Pokročilé Architektury Počítačů 2009/2010 Semestrální projekt Grafické karty s podporou DirectX 11 Quynh Trang Dao Dao007
1. DirectX 11 V posledních pár letech se rozhraní DirectX dostalo do popředí a stalo se hlavní knihovnou při vývoji grafiky u většiny projektů. OpenGL se pak stalo minoritní záležitostí v oblasti profesionální grafiky (posledním velkým herním projektem v oblasti vývoje pod OpenGL byl engine pro hru Doom 3 od ID Software). OpenGL ale není zdaleka tak mrtvé, jak by se mohlo na první pohled zdát, neboť najde využití ve zbrusu novém univerzálním rozhraní OpenCL. S novými Windows 7 přichází také nová knihovna DirectX 11. Toto rozhraní je do značné míry revoluční jak pro vývojáře, tak pro uživatele. Je podporováno jak novými Windows 7, tak je i zpětně kompatibilní s Windows Vista. Tato knihovna je postavena na předchozí verzi DirectX 10.1, tudíž obsahuje všechny funkce předchozí verze, kterou rozšiřuje o řadu nových věcí. Obrázek 1: DirectX 11 logo 1.1. Multi threading Asi největší a nejpřínosnější novinkou je využití vícevláknového zpracování s podporou více procesorových jader a tedy optimalizaci využití dostupných prostředků. V současnosti je optimalizace na vícejádrové CPU věcí poměrně složitou a většina her využije maximálně dvě jádra. Optimalizace pro 3 4 jádrové CPU jsou celkem drahé a dělá jej jen málokdo. DX11 však umožní lepší optimalizace pro vícejádrové CPU. 1.2. DirectCompute 11 DirectCompute dělá z grafické karty více než grafickou kartu, vykreslující obrázky na monitor. Pomocí této technologie tak budou moci GPU vykonávat kromě výpočtů týkajících se obrazu, i například fyzikální efekty, výpočty související s umělou inteligencí a další úlohy, které by jinak zastával procesor (tzv. GPGPU). DirectCompute zvládne ale i další grafické efekty jako pokročilé vyhlazování, stínování a další hromady náročných efektů, které dnes nejsou možné (hlavně kvůli výkonu grafik). Výhodou této technologie je právě podpora paralelní konstrukce grafických procesorů.
1.3. Tesselace (Tessellation) Tuhle technologii nemůžeme vydávat za novou, jako takovou, ale až do této chvíle nebyla DirectX podporována. Tato funkce je hodně zajímavá, protože umožňuje zvýšení počtu polygonů, tedy sítě, ze kterých jsou tvořeny objekty. Ty jsou tak mnohem detailnější, a tedy i realističtější. Tesselaci podporuje například i čip ATI XENOS v konzoly Xbox360. Obrázek 2: Tesselation 1.4. Závěr Jako celek je DirectX 11 nesmírně silným nástrojem a téměř nikdo nepochybuje o tom, že bude jako API v následujících letech zcela dominovat. DirectX 11 přichází ještě s dalšími novinkami. Nechybí tak například ani podpora raytracingu, ShaderModel 5.0 a mnoho dalších vylepšení. Největší přínos má však pro samotné vývojáře. Všechny tyto vylepšení usnadní práci při vývoji, což značně urychlí a zlevní vývoj. Samozřejmě pro využití nejnovějších DirectX je potřeba mít kromě softwaru i odpovídající Hardware. Jako první grafická karta s touto podporou se na trhu objevila grafika od AMD ATI Radeon HD 5850 a 5870. AMD v tomto případě vyhrála konkurenční souboj s nvidií, která zatím v blízké době neplánuje uvedení karet s podporou DX11.
