NVIDIA SLI: теорія і практика використання технології

Екстенсивність і інтенсивність - ось два ключових поняття розвитку прогресу людства. Екстенсивний і інтенсивний шляхи розвитку суспільства, технологій, та і всього людства в цілому змінювали один одного протягом багатьох століть. Прикладів тому багато у всіх сферах господарської діяльності. Але землеробство і скотарство нас сьогодні не цікавлять, нас цікавлять інформаційні технології і комп'ютери. Як приклад, коротко розглянемо розвиток центральних процесорів.

Не будемо заглиблюватися в далекі 90-ті, почнемо одразу з Pentium 4. Після тривалого інтенсивного розвитку технології NetBurst, нарощування «стероїдних» мегагерц, індустрія вперлася в стіну - далі «розганяти» одноядерні процесори виявилося дуже складно і, що б мати ще більш потужний процесор, необхідні великі витрати. І тоді з'явилися двоядерні процесори - екстенсивне рішення проблеми. Незабаром і вони перестали забезпечувати потрібну продуктивність, і з'являється нова архітектура Core, що при менших тактових частотах дає більшу продуктивність - інтенсивне рішення проблеми. І так буде тривати надалі.

А що ж відбувається з розвитком другого компоненту, не менш важливого для любителя видовищних ігор на ПК - відеокартою? А відбувається те саме, що і з процесорами. На даному етапі розвитку, одночіпові відеокарти вже не можуть забезпечити необхідну продуктивність. Тому обидві лідируючі компанії ринку відеокарт (NVIDIA і AMD) розробляють і активно впроваджують власні технології збільшення продуктивності відеосистеми шляхом об'єднання двох, трьох, і навіть чотирьох відеокарт в одному ПК. В цьому огляді ми розглянемо першу компанію (бо саме вона представила свою розробку першою) NVIDIA і її технологію SLI.

Що таке технологія SLI?

Технологія NVIDIA SLI - це революційний підхід до масштабування графічної продуктивності шляхом об'єднання декількох відеокарт NVIDIA в одній системі.

Історія

В 1998 році компанія 3dfx представила графічний процесор Voodoo2, серед інших нововведень якого була технологія SLI (англ. Scan Line Interleave - чергування рядків), що припускала спільну роботу двох чіпів Voodoo2 над формуванням зображення. З технологією SLI могли працювати навіть карти різних виробників, а також карти з різним об'ємом пам'яті. SLI-система дозволяла працювати з роздільною здатністю до 1024x768, що в той час здавалося неймовірним. Недоліками SLI від 3dfx були висока вартість прискорювачів ($600) і велике тепловиділення. Однак незабаром відеокарти переходять із шини PCI на більше швидкий виділений графічний AGP-порт. Оскільки на материнських платах цей порт був тільки один, то випуск відеокарт з підтримкою SLI на деякий період припинився.

В 2000 році з випуском нового чіпу VSA-100 3dfx вдалося реалізувати SLI на AGP, але цього разу в рамках однієї плати, на якій розміщалися два або чотири таких чіпи.

Однак плати на базі SLI-системи мали велике енергоспоживання і виходили з ладу через проблеми з електроживленням. На весь світ плат Voodoo5 6000 було продано близько 200 штук, причому реально робочими з них виявилися лише 100. Настільки невдале просування багатообіцяючого прискорювача, у який були вкладені дуже великі кошти, призвели фактично до банкрутства компанії. В 2001 році NVIDIA купує 3dfx за 110 млн. доларів.

В 2004 році з виходом перших рішень на базі нової шини PCI Express NVIDIA повідомляє про підтримку у своїх продуктах технології мультичіпової обробки даних SLI, що розшифровується вже по-іншому - Scalable Link Interface (масштабований інтерфейс).

Спочатку просування технології SLI було не дуже гладко, в першу чергу через недоробки у драйверах, що постійно виявляються, а також через необхідність «заточувати» їх під кожний конкретний додаток, а інакше гравець не отримував ніякої користі від придбання пари прискорювачів. Але змінювалися покоління прискорювачів, допрацьовувалися драйвери, розширювався перелік підтримуваних ігор. І ось, наприкінці 2007 року була введена в експлуатацію технологія Triple SLI, що дозволяє об'єднувати у зв'язці три відеокарти NVIDIA:

Виробник обіцяє приріст продуктивності до 250% в порівнянні з одиночним чіпом. Але і це не стало межею, зараз на черзі вже Quad SLI, що дозволяє змусити працювати над візуалізацією ігрової сцени вже 4 GPU, щоправда, у складі пари двочіпових відеокарт.

