NVIDIA Optimus: правильная мобильная графика

Наличие в ноутбуке производительной дискретной видеоподсистемы наряду со встроенной в чипсет позволяет повысить быстродействие и общую гибкость платформы, однако до недавнего времени эта возможность ограничивалась некоторыми проблемами.

Технология NVIDIA Hybrid SLI, в которую входят GeForce Boost (объединение мощности двух GPU для ускорения работы) и Hybrid Power (динамическое переключение между ядрами для экономии энергии), представленная еще в 2007 г., должна была дать возможность выбирать, какой из установленных графических акселераторов использовать для конкретного приложения: экономичный интегрированный или производительный дискретный.

Исторически не сложилось

К сожалению, на тот момент времени сугубо программная реализация переключения обработки графики между видеоподсистемами оказалась довольно неудобной. Во-первых, оно требовало дополнительных, далеко не очевидных для обычного пользователя манипуляций: для задействования дискретного GPU нужно было переключить план энергопотребления ОС на «Производительный» (при «Сбалансированном» и «Экономии питания» переключения не происходило), для перехода на встроенную графику – наоборот. После окончания игры следовало вернуть план обратно, иначе батарея разряжалась очень быстро (отключались все технологии энергосбережения процессора в том числе). Во-вторых, поскольку вывод переключался на уровне драйвера, приходилось сперва закрывать все приложения, использующие Direct3D либо OpenGL, например видеоплееры и в некоторых случаях – даже браузер. В-третьих, в момент переключения экран несколько раз мигал, что было не слишком похоже на нормальный режим работы ПК и у неподготовленного пользователя вызывало подозрения о проблемах с оборудованием. Иногда требовалось даже перезагружать ПК, чтобы привести систему в нужное состояние. В результате, по словам президента аналитической компании Endpoint Technology Associates Роджера Кея (Roger Kay), по статистике функцию переключения графических акселераторов использовал лишь 1% владельцев подобных систем. Microsoft также не осталась в стороне: в вышедшем в ноябре 2008 г. документе «Guidelines for Graphics in Windows 7» компания сообщила, что поддержка Hybrid SLI в новой ОС не планируется по причине нестабильности и неудобства для пользователей.

Другим недостатком этой технологии, более существенным для разработчиков ноутбуков, является значительное усложнение схемотехники: нужно развести дополнительные дорожки для вывода видео от второго GPU, что приводит к появлению новых слоев текстолита и элементов на плате и, следовательно, к ее удорожанию, повышению энергопотребления, тепловыделения и снижению надежности.

Новые надежды

Схемы вывода изображения в Hybrid Graphics (сверху) и в Optimus (снизу)

NVIDIA Optimus – фактически новая инкарнация той самой идеи, в которой устранены вышеописанные неудобства. Переключение между GPU стало комфортным и незаметным для пользователя. В ряде случаев (например, при воспроизведении видео) это позволит как сэкономить ресурс батареи, так и добиться лучшего быстродействия.

Технически она реализована так: если ранее выводимый каждым из графических ядер видеосигнал передавался на собственный блок преобразования и вывода, то теперь изображение от дискретного GPU посредством шины PCI Express транслируется напрямую в кадровый буфер, встроенный в IGP. Таким образом, с точки зрения ОС при переключении видеоподсистем устройство вывода остается тем же, и не приходится проводить реинициализацию (на практике это значит, что экран более не мигает и не требуется перезагрузка).

Еще одним техническим нововведением стало внедрение в поддерживающие Optimus графические процессоры выделенного блока копирования содержимого кадрового буфера между памятью дискретного GPU и разделяемой ОЗУ интегрированного ядра. Необходимость в выключении всех 3D-приложений перед сменой режима работы ранее объяснялась тем, что GPU нужно было полностью остановить рендеринг, перейти в режим копирования, перенести содержимое из своего буфера в ОЗУ и передать управление IGP, иначе возникнет рассинхронизация. Теперь это происходит в фоновом режиме с достаточной скоростью для того, чтобы не требовать от пользователя никаких манипуляций и ожидания, более того, переключение вообще незаметно. Как только запускается IGP, дискретная видеокарта полностью отключается от питания (представитель NVIDIA рассказал, что в тестовой системе Optimus можно было «на лету» вынуть из материнской платы MXM-модуль, и ОС продолжала работать). Такие развитые возможности управления питанием окажутся хорошим подспорьем в мобильных платформах.

Механизм копирования данных в Hybrid Graphics

Аппаратно Optimus поддерживается графическими акселераторами серий GeForce 200M, 300M, ION 2 и будущими GPU на базе архитектуры Fermi. Со стороны процессоров и чипсетов поддерживаются Intel Core i3/i5/i7 (Arrandale) благодаря встроенной в них графике; Core 2 (Penryn), а точнее северные мосты для этих CPU, и новое поколение Atom Pine Trail. По мнению NVIDIA, смысла в реализации новой технологии для платформ AMD нет, что вполне логично – в мобильном сегменте «зеленые» придерживаются закрытого подхода к построению систем, используя собственные чипсеты, графику и процессоры. К тому же у AMD есть свой аналог Optimus – ATI PowerXPress.

