали в графическом ядре NV40.

При создании этого графического ядра нового поколения применялся как экстенсивный так и интенсивный подход. Первый нашел свое выражение в увеличении числа пиксельных конвейеров (хотя говорить о конвейере в привычном понимании здесь нельзя), которые теперь могут обрабатывать до 16 пикселов за такт. Количество вершинных конвейров было увеличено до 6. Качественные же изменения коснулись реализации поддержки пиксельных и вершинных шейдеров. В отношении графического ядра NV40 речь идет уже не о расширенных возможностях шейдеров в версии 2.0, а о полноценной реализации шейдеров версии 3.0, что подразумевает использование в вершинных и пиксельных программах-шейдерах динамических ветвлений и циклов. Данные нововведения свидетельствуют о том, что ядро NV40 построено на основе нового поколения архитектуры CineFX  — CineFX 3.0, позволяющей добиться еще более реалистичного изображения, что стало очередным шагом на пути к реализации компьютерной графики кинематографического качества. В чипах серии GeForce 6 была усовершенствована и описанная выше технология UltraShadow, которая теперь носит название UltraShadow II. В ней, как и прежде, отрисовка теней происходит только в заданном диапазоне, но на этот раз скорость расчетов увеличилась, чему в не малой степени способствует тот факт, что при работе с Z-буфером и буфером шаблонов пиксельные конвейеры графического ядра NV40 способны удвоить скорость и обрабатывать не 16, а 32 пиксела за такт. Еще одним новшеством, с помощью которого повышается реалистичность компьютерного изображения, стала технология NVIDIA HPDR (High-Precision Dynamic Range). Применение данной технологии позволяет строить сцены с высоким динамическим диапазоном освещенности за счет реализации полноценной поддержки вычислений с плавающей запятой при выполнении операций фильтрации, текстурирования, смешения и сглаживания; при этом используется формат представления данных OpenEXR. И наконец, в графическом ядре NV40 реализован программируемый видеопроцессор, что позволило значительно снизить загрузку центрального процессора и улучшить качество при просмотре видео в форматах MPEG-1/2/4 и WMV9, а также HDTV. Это стало возможным благодаря реализации аппаратной поддержки кодирования и декодирования перечисленных форматов представления видеопотока.

В заключение несколько затянувшейся теоретической части стоит, пожалуй, рассказать о «генеалогическом древе» описываемых графических чипсетов, поскольку определение «родственных» связей позволит более точно позиционировать чипсет, опираясь на понимание их архитектуры и заложенных в них функциональных возможностей. Начнем с семейства GeForce FX.

Родоначальником GeForce FX можно считать графическое ядро NV30, которое легло в основу графических чипсетов GeForce FX 5800/5800 Ultra. Нельзя сказать, что это графическое ядро стало крупной удачей компании NVIDIA, основной причиной чему стало, наверное, не самое удачное решение в организации работы с видеопамятью  — 128-битный контроллер, энергоемкая «горячая» память GDDR2, как следствие, дополнительные проблемы по организации ее охлаждения. Прямыми наследниками архитектуры NV30 стали графические ядра NV31 (GeForce 5600/5600 Ultra) и NV34 (GeForce 5200/5200 Ultra и GeForce 5500), которые, по сути, являются урезанными версиями NV30, хотя и имеют свои особенности, например возвращение к графической памяти GDDR.