Алгоритми побудови зображень

Split Frame Rendering

Схема алгоритму Split Frame Rendering

Це часто використовуваний режим, коли зображення розбивається на декілька частин, кількість яких відповідає кількості відеокарт у зв'язці. Кожна частина зображення обробляється однією відеокартою повністю, включаючи геометричну і піксельну складові. (Аналог в CrossFire - алгоритм Scissor)

Алгоритм Split Frame Rendering легко масштабується на 3, 4, а в майбутньому, можливо, і на більше чило графічних процесорів.

Alternate Frame Rendering

Схема алгоритму Alternate Frame Rendering

Обробка кадрів відбувається по черзі: одна відеокарта обробляє тільки парні кадри, а друга - тільки непарні. Однак у цього алгоритму є недолік. Справа в тому, що один кадр може бути простим, а інший складним для обробки. До того ж цей алгоритм, запатентований ATI під час випуску двочіпової відеокарти.

У технології Quad SLI використовується і гібридний режим, який об'єднує в собі SFR і AFR.

SLI AA (Anti Aliasing), SLI FSAA (Full Scene Anti Aliasing)

Даний алгоритм націлений на підвищення якості зображення. Та саме зображення генерується на всіх відеокартах з різними шаблонами згладжування. Відеокарта робить згладжування кадру з деяким кроком щодо зображення іншої відеокарти. Потім отримані зображення змішуються і виводяться. Таким чином, досягається максимальна чіткість і деталізація зображення. Доступні наступні режими згладжування: 8x, 10x, 12x, 14x, 16x і 32x. (Аналог в CrossFire - SuperAA)

Принципи побудови

Для побудови комп'ютера на основі SLI необхідно мати:

• материнську плату з двома і більше роз’ємами PCI Express, що підтримує технологію SLI (як правило, у назві материнської плати присутне слово SLI).
• Досить потужний блок живлення (зазвичай рекомендується від 550 Вт);
• відеокарти GeForce 6/7/8/9/GTX або Quadro FX з шиною PCI Express;
• міст, що поєднує відеокарти.

При цьому відзначимо, що підтримка чіпсетів для роботи з SLI здійснюється програмно, а не апаратно. Але відеокарти повинні належати до одного класу, при цьому версія BIOS плат і їх виробник значення не мають.

На даний момент, технологія SLI підтримується наступними операційними системами:

• Windows XP 32-bit
• Windows XP 64-bit
• Windows Vista 32-bit
• Windows Vista 64-bit
• Linux 32-bit
• Linux 64-bit (AMD-64/EM64T)

SLI-систему можна організувати двома способами:

• За допомогою спеціального містка;
• Програмним шляхом.

В останньому випадку навантаження на шину PCIe зростає, що погано позначається на продуктивності, тому широкого поширення цей спосіб не отримав. Такий режим може бути використаний тільки з відносно слабкими прискорювачами.

Якщо міст SLI не встановлений, то драйвер видає попередження, що режим SLI буде працювати не на повну силу.

Наприклад, ось так може виглядати спеціальний місток для з'єднання відеокарт, якщо він виконаний на текстоліті. Крім того, зараз поширені і гнучкі мости, як більш дешеві у виробництві. Але для активації технології 3-Way SLI використовується поки тільки жорсткий спеціальний міст, що фактично вміщує в себе три звичайних в «кільцевому» режимі.

<

Як було сказано вище, популяризується і система Quad SLI. Вона передбачає об'єднання в єдину систему двох двочіпових плат. Таким чином, виходить, що в побудові зображення беруть участь 4 чіпи, однак це поки доля запеклих ентузіастів і для звичайних користувачів практичного значення не має.

Для простого користувача важливо інше, те, заради чого власне і задумувалася дана технологія. Купуючи материнську плату з підтримкою SLI, ви робите гарний заділ для модернізації ПК у майбутньому, бо вона надає можливість додавання ще однієї відеокарти. Ніякі інші засоби «апгрейду», крім повної зміни системи, навіть близько не дає той приріст ігрової продуктивності, що забезпечує друга відеокарта.

Виглядає це приблизно так. Ви купуєте гарний ПК з гарною сучасною відеокартою. Спокійно граєте в сучасні ігри, але через рік або півроку ваша система вже не може задовольнити Вас якістю зображення і швидкістю в останніх іграх. Тоді Ви замість заміни старої відеокарти (або навіть всього ПК) просто додаєте ще одну і одержуєте майже подвоєну потужність відеосистеми.

Проте, так просто виглядає все в теорії. А ось на практиці користувачу доведеться вирішити безліч труднощів.

