Профессиональные видеокарты на процессорах NVIDIA Quadro

Максим Афанасьев

Преимущества профессиональных решений NVIDIA Quadro FX

Видеокарты серии NVIDIA Quadro

Заключение

На протяжении последних 10 лет корпорация NVIDIA выпускает профессиональные решения для визуализации и вычислений — серию графических ускорителей NVIDIA Quadro. Эти графические ускорители предназначены для профессионалов, которым требуются высокая стабильность работы и максимальная производительность оборудования для деятельности в таких областях, как CAD, DCC, визуальные вычисления, исследования, анализ и визуализация сложных моделей. Решения NVIDIA Quadro разработаны с учетом этих требований и позволяют задействовать все возможности программного обеспечения, которому необходима такая графическая подсистема.

Современные приложения для работы с компьютерной графикой очень требовательны к графической подсистеме персонального компьютера. Большинство современных графических ускорителей условно можно разделить на два направления. К первому направлению, которое сейчас очень быстро развивается, относятся игровые графические ускорители. Игровые видеокарты обладают большим объемом графической памяти и мощными графическими процессорами, которые способны рассчитывать сложную геометрию, реалистичные шейдеры различных поверхностей и умопомрачительные эффекты. Второе направление  — это профессиональные графические ускорители, ориентированные на применение в областях компьютерной графики, проектирования и визуализации. Нельзя не упомянуть и о новом ответвлении профессиональных графических адаптеров, которое можно назвать третьим направлением. Оно ориентировано на вычисления, где требуются большие вычислительные мощности: научные исследования, геологоразведка, финансы, энергетика и  др. Благодаря своей уникальной архитектуре графические ускорители способны выполнять сложные математические расчеты, превосходя центральные процессоры в несколько раз. Но вернемся к профессиональным графическим адаптерам.

Преимущества профессиональных решений NVIDIA Quadro FX

Первое, на что стоит обратить внимание читателей, — основные преимущества и отличия профессиональных графических ускорителей NVIDIA Quadro от игровых графических адаптеров на базе NVIDIA GeForce.

Неискушенному пользователю может показаться, что видеокарта игровой серии GeForce предоставляет очень большие возможности при работе с приложениями 3D-графики и анимации, однако давайте сравним карты GeForce и Quadro FX и посмотрим, в чем заключаются их ключевые технические различия.

В табл. 1 рассматриваются основные технологические различия семейств Quadro и GeForce.

Таблица 1. Технологические различия семейств Quadro и GeForce

Обращаем также внимание читателей на то, что производством профессиональных графических адаптеров в мире занимаются лишь несколько компаний, в то время как производством игровых видеокарт — несколько десятков. Соответственно компании NVIDIA проще уследить за полным соблюдением технологических норм и процессов для профессиональных устройств.

Профессиональные графические приложения предъявляют иные требования к видеоподсистеме, нежели компьютерные игры. В игровых приложениях требования к качеству прорисовки сцены не очень велики и наиболее важным параметром является скорость прорисовки текстур и заполнения сцены, а также получение наибольшего количества FPS. При работе же с профессиональными приложениями, например с системами автоматизированного проектирования или моделирования, необходимо обеспечить максимальное качество сложного изображения, выводимого в реальном времени, при приемлемой производительности. Для этого предусмотрен ряд следующих оптимизированных функций и технологий, аппаратно поддерживаемых ускорителями NVIDIA Quadro и используемых в популярных программных пакетах:

• 12-bit Sub-Pixel Precision (12-битная субпиксельная точность);
• Extended programmability (возможность расширенного программирования шейдеров) — поддерживается Shader Model 4.0;
• поддержка краевого сглаживания пикселов и линий. При выводе изображения трехмерной модели в реальном времени требуется максимально точно показать контуры объекта, при этом сглаживать остальное изображение не нужно;
• аппаратная поддержка OpenGL и расширений, драйвер OpenGL сертифицирован независимыми разработчиками приложений. Например, расширения позволяют без снижения производительности выводить сложные курсоры или выделять какой-либо объект на сцене, не внося в нее серьезных изменений;
• аппаратное ускорение вывода окон, курсора и меню поверх трехмерных моделей. Оптимизированная работа подсистемы памяти и драйвера OpenGL позволяет без искажений изображения и снижения производительности выводить окна и элементы меню поверх 3D-сцены с включенным антиалиасингом (Anti-Aliasing);
• аппаратное ускорение плоскостей разреза в системах автоматизированного проектирования и 3D-моделирования. Довольно часто при проектировании необходимо удалить часть изображения, чтобы заглянуть внутрь модели. Ускорители NVIDIA Quadro поддерживают выполнение этих операций без снижения производительности;
• оптимизированная архитектура подсистемы памяти позволяет максимально эффективно использовать имеющуюся физическую память при работе с любыми приложениями;
• поддержка специальных алгоритмов расчета освещения дает возможность получать более реалистичные изображения моделей в реальном времени;
• аппаратная поддержка двойной буферизации стереоизображений позволяет добиться высочайшего качества изображения при максимальных частотах развертки;
• графический конвейер разрядностью до 384 бит поддерживает сложные математические вычисления высокой точности для достижения несравненного визуального качества. 128-битная точность операций с плавающей точкой на каждый компонент (RGBA) обеспечивает миллиарды оттенков в широчайшем динамическом диапазоне;
• сертификация ведущих производителей программного обеспечения позволяет гарантировать, что лучшие программные пакеты будут полностью совместимы с ускорителем NVIDIA Quadro и смогут полностью раскрыть его потенциал;
• для некоторых приложений, например AutoCAD и 3ds max, существуют бесплатные оптимизированные дополнения, которые расширяют функциональность и значительно повышают производительность;
• круг задач, для работы с которыми оптимизированы графические ускорители NVIDIA Quadro, не ограничивается 3D-приложениями. Для систем нелинейного видеомонтажа существуют OpenGL-фильтры, наложение которых в реальном времени производит видеокарта.

Кроме того, с помощью решений NVIDIA Quadro могут создаваться целые виртуальные студии, а также эффектные заставки, выводимые поверх изображения, например, во время трансляции спортивных мероприятий. Несколько ускорителей NVIDIA Quadro могут быть синхронизированы для вывода изображения на множество мониторов, объединенных в видеостену (Quadro Plex или Quadro FX с G-Sync). Графические карты NVIDIA Quadro FX могут быть объединены с помощью технологии NVIDIA SLI  — таким образом можно существенно повысить производительность системы в ряде приложений. Эта технология применяется также в обычных игровых видеоадаптерах и уже хорошо себя зарекомендовала.

Графические адаптеры для домашнего пользования быстро устаревают, и смена поколений таких устройств порой может проходить не один раз в год. Профессиональные графические адаптеры рассчитаны на долгий срок службы, и производитель гарантирует их доступность в течение трех лет с момента выпуска модели.

Совсем недавно компания NVIDIA представила широкой общественности профессиональные графические ускорители последнего, 10-го поколения. Отметим, что за прошедшее десятилетие она выпустила большое количество различных высокопроизводительных графических процессоров, а также, что немаловажно, предложила множество новых инновационных технологий, без которых трудно представить современную работу с компьютером.

Среди множества технологий, используемых в профессиональных графических адаптерах последнего поколения, стоит отметить несколько основных, которые появились относительно недавно и активно внедряются. NVIDIA Quadro — это целая платформа для визуальных вычислений. На данный момент в нее входят следующие возможности и технологии.

NVSG Scene Graph  — комплект инструментов разработчиков NVIDIA Scene Graph (NVSG). Это объектно-ориентированная библиотека инструментов для создания приложений, основанных на графах. NVSG 2.1 обеспечивает полный набор классов С++, которые разработчики могут легко комбинировать и расширять для создания быстрых и надежных приложений. Эти классы составляют иерархию объектов, которая может быть использована для представления трех пространственных измерений — размера, местоположения или размещения и визуального представления.