2. Grafické karty s podporou DirectX 11 V nedávné době vyšly první grafické karty s podporou nejnovějších knihoven DirectX 11. Jako první se na trhu objevily grafické karty od firmy AMD ATI Raedon série HD 5000. Jedná se konkrétně o grafické karty ATI Raedon HD 5850 a 5870. Ty přináší kromě podpory nových knihoven DirectX 11 také vysoký výkon v současných aplikacích, plnou podporu nového GPGPU rozhraní OpenCL a DirectCompute 11, vyšší poměr výkon/spotřeba a také inovativní technologie jako je lepší anizotropní filtrování či ATI Eyefinity. 2.1. Základní informace o sérii ATI Radeon HD 5000 Základem je grafické jádro RV870, které je vyráběno pomocí 40nm technologie. Tento procesor obsahuje zhruba 2.15miliard tranzistorů. Nechybí ani podpora nejnovějších pamětí DDR5, které jsou propojeny pomocí 256bitové sběrnice. Minimální velikost pamětí je 1GB, silnější modely mají až 2GB pamětí. Grafická karta obsahuje velké množství shader procesorů, těch je ve slabším modelu 1440, v silnějším pak 1600. Mezi další výhody patří malá spotřeba. V klidovém stavu má počítač s touto grafickou kartou spotřebu okolo 165W, v zátěži pak okolo 300W, což je v porovnání s ostatními kartami podstatně méně. Při zátěži pak teplota na procesoru dosahuje maximální teplotu 78 stupňů, což otevírá nové možnosti pro přetaktování. 2.2. Architektura grafického jádra RV870 Architektura grafického jádra ATI RV870 vychází z předchozí verze RV770, která byla použita u grafických karet série 4000 (konkrétně u modelů 4850 a 4870). Jeho architektura se nazývá TeraScale 2 (vychází z názvu TeraScale jádra RV770). Nepatrně se zvětšila i plocha jádra, která je u RV870 přes 330 čtverečních milimetrů. Největší část jádra zabírají SIMD Engines, česky známé jako unifikované shadery. Těch je nyní 1600 jednotek ve 20 blocích, cože je oproti předchozí verzi dvojnásobek. Jádro dále obsahuje 80 texturovacích jednotek. Celkový teoretický výkon jádra je přes dva TeraFLOPSy. Obrázek 3: Architektura RV870 TeraSclae 2
Největší část čipu tvoří již zmiňovaná výpočetní část se SIMD bloky. Každý blok obsahuje 16 procesorů s pěti jádry (celkem tedy 1600). Dále byla zdvojnásobena kapacita L2 cache a to na 128 KB pro každý paměťový řadič. Tato karta využívá nejnovějších pamětí DDR5 s šířkou paměťové sběrnice 256bitů. Paměti jsou v základu taktovány na 1200Mhz a výsledkem je datový přenos 4.8Gb za sekundu. Karta nově obsahuje Tesselační jednotkou (Tessellate Unit), která je využívána u DirectX 11, a umožňuje dodatečně navyšovat počet polygonů. 2.3. Ostatní modely série HD 5000 Na přelomu září/října 2009 vydalo AMD první ze série nových grafických karet modely ATI Radeon HD 5850 a 5870. Ty jsou pouze střední třídou mezi novými modely. Jejich ceny se v době uvedení pohybovali za slabší model 5850 okolo 5.500, a za model 5870 okolo 8.000, V druhé polovině října 2009 pak vyšla další série, tentokrát levnější a slabší modely ATI Radeon HD 5750 a 5770. Ty jsou postaveny na odlehčeném jádře RV840. Jejich ceny se v době uvedení pohybovali od 3 do 4 tisíc. V budoucnosti má vyjít také low endová série 5600, která by se měla prodávat za 100 dolarů a a je určena do kancelářských počítačů pro kancelářské aplikace a do domácností pro přehrávání HD videí. Dále má vyjít nejvýkonější high endová verze dvou procesorové grafiky s názven Radeon HD 5970 (alias Hemlock), což má být údajně nejvýkonnější