Перша – це самі ігри і додатки. Від страшного слова «оптимізація» ніхто ще не придумав ліки – так, не тільки драйвери, але і ігри повинні бути оптимізовані для технології SLI, щоб коректно з нею працювати. NVIDIA заявляє, що технологія SLI підтримує «самий довгий список ігор». Якщо гри, що цікавить вас, немає в переліку, компанія пропонує створити власний профіль налаштувань для неї.

На жаль, все ще залишається досить багато ігор не сумісних з SLI, і створення профілю ніяк це не виправляє. Вихід один - чекати патчей від розробників ігор і нових драйверів від компанії NVIDIA. Однак до цих ігор належать в основному старі, з якими без проблем справляється і одиночна сучасна відеокарта, або мало популярні, які переважній більшості гравців не цікаві внаслідок поганої «іграбельності». А ось нові потужні ігри вже заздалегідь передбачають використання двох відеокарт. Наприклад, у грі Call of Duty 4 у розділі налаштувань графіки є цілком конкретний перемикач.

Про включення функції SLI Ви можете довідатися по спеціальних індикаторах прямо в грі, при відповідному «тестовому» налаштуванні драйвера.

Якщо на екрані монітора Ви бачите горизонтальні або вертикальні зелені смуги, це означає, що режим «Показувати візуальні індикатори SLI» включений у панелі керування NVIDIA Display. При включенні цієї опції можна побачити, як розподіляється графічне навантаження на GPU, а назви SLI компонентів у Вашій системі будуть змінені: SLI для двох GPU буде названий “SLI”, назва 3-way NVIDIA SLI буде замінене на “SLI x3”, а Quad SLI буде названий “Quad SLI”. Для ігор, при візуалізації яких використовується технологія Alternate Frame Rendering (AFR), вертикальна зелена смуга буде зростати або зменшуватися залежно від масштабу розширення. Для ігор, при візуалізації яких використовується технологія Split-Frame Rendering (SFR), горизонтальна зелена смуга буде підніматися і опускатися, показуючи, як розподіляється навантаження між всіма GPU. Якщо рівень деталізації верхньої і нижньої половини екрану однаковий, то горизонтальна смуга буде знаходитися по середині. Для того, щоб включити або відключити цю можливість, просто відкрийте панель керування NVIDIA і оберіть «Настроювання 3D».

Другою розповсюдженою проблемою обчислень декількома графічними чіпами є синхронізація останніх. Як було сказано вище, метод рендерінгу AFR має одну особливість: один кадр може бути простим, а інший складним для обробки. При великій різниці в складності обробки кадру одна відеокарта може набагато швидше його обробити, ніж друга. Це приводить до «мікролагів» - маленькі затримки зображення, як би ривки, але при цьому загальне число FPS виглядає комфортним. Такий ефект з'являється досить рідко, але ось як боротися з ним не знають навіть розробники. Для користувача є простий вихід - в іграх, де спостерігаються «мікролаги» з методом AFR переходити на метод SFR, відзначивши його у профілі гри.

У режимі SFR дисплей розбитий на дві частини. Перша карта видає верхню частину зображення, а друга - нижню. Завдяки динамічному балансуванню навантаження драйвер рівномірно розподіляє навантаження між двома картами.

Третя проблема - це процесор. Справа в тому, що при використанні декількох відеоадаптерів навантаження на процесор зростає не тільки за рахунок використання важких графічних режимів, але і за рахунок синхронізації відеочіпів. Тому, для того, щоб розкрити весь потенціал зв'язки з декількох відеокарт вам буде необхідно мати потужний процесор. Хоча на сьогоднішній день це вже не таке гостре питання, як декілька років тому.

Додаткові функції нової технології

Нове покоління материнських плат і відеокарт з підтримкою SLI надають користувачам набагато більше функцій, ніж звичайне прискорення тривимірної графіки.

Hybrid SLI передбачає більш раціональне використання режиму спільного використання графічного ядра, вбудованого у чіпсет, і дискретної відеокарти.

Технологія складається з двох частин: GeForce Boost і HybridPower.

Перша буде задіяна в додатках, що інтенсивно працюють з 3D-графікою. З GeForce Boost частина розрахунків тривимірної сцени візьме на себе прискорювач, інтегрований у набір системної логіки, що дасть помітне збільшення в продуктивності тим системам, де встановлений не найшвидший дискретний адаптер, наприклад GeForce 8500 GT або GeForce 8400 GS.

HybridPower же, навпаки, дозволить використовувати вбудовану графіку, відключаючи зовнішній прискорювач, коли користувач працює в інтернеті, офісних додатках або дивиться відео. Найбільшу вигоду, за словами NVIDIA, від даної технології отримають власники ноутбуків з виділеною відеокартою, час автономної роботи яких помітно зросте.