NVIDIA SLI Multi-OS  — новая технология, которая впервые обеспечивает поддержку 3D-виртуализации на рабочей станции на базе графических адаптеров NVIDIA Quadro. Благодаря технологии SLI Multi-OS приложения и пользователи способны оптимизировать продуктивность и расходы путем использования многочисленных технологий на одной рабочей станции в виртуализированном пространстве. Данная технология актуальна для разработчиков, которые разрабатывают специализированное программное обеспечение для визуализации и вычислений под несколько ОС одновременно. В ней внедрена поддержка как хостовой, так и гостевой операционных систем, причем это могут быть как Windows-, так и Linux-системы, запускаемые на ОС Windows или Linux.

Сегодня виртуализация является неотъемлемой частью производства, тем более в области разработки программного обеспечения и применяется даже в экономических бизнес-системах и других областях. На данный момент аппаратная поддержка графического процессора на виртуальных машинах осуществляется, когда хост-система и гостевая ОС одного типа — например Microsoft Windows или Linux. При этом для каждой виртуальной машины требуется свой графический процессор. Возможности виртуализации сегодня также ограничены тем, что графический процессор может работать только с хост-системой, даже если в системе присутствуют два графических ускорителя.

Технология Multi-OS снимает эти ограничения и предоставляет разработчику больше возможностей для реализации своих планов. Таким образом, при применении одной рабочей станции с виртуальной машиной и технологиями NVIDIA Quadro можно сэкономить на затратах, связанных с обслуживанием, оборудованием и налаживанием систем охлаждения. При этом работа может вестись практически на любой гостевой операционной системе с применением аппаратного ускорения и не только на одной хост-системе или однотипной гостевой ОС. Также стоит отметить, что в режиме SLI Multy-OS система полностью поддерживает режим 3D-ускорения на всех графических платах, установленных в рабочей станции.

Следующим интересным пунктом является работа с 30-битным цветом, что позволяет визуализировать миллиарды цветов и при этом видеть изображения с максимальной отдачей и реалистичностью. Особенно это поможет фотографам и специалистам по цветокоррекции и композитингу. Ведь передать цвета в том виде, в каком они требуются, очень сложно, и ранее это было доступно только посредством специальных дополнительных устройств и оборудования. Правда, для этого необходимы также профессиональные дисплеи, способные отображать изображение высокого качества.

Технологии Mental ray, Reality server  — разработки компании Mental Images. Визуализатор Mental ray уже давно предоставляет  возможности по визуализации с помощью графических процессоров и OpenGL, а сейчас они расширены еще больше. Технология Reality server предназначена для удаленной визуализации и больше ориентирована на визуализацию для веб-приложений, то есть, отправив модель на сервер, где применяются Reality server и графический ускоритель NVIDIA Quadro, можно сразу же получить результат визуализации. Для создания шейдеров здесь используется приложение Mental Mill, а сами шейдеры компилируются на языке CgFX или HLSL, а также на C++ (для последующего применения в Mental ray).

Революционная архитектура CUDA . Нельзя обойти вниманием и поддержку интерфейсов CUDA и OpenCL, которые позволяют применять возможности графического процессора для вычислений общего назначения. На данный момент архитектура CUDA и приложения, использующие поддержку этой технологии, активно развиваются, что позволяет выполнять расчеты и визуализацию с помощью графического процессора как дополнительного процессора или основной системы визуализации. Благодаря массивно-параллельной архитектуре графический процессор способен выполнять в несколько десятков раз больше операций в расчетах по сравнению с центральным процессором (в расчетах с одинарной точностью).

С помощью CUDA графические видеокарты NVIDIA могут быть применены в самых разных расчетах и для решения широкого спектра задач. При этом производительность во многих расчетах повышается в несколько десятков раз. Это, конечно, впечатляет, если не одно маленькое ограничение — математика. Сами принципы программирования основываются на применении возможностей CPU. Поэтому никак не обойтись без расчетов центральным процессором. Но NVIIDIA CUDA позволяет создавать алгоритмы, которые используют центральный и графический процессоры, в этом случае графический процессор используется как сопроцессор, хотя тот факт, что сопроцессор выдает мощность больше, чем центральный процессор, впечатляет.