Учтя недостатки первенца серии GeForce FX — графического ядра NV30 — по прошествию довольно небольшого времени компания NVIDIA выпустила на рынок новое поколение графических чипов GeForce 5900, построенных на основе нового топового графического ядра — NV35. При создании этого ядра был использован 256-битный контроллер видеопамяти, в качестве которой использовались модули GDDR. Пожалуй, можно даже говорить о том, что ревизии и доработке была подвергнута вся архитектура CineFX, легшая в основу создания графического ядра NV30, — теперь она стала именоваться CineFX 2.0. В чем заключаются эти изменения — уже было описано выше. Кроме того, в графическом ядре NV35 впервые была реализована технология UltraShadow, а усовершенствованные алгоритмы компрессии текстур, буфера кадра и Z-буфера были объединены под эгидой технологии Intellisample HCT (High-Resolution Compression Technology). Судьба чипсетов на ядре NV35 оказалась куда более удачной, нежели его предшественника  — чипы GeForce FX 5900XT/5900/5900 Ultra, в основу которого легло именно это графическое ядро, и стали предметом нашего рассмотрения. Но венцом серии GeForce FX стало графическое ядро NV38 и основанный на нем чипсет GeForce FX 5950 Ultra. Хотя по своей сути это графическое ядро является разогнанной версией NV35, тем не менее и здесь не обошлось без инноваций. Так, была изменена конструкция системы охлаждения, а кроме того, чипы на графическом ядре NV38 имеют два режима работы  — 2D и 3D, с автоматическим переключением между ними. Это позволяет снизить тепловыделение графического чипа, а также уменьшить скорость вращения (и соответственно снизить шум) вентилятора охлаждения графической карты, что становится возможным благодаря снижению тактовой частоты графического ядра при работе с нересурсоемкими 2D-графическими приложениями. Как и в случае с NV30, для охвата большего спектра рынка видеокарт компания NVIDIA выпустила и бюджетные решения, в основу которых были положены наработки, реализованные в графическом ядре NV35. На этот раз в роли младших братьев выступили графические чипы GeForce FX 5700/5700 Ultra (ядро NV36). Хотя в данном случае правильнее говорить о том, что NV36 — это все же упрощенный вариант ядра NV38, а не NV35. Основанием для подобного утверждения послужил тот факт, что, как и GeForce FX 5950 Ultra, графические чипы NVIDIA GeForce FX 5700/5700 Ultra имеют два режима работы — для 2D- и 3D-графики. При этом, как в случае с NV38, графическое ядро NV36 в 2D-режиме работает на частоте 300 МГц.

Говоря о появлении облегченных вариантов типовых моделей графических чипов с целью расширить спектр выпускаемых графических решений, нужно обратить внимание и еще на на один подход, широко применяемый сегодня ведущими производителями. Его суть сводится к тому, что на основе одного графического ядра выпускаются несколько вариантов чипов, различающихся лишь тактовой частотой работы ядра и видиопамяти. Обычно модельный ряд таких решений включает базовый чип и его «ускоренную» (Ultra) и «замедленную» (XT) версии.

О построении «родового дерева» семейства GeForce 6 говорить пока не приходится, хотя ядро NV40 уже дало первый побег — NV43. Это первое графическое ядро от NVIDIA, имеющее родной интерфейс PCI Express 16x. Хотя рассмотрение графики с этим интерфейсом выходит за рамки данного обзора, однако, коль скоро речь зашла о видеокартах с интерфейсом PCI Express, стоит сказать, что до появления графического ядра NV43 все ранее выпускаемые компанией NVIDIA чипсеты для этого интерфейса были всего лишь тандемом графического AGP-процессора и моста AGP-PCI Express. К примеру, под именем GeForce PCX 5750 скрывается хорошо знакомый нам чип GeForce FX 5700.

После пространных теоретических выкладок пришло время перейти к практической части нашего обзора. Мы попытаемся оценить возможности видеокарт, построенных на основе рассматриваемых графических чипсетов NVIDIA, при работе с современными ресурсоемкими приложениями. Для этой цели нами было проведено тестирование следующих видеокарт: WinFast A400 Ultra TDH (GeForce 6800 Ultra), WinFast A400 GT TDH (GeForce 6800 GT), Chaintech Apogee AA6800 и ASUS V9999GE (GeForce 6800), Gigabyte GV-N595U256GT (GeForce FX 5950 Ultra), ASUS V9950 Ultra (GeForce FX 5900 Ultra), Point of view FX-5900 (GeForce FX 5900), Point of view FX-5900XT (GeForce FX 5900XT), MSI FX5700 Ultra-TD128 (GeForce FX 5700 Ultra), MSI FX5700-TD128 (GeForce FX 5700), Point of view FX-5500 GeForce FX 5500) и Albatron PCX5750 (GeForce PCX 5750). Последняя из перечисленных видеокарт была взята для того, чтобы на практике оценить влияние смены интерфейса на производительность графического чипа (напомним, что, как указано выше, графический чипсет GeForce PCX 5750 представляет собой чип GeForce FX 5700, взаимодействующий с PCI Express-интерфейсом посредством дополнительного чипа-моста AGP-PCI Express 16x).