У цей час Hybrid SLI підтримується: настільними GPU GeForce 8500 GT і GeForce 8400 GS для організації GeForce Boost; продуктивними GeForce GTX 280, GeForce 9800 GX2, GeForce GTX 260, GeForce 9800 GTX+, GeForce 9800 GTX і GeForce 9800 GT у режимі HybridPower; а також системними платами для процесорів AMD на nForce 780a, nForce 750a, nForce 730a (тільки функція GeForce Boost) з вбудованим графічним прискорювачем GeForce 8200.

Як бачимо, енергозаощадження може досягати вражаючих значень.

Дуже корисна функція і для оверклокерів, бо вона крім збереження електроенергії дозволяє основній відеокарті «відпочити» у момент простою і подовжити її термін служби, особливо якщо використовується екстремальний розгін.

Ще одна корисна додаткова особливість SLI-зв'язки є можливість використання до 4-х моніторів одночасно.

Практичне застосування

Ми вже неодноразово тестували різні відеокарти в режимі SLI. Давайте спробуємо трохи узагальнити отриману інформацію.

У випадку з відеокартою XpertVision GeForce 8800 GS 768MB Sonic ми отримали ефективну роботу режиму SLI майже в усіх іграх, чого не скажеш про синтетичні тести. Приріст швидкодії був помітний скрізь і в середньому становить від 20 до 60%. У важких іграх типу Crysis або Company of Heroes з високими налаштуваннями графіки приріст швидкодії склав аж до 90-100%.  

Могутніша відеокарта GIGABYTE GeForce 8800 GT 512Mb також показала відмінні результати щодо масштабування продуктивності в режимі SLI. Майже в усіх наших тестах технологія проявила себе з кращого боку. Знову нечутливі до неї виявилися синтетичні тести, які багато в чому обмежував використовуваний процесор, але нас це ніяк не засмучує, адже користувачу треба комфортно грати в ігри, а не дивитися на «папуги» в 3DMark. Приріст продуктивності в цьому випадку склав в середньому 20-60%, однак, на відміну від попередньої відеокарти, він так і залишався на позначці 60% - були відсутні різкі зміни продуктивності при переході в дуже важкі графічні режими.

Рухаємося далі. Розглянемо тест ще більш потужної відеокарти ASUS EN8800GTS/HTDP/512M/A. Ситуація, аналогічна попередній. Середній приріст складає 20-60% і відсутність сплесків.

А ось відеокарта NVIDIA GeForce9800 GX2, всередині якої зібрана SLI-система, показала приріст продуктивності всього до 30% в порівнянні зі своїм одночіповим аналогом.

Позначається те, що вона використовує 1 роз’єм PCI-e і тому має вдвічі меншу пропускну здатність для обміну даними з системою. Крім того, для таких прискорювачів все ще триває оптимізація драйверів.

3-Way SLI

Прикладом використання даного режиму може бути наш огляд відеокарти GIGABYTE на NVIDIA GeForce 9800GTX 512 МБ.

Ще раз нагадаємо, що згідно рекомендаціям виробника, важливою умовою надійної роботи відеокарт буде правильне з'єднання перехідників живлення. Для підключення Molex-коннекторів необхідно використовувати різні лінії живлення 12V, інакше блок живлення може не витримати навантаження, що призведе до постійних збоїв у роботі або навіть виходу системи з ладу.

Стосовно результатів тестових додатків, маємо сказати що вони неоднозначні. У деяких випадках приріст продуктивності дійсно становить обіцяні 150-170%, однак таких додатків одиниці (у випадку нашого тестування саме один). Середній же приріст становить 60-120%, що, безсумнівно, вище, ніж 20-60% при використанні двох відеокарт.

Підсумуємо результати

Насамперед, варто відзначити, що найбільший приріст продуктивності спостерігається  у відеокарт середнього рівня, у ціновому діапазоні 150-250$. Причому, чим важче графічний режим і більше роздільна здатність, тим більшу користь приносить друга відеокарта в системі. І це, треба сказати, справжня перемога! NVIDIA досягла своєї основної мети - виправданість «апгрейду» комп'ютера шляхом придбання другої відеокарти. У цьому випадку користувач саме і одержує обіцяні в рекламі +100% продуктивності. Погодитеся, грати в Crysis при 41 FPS замість 22 набагато приємніше.

Загальною рисою для всіх розглянутих відеокарт було те, що максимальна ефективність зв'язки SLI досягалася в тих іграх, де рясно використовуються піксельні шейдери.