Инновационные технологии NVIDIA CUDA уже получили распространение за рубежом и применяются в таких областях, как медицина, молекулярная динамика, кодирование видео, аэрофизика, финансовые симуляции, вычисления линейной алгебры, квантовая химия, расшифровка генов и многое другое.

Вот некоторые отличительные особенности архитектуры CUDA:

• использование стандартных языков — C, C++, Fortran;
• поддержка интерфейсов OpenCL и DirectCompute;
• работа во всех современных операционных системах, таких как Microsoft Windows, Apple Mac OS и Linux.

Графические процессоры NVIDIA Quadro совместно с технологией NVIDIA CUDA могут применяться для расчета трассировки лучей (Raytracing), физических симуляций и многого другого. Однако стоит отметить, что трассировку лучей все равно не получается рассчитывать так быстро, как хотелось бы, особенно это заметно на приложениях, которые уже созданы с применением NVIDIA CUDA. А вот расчет физики с использованием этой технологии и графических адаптеров NVIDIA Quadro выполняется во много раз быстрее.

Технология SLI Mosaic Mode  — основанная на драйвере Quadro система управления отображением на огромных дисплеях, поддерживающих разрешение до 4   k. Благодаря масштабируемости таких систем, то есть возможности объединения в один кластер нескольких Quadro Plex, можно расширять масштабы изображений — от 4 k на одном дисплее или проекционном экране до отображения сразу на нескольких дисплеях с разрешением 4 k изображения в разрешении до 8  k (на восьми дисплеях). Это особенно полезно, когда требуется рассмотреть множество деталей в создаваемой модели. К примеру, это может быть сейсмологическая модель, медицинская визуализация небольших участков с максимальной детализацией или презентация в большом зале, когда требуется обеспечить высокое качество изображения, не потеряв ни единой детали. Главной особенностью этой технологии является то, что ОС воспринимает все дисплеи как один экран с большим (суммарным) разрешением, что позволяет запускать любое приложение «во всю стену» — у программы это проблем не вызовет.

Также стоит отметить, что все видеокарты профессиональной серии поддерживают широко известные стандарты Shader Model 4.0, OpenGL3.0, Microsoft DirectX10 и FSAA.

Безусловно, рассмотрение технологических достоинств профессиональной серии NVIDIA Quadro — это хорошо, но давайте обратим внимание и на сами видеоадаптеры, любезно предоставленные представительством компании PNY Technologies в России.

Видеокарты серии NVIDIA Quadro

PNY Quadro FX380 и PNY Quadro FX580

Модели Quadro FX380 и Quadro FX580 относятся к видеокартам начального уровня. Они имеют приемлемую цену для домашних пользователей, которые профессионально занимаются 3D-графикой.

По своим характеристикам эти видеокарты очень похожи. Обе они были выпущены на рынок в этом году и представляют собой решения на базе последних графических процессоров компании NVIDIA Quadro. Данные видеокарты ориентированы на компьютерных художников и дизайнеров, которые с их помощью смогут создавать качественные трехмерные проекты на профессиональной платформе. Графические карты NVIDIA Quadro FX380 и NVIDIA Quadro FX580 от компании PNY полностью соответствуют стандартам EnergyStar, отличаясь экономным расходом электроэнергии. По сравнению с обычными видеокартами они обеспечивают более высокую производительность и экономичность за счет автоматической настройки параметров дисплея, а также совместимость со всеми основными приложениями.

PNY Quadro FX380

PNY Quadro FX580

Видеокарта PNY Quadro FX380 имеет однослотовое исполнение, то есть занимает один разъем в корпусе компьютера. На задней стенке расположены два разъема DVI-I с поддержкой режима Dual-Link. В качестве системы охлаждения используется алюминиевый радиатор с управляемым 4-контактным 60-миллиметровым вентилятором. Кулер видеокарты охлаждает только сам видеопроцессор, чипы памяти производства компании Hynix системы охлаждения не имеют.