Чипсет GeForce PCX 5750

Основной упор при проведении тестирования делался на оценку производительности в современных 3D-играх, для чего были использованы тестовые сцены из таких популярных компьютерных игр, как FarCry, Tomb Raider: The Angel of Darkness, Unreal Tournament 2004, Serious Sam: Second Encounter и, конечно же, DOOM III. В качестве синтетических тестов, позволяющих определить производительность графических карт при работе с 3D- и 2D-приложениями, были использованы тестовые пакеты FutureMark 3DMark 2003 (build 340) и FutureMark PCMark 2004 соответственно. Кроме того, мы попытались оценить возможности тестируемых видеокарт при работе с профессиональными графическими OpenGL-приложениями (для чего воспользовались тестовой утилитой SPEC Viewperf 8.0.1), а также при работе с популярным пакетом Discreet 3d studio max 6.0 (тест SPECapc_3dsmax_rev1_1). Для проведения тестирования были собраны два стенда следующей конфигурации:

• для карт с AGP-интерфейсом:

- центральный процессор — Intel Pentium 4 3,4 ГГц,

- системная память — 2Ѕ512 DDR400 (PC3200),

- материнская плата — Intel D875PBZ,

- дисковая подсистема — 2ЅMaxtor MaXLine III (250 Гбайт), собранные в RAID-массив 0-го уровня;

• для карт с интерфейсом PCI Express 16x:

- процессор — Intel Pentium 4 550 (3,4 ГГц),

- память — 2Ѕ512 DDR2 533,

- материнская плата — Intel D925XCV,

- дисковая подсистема — 2ЅMaxtor MaXLine III (250 Гбайт), собранные в RAID-массив 0-го уровня.

Тестирование проводилось под управлением операционной системы Windows XP SP1 с установленной версией API DirectX 9.0с. Для обеспечения работы испытываемых видеокарт использовались видеодрайверы ForceWare 61.77. Внесем некоторую ясность относительно усиленногов тестировании внимания графических карт на чипах NVIDIA GeForce 6800. Дело в том, что модели Chaintech Apogee AA6800 и ASUS V9999GE изначально выполнены с несколько увеличенной тактовой частотой работы графического ядра и памяти. По этой причине мы решили и показать возможности как доработанных решений, и протестировать одну из этих карт в штатных частотах, определяемых спецификациями чипа GeForce 6800.

Полученные в ходе тестирования результаты не принесли никаких неожиданностей (табл. 3 и 4): по уровню демонстрируемой производительности видеокарты расположились строго в соответствии с рангом графических чипов, лежащих в их основе. Отметим лишь три момента. Во-первых, при анализе результатов тестирования становится очевидным преимущество видеокарт, построенных на основе графического ядра NV40, над картами семейства GeForce FX, причем это преимущество нарастает при увеличении нагрузки на видеоподсистему (при увеличении разрешения и улучшении настроек качества изображения). Обращает на себя внимание и лучшее качество «картинки» новых чипов поколения GeForce 6. Так, к примеру, значительно улучшилось качество полноэкранного сглаживания за счет использования мультисэмплинга на повернутой решетке. Во-вторых, при просмотре результатов, показанных тестируемыми картами в таких чрезвычайно требовательных к ресурсам играх, как FarCry, Tomb Raider: The Angel of Darkness, DOOM III, становится ясно, что комфортную игру с приемлемыми настройками качества способны обеспечить лишь графические карты начиная от GeForce 5900 и выше. А по-настоящему насладиться красотами подобной 3D-графики позволяют только графические карты семейства NVIDIA GeForce 6 — естественно при наличии соответствующей им по производительности всей компьютерной системы в целом. И в-третьих, PCI Express-карты, несмотря на все достоинства этого интерфейса, в своем нынешнем виде не дают никаких преимуществ в сравнении с их AGP-аналогами.

Таблица 3. Результаты тестов FutureMark 3DMark 2003 (build 340) и FutureMark PCMark 2004

Но если по поводу производительности современных видеокарт, построенных на графических чипах NVIDIA, все было известно заранее и общий порядок полученных результатов мог предсказать любой знакомый с предметом человек, то вопрос оптимальности покупки наверняка вызовет споры. Тем не менее выскажем свое мнение по этому поводу: оптимальным соотношением «качество/цена» с позиции обычного домашнего пользователя, на наш взгляд, обладают видеокарты на чипах NVIDIA GeForce FX 5900XT, ну а заядлым геймерам мы бы порекомендовали видеокарты на основе графики NVIDIA GeForce 6800GT.

КомпьютерПресс 10'2004