Для просунутих користувачів теж є привід зрадіти. На відеокартах так званого «Performance» класу (у ціновій категорії 250-350$) приріст продуктивності в 60% дозволяє використовувати найважчі графічні режими на моніторах понад 24” без будь-якої втрати у швидкості. Технологія SLI дозволить перетворити комп'ютер у справжній ігровий центр. Варто відзначити також економічну доцільність застосування SLI у даному сегменті - звичайно покупка 2-х таких відеокарт обходиться дешевше покупки самого «топового» рішення.

Що стосується High-End класу, то застосування SLI виправдане тільки при наявності дуже потужного процесора - але для забезпечених користувачів, для яких важлива швидкість за всяку ціну, це не перешкода, а ось приріст продуктивності навіть на 30% зайвим ніколи не буде.

В жодному разі - технологія працює, причому працює не так, як вона працювала ще декілька років тому, а дійсно забезпечує прискорення майже в усіх популярних іграх. Треба віддати належне NVIDIA, що змогла налагодити своє дітище до того стану, у якому його можна рекомендувати звичайним користувачам. Якщо ви шукаєте материнську плату для нового ПК, то рекомендуємо вам звернути увагу на плати з підтримкою декількох відеокарт. Чи встановлювати в систему дві відеокарти, чи ні, ви зможете вирішити пізніше. Адже на цей вибір значно впливає поточна ситуація на ринку відеокарт. Ціна - це і є основна баталія 2-х відеокарт середнього класу і Топ-продуктів. Вона ж і є кінцевим аргументом.

Відносно технології 3-way SLI. Як було відзначено в нашому огляді, вузьким місцем у зв'язці з трьох потужних відеокарт є об'єм встановленої на них пам'яті – технологія влаштована таким чином, що об'єми пам'яті не підсумовуються і всі три графічних чіпи використовують об'єм пам'яті одиночної відеокарти (у випадку нашого тесту це були 512 МБ). Але даний недолік можна вважати частково вирішеним, бо на сьогоднішній день у продажі є нові відеокарти GeForce GTX 280, об'єм пам'яті яких дорівнює 1 Гб. Не варто забувати і про відеокарти, на яких виробник встановлює більший обсяг, ніж має «референсний» зразок. Однак це ще не все. Крім трьох відеокарт нам знадобиться ще і дуже потужний процесор.

Беручи до уваги передбачувані витрати коштів для придбання трьох відеокарт і самого потужного процесора, стає зрозумілим, що дозволити собі оцінити можливості 3-Way SLI зможе далеко не кожен. Тому масовою дана технологія навряд чи стане, і, мабуть, вона нагадує більше показний маркетинговий хід компанії NVIDIA, метою якого є бажання привернути увагу споживачів і втримати «пальму першості».

Про додаткові функції - Hybrid SLI. Вони, звичайно ж, зайвими не бувають, але ось реальної користі від технології GeForce Boost ми так і не побачили. Поміркуєте самі, якщо користувач купує собі недорогий комп'ютер для офісної роботи, то сучасної інтегрованої відеокарти йому вистачить для всіх потреб, тим більше, що вони мають навіть апаратну підтримку декодування HDTV-відео. А якщо раптом з'явиться бажання пограти в ігри, то придбання відеокарти класу GeForce 8500 GT або GeForce 8400 GS буде виглядати, принаймні, смішно, бо їх продуктивності зовсім недостатньо для сучасних ігор, навіть у зв'язці з інтегрованим адаптером.

А ось функція HybridPower має великий потенціал. Як виявилося, вона успішно працює з однією, двома і навіть з трьома відеокартами. Через те, що кожне покоління відеокарт споживає все більшу і більшу кількість електроенергії, а також беручи до уваги постійне підвищення їх вартості, енергозберігаючі технології є досить до речі. Ну а користувачі ноутбуків повинні радіти подвійно - з технологією HybridPower у ноутбуці можливе об'єднання досі несумісних понять: потужна відеопідсистема і тривалий час автономної роботи.

Позитивні якості технології SLI:

• легкість «апгрейду» без потреби продавати стару відеокарту;
• можливість активації поліпшених режимів згладжування;
• можливість використання до 4-х моніторів одночасно.

Недоліки:

• необхідна материнська плата, що підтримує SLI;
• необхідний блок живлення відповідної потужності;
• 2-3 відеокарти займають більше місця в системному блоці;
• поява ефекту «мікролагів» в AFR-режимі.

Автори: Петро Носик, Олександр Черноіван
Переклад: Анна Смірнова

При підготовці статті використана інформація з офіційного сайту NVIDIA і вільної енциклопедії Wikipedia.