По заявлению производителя графического процессора, видеокарты Quadro FX380 имеют на 50% больший прирост производительности в сравнении с предыдущей видеокартой Quadro FX370.

Видеокарта PNY Quadro FX580 также выполнена в однослотовом исполнении. На задней плашке видеокарты расположены один разъем DVI-I и два разъема DisplayPort. Кабели DisplayPort идут в комплекте с видеокартой. Отметим, что DisplayPort — новый стандарт сигнального интерфейса для цифровых дисплеев. Он предлагает в качестве наиболее современного интерфейса соединения аудио- и видеоаппаратуры, в первую очередь для соединения компьютера с дисплеем или компьютера и систем домашнего кинотеатра. Этот стандарт имеет вдвое большую пропускную способность, чем Dual-Link DVI, низкое напряжение питания и низкие посторонние наводки. Технология, реализованная в DisplayPort, позволяет передавать одновременно как графические, так и аудиосигналы. Основное его отличие от популярного ныне стандарта HDMI — более широкий канал для передачи данных (10,8 вместо 5 Гбит/с), что обеспечивает поддержку более высоких разрешений. При этом максимальная длина кабеля DisplayPort в три раза больше, чем у HDMI, и может достигать 15 м. Вместо HDCP, защиты от копирования, используемой в стандарте HDMI, здесь применяется новая технология DPCP (DisplayPort Content Protection) с 128-битным шифрованием.

Система охлаждения в этой модели построена на базе одного крупного алюминиевого радиатора и управляемого 4-контактного вентилятора. Система охлаждения охлаждает не только сам графический чип, но и микросхемы памяти.

Основное различие между двумя этими очень похожими видеокартами заключаются в том, что графический чип NVIDIA Quadro FX 580 имеет на 30% большую производительность, чем видеокарты на базе Quadro FX 380, а также поддерживает работу с 30-битным цветом. Обе видеокарты поддерживают архитектуру CUDA для вычислений на GPU и 128-битный интерфейс памяти. Младшая модель, PNY Quadro FX380, имеет в два раза меньший объем памяти стандарта GDDR3 — 256 Мбайт и меньшее количество ядер CUDA — 16.

Краткие технические характеристики видеокарт приведены в табл. 2.

Таблица 2. Технические характеристики видеокарт

Рекомендованная розничная цена младшей модели, PNY Quadro FX380, составляет в среднем 183 долл., а старшей PNY Quadro FX580 — 287 долл. Стоит еще раз отметить, что именно эти модели ориентированы на использование в домашних компьютерах начинающих художников.

PNY Quadro FX1800

Графическая карта NVIDIA Quadro FX1800 от компании PNY предназначена для работы с более мощными программными приложениями. Она относится к средней ценовой категории профессиональных видеокарт и пришла на смену успешной модели Quadro FX1700. Компания NVIDIA позиционирует ее как оптимальное решение для работы с программами SolidWorks и AutoCAD. Эта карта представляет собой решение нового поколения из самой востребованной серии среднего уровня и создана для ведущих производителей и проектирующих компаний. Данная модель отличается хорошим соотношением цены и производительности. Графическая карта NVIDIA Quadro FX1800 имеет архитектуру параллельных вычислений NVIDIA CUDA, поддерживает 30-битную глубину цвета и автоматическую настройку параметров дисплея, что дает возможность эффективно работать с рекомендуемыми приложениями. Графический процессор, установленный в этой видеокарте, имеет 64 ядра. По сравнению с бюджетной серией видеокарт эта модель имеет более широкую шину памяти — 192 бита и больший объем видеопамяти — 768  Мбайт.