grafika na trhu (při uvedení na trh). Ta má vyjít během zimy 2010. Tento model měl původně vzniknout prostou kombinací dvojice jader RV870 naprosto shodnými s těmi, které se používají na Radeonech HD 5870. AMD však chystá optimalizace v architektuře, díky čemuž by mohl výkon grafiky ještě vzrůst. Cílem je zvýšit frekvence jádra a shaderů přes 1GHz a pravděpodobně navýšit počet SIMD jednotek na 24. To by znamenalo, že dvou jádrová karta dostane 2x 1920 shader procesorů. Zde je tabulka pro porovnání mezi sérií 5700 a 5800. U série 5700 obsahuje jádro RV840 poloviční počet shader procesorů a poloviční počet tranzistorů oproti RV870. Šířka sběrnice je pouhých 128bitů. Obě verze však používají nejnovější paměti DDR5. Obrázek 4: Porovnání sérií ATI Radeon 5800 vs. 5700
2.4. Výkonové testy Nyní je zde souhrn některých výkonových testů a srovnání s ostatními kartami na trhu. Hlavním soupeřem na trhu je již tradičně nvidie, se svou sérií grafických karet GTX 200. Dále je zde porovnání s předchozí sérií karet od ATI 4000. Zde je porovnání v 3DMarku: V tomto testu je vidět, že jedno jádrová grafická karta ATI Radeon HD 5870 převyšuje všechny jedno jádrové karty a dosahuje výkonu těch dvou jádrových. Testy v některých hrách: Karta soupeří s nejvýkonnější dvou jádrovou grafikou od nvidie GTX 295. U té je však mnohem větší spotřeba a cena. Zajímavé je také porovnání s dvou jádrovou grafickou kartou 4870, kterou v některých testech dokonce překonává. Jedná se tedy nejvýkonnější jedno jádrovou kartu v dnešní době.
A nakonec je zde porovnání vlivu nové knihovny na výkon her. Jak je vidět, navýšení výkonu je znatelné zhruba o 10%. Zatím však není mnoho her s podporou DirectX 11 (zatím pouze STALKER: Call of Pripyat a Battleforge, chystá se DiRT2, a další).
3. Závěr ATI Radeon nyní se svou sérií HD 5000 překonává konkurenci a jako první přichází s grafickou kartou s podporou DirectX 11. Navíc tato karta představuje dobrý poměr cena/výkon s nízkou spotřebou. Výkonnostně nový Radeon nezklamal, přináší cca dvojnásobný výkon proti předchozí sérii. V praxi se Radeon HD 5870 výkonnostně umístil těsně pod duálním Radeonem HD 4870 X2 a za duální GeForce GTX 295 (v dnešní době nejvýkonnější grafická karta na trhu) zaostává o cca 10 %. Dosud nejvýkonnější jedno jádrový GeForce GTX 285 překonávavá HD 5870 o více jak 20 % a právem si bere pozici nejvýkonnější jednočipové karty na trhu. Dále nový Radeon boduje ve své kategorii v bezkonkurenční spotřebě a velmi nízké hlučnosti. Nový Radeon se tedy povedl a dostává se před nvidii, která v blízké době neplánuje vydání žádných konkurenčních karet s podporou DirectX 11. V blízké době má vyjít několik her, které již budou toto nové rozhraní podporovat, což jistě udrží tyto grafické karty v prodejnosti na prvních místech. 3.1. Výhody ATI Radeon HD 5870 vysoký výkon na rozdíl od HD 4870 X2 a GTX 295 nejde o duální řešení podpora DirectX 11 nízká spotřeba v klidu i zátěži a dva 6pinové napájecí konektory ve 2D velmi tichá, ve 3D ve své kategorii také tichá na úplnou novinku slušná cena ATI Eyefinity 3.2. Nevýhody ATI Radeon HD 5870 výkonem v průměru nepřekonává duální karty mírně delší než GTX 295/HD 4870 X2 chybí podpora PhysX
4. Použitá literatura http://www.svethardware.cz http://pctuning.tyden.cz http://www.ddworld.cz http://www.extrahardware.cz http://www.firingsquad.com http://www.theinquirer.net