NVIDIA Optimus предполагает и серьезную программную базу. Новый драйвер содержит большое количество предустановленных профилей для различных приложений, определяющих, в каком случае какой из графических чипов задействовать. Пользователь может изменять их по своему усмотрению и добавлять собственные, для чего предусмотрена возможность создания ярлыка в контекстном меню Проводника Windows для исполняемых файлов и ярлыков. При этом заявляется о готовности технологии даже к еще не вышедшему ПО, поскольку драйвер теперь позволяет загружать обновленные профили в фоновом режиме без участия пользователя.

Практика

Механизм копирования данных между кадровыми буферами в Optimus

Оценить новое решение NVIDIA на практике нам удалось с помощью новейшего мультимедийного ноутбука ASUS N61Jv, оснащенного топовым процессором Core i5 540M, 4 ГБ ОЗУ и графическим акселератором GeForce GT325M. GPU содержит 48 потоковых процессоров, работает на частоте 450 МГц и связан с 1 ГБ GDDR3 с частотой 1.4 ГГц и шиной шириной 128 бит. Таким образом, ASUS N61Jv вполне может выступать не только как рабочий или мультимедийный ноутбук, но и в качестве игрового ПК среднего класса (с учетом разрешения матрицы 1366×768 быстродействия GPU зачастую вполне достаточно). Отдельно стоит похвалить дизайнерское решение разработчиков, подчеркивающее наличие Optimus: небольшие прорези по бокам подсвечиваются синим при работе Intel HD Graphics и белым при активации чипа NVIDIA. Из других особенностей выделим наличие порта USB 3.0, неплохой акустики Altec Lansing и стильный дизайн.

В процессе тестирования система вела себя по-разному: иногда она работала именно так, как и положено «правильной» гибридной графике, а иногда приходилось вмешиваться в настройки драйвера. Впрочем, с точки зрения неискушенного пользователя ничего страшного в этом нет – хоть система и будет работать медленно, если не переключится на GeForce GT325M в нужный момент, но и пугающих явлений, случавшихся с Hybrid SLI, тоже не произойдет. Чаще всего Optimus действительно правильно определяет запуск приложений с нужными API (DirectX, DXVA, CUDA) и запускает дискретную видеокарту, хотя в PCMark Vantage, например, переключение пришлось форсировать.

Режим работы Optimus при малой нагрузке

Что касается экономичности, то иногда ситуация становится парадоксальной. Так, если активно пользоваться сайтами с интернет-видео, то благодаря переложению декодирования с процессора на аппаратный блок NVIDIA PureVideo HD период автономной работы значительно вырастает. В то же время при большой нагрузке дискретный GPU, конечно, сильно укорачивает «жизнь» батареи, однако и эффективность у него выше: игры работают гораздо быстрее, видео для мобильного телефона перекодируется за единицы, а не десятки минут. В конце концов, намного приятнее провести час за комфортной игрой, чем полтора часа «наслаждаться» недостаточной производительностью встроенного в процессор графического ядра.

Выводы

Режим работы Optimus при большой нагрузке

Стоит подчеркнуть, что Optimus не ориентирована на изменение производительности портативных ПК в ту или иную сторону, основное ее предназначение – повышение удобства работы на системах с двумя GPU. Если сравнивать две системы, оборудованные одинаковыми GPU, процессорами и объемом ОЗУ, в тестах они продемонстрируют равное быстродействие. Однако с точки зрения удобства работы новая платформа несравнима со старой: чтобы запустить нуждающееся в повышенной мощности графики приложение с использованием дискретной видеокарты, не требуется никаких действий. Служебное приложение NVIDIA, показывающее, какое из графических ядер запущено в конкретный момент, иногда отображало 2–3 цикла включения-выключения дискретной графики в процессе запуска тестов (при переключении с трехмерного меню на двумерные заставки при загрузке уровней и т. п.), подобная гибкость позволит максимально сэкономить заряд батареи. Правда, с ориентированными на CUDA приложениями пока такой гибкости нет: как только в ОЗУ оказывается процесс, запрашивающий соответствующую функциональность (видеоконвертер или клиент распределенных вычислений), сразу задействуется внешняя видеокарта независимо от того, выполняются ли на самом деле вычисления. Также не выключается дискретный GPU, если требующее его участия приложение свернуто или пользователь переключается со вкладки с ускоряемым посредством Adobe Flash 10.1 видео (YouTube, например) на другую. Однако тут дело за дальнейшей оптимизацией драйвера, и с его развитием можно надеяться на устранение большинства недостатков.

В целом же можно констатировать, что с момента своего появления технология NVIDIA Optimus способна в значительной мере повлиять на рынок ноутбуков, поскольку она обеспечивает возможность добиться недостижимого ранее сочетания долгого времени работы от батареи и высокой производительности в 3D в тот момент, когда это нужно пользователю, и абсолютно прозрачно для него. Неудивительно, что подавляющее большинство игроков этого рынка уже представили модели с ее применением.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365