PNY Quadro FX1800

Видеокарта PNY Quadro FX1800 имеет более мощную систему охлаждения, которая покрывает всю ее лицевую часть. Алюминиевый радиатор и управляемый вентилятор охлаждают как графический процессор, так и микросхемы памяти. На внешней панели эта видеокарта также имеет один двухканальный разъем DVI-I и два разъема DisplaPort. Она почти в два раза длинее, чем видеокарта PNY Quadro FX380.

По заявлению компании NVIDIA, видеокарты на базе графических процессоров Quadro FX1800 имеют 25-процентный прирост производительности по сравнению с видеокартами на базе графических процессоров Quadro FX580. Ориентировочная стоимость данной модели составляет 763 долл.

Технические характеристики этой модели приведены в табл.   2.

PNY Quadro FX3800

Совсем недавно видеокарты NVIDIA Quadro FX3800 от компании PNY были включены в список Fortune 1000. Эта модель ориентирована на профессионалов и относится к высокопроизводительным видеокартам. Она сильно отличается от трех других участников нашего обзора. Данная видеокарта поддерживает технологию SLI, что обеспечивает возможность установки сразу нескольких видеокарт на одном ПК и объединения их производительности. Профессионалы в области дизайна и видео смогут использовать все преимущества технологии NVIDIA SLI Multi OS, которая позволяет запускать несколько Windows- или Linux-приложений на одной платформе и обходиться без двойных систем. Также это одна из немногих профессиональных видеокарт, которая поддерживает технологию SDI. Отметим, что предыдущая видеокарта Quadro FX3700 не поддерживала данную технологию. Линейка видеокарт SDI — это серия интегрированных графических решений для захвата, обработки, смешивания, фильтрации и финальной выдачи всех SDI-форматов видео для профессионалов в сфере телевещания, видео и кинопроизводства. Стоит также отметить, что эта видеокарта поддерживает режим 3D Stereo, в отличии от более дешевых профессиональных графических адаптеров.

PNY Quadro FX3800

Система охлаждения, применяемая в этой модели, основана на большом алюминиевом радиаторе с 4-контактным управляемым вентилятором. Кулер охлаждает как графический процессор, так и чипы памяти. Поскольку эта модель имеет достаточно мощный графический процессор, ей необходимо дополнительное питание, разъем для которого выведен на боковой стороне корпуса видеокарты. Переходник для питания включен в комплект поставки. На лицевую панель выведены разъем DVI-I и два разъема DisplayPort. Разъемы SDI и SLI расположены на верхней части видеокарты. Для подключения устройств SDI в дополнение к видеокарте нужны платы SDI-input и SDI-output, которые подключаются через специальный разъем.

Данная модель обладает 192 графическими ядрами и внушительным объемом видеопамяти в 1 Гбайт. Также нельзя не отметить увлеченную шину обмена памяти в 256 бит, поддержку вычислений с повышенной точностью (FP64) и совместимость со стандартом IEEE-754.

Краткие технические характеристики видеокарты приведены в табл. 2.

Ориентировочная цена видеокарты PNY Quadro FX3800 составляет 1409 долл.

Заключение

В качестве заключения стоит отметить, что практически во всех моделях (начиная с Quadro FX580) используется новый стандарт DisplayPort, который может передавать еще более детальные и точные изображения. При этом поддержка 30-битного цвета очень важна для профессионалов, занимающихся графикой. Исключением здесь является самая младшая модель — NVIDIA Quadro FX380, которая не имеет поддержки 30-битного цвета и возможности выводить изображение на дисплей через стандарт DisplayPort.

Новое поколение профессиональных графических видеоадаптеров на базе NVIDIA Quadro дает пользователям все возможности по управлению и отображению создаваемых ими проектов и в работе, требующей больших вычислительных мощностей. Это качественный производительный инструмент для настоящих профессионалов.

Редакция благодарит представительство компании PNY Technologies в России за предоставленные для обзора видеокарты PNY NVIDIA Quadro FX380, PNY NVIDIA Quadro FX580, PNY NVIDIA Quadro FX1800 и PNY NVIDIA Quadro FX3800.

САПР и графика 8`2009