Новые профессиональные видеокарты NVIDIA Quadro на базе архитектуры Kepler

Компания NVIDIA, мировой лидер в производстве профессиональных дискретных графических ускорителей, в марте обновила свою линейку графических процессоров. В этой статье мы рассмотрим новые профессиональные решения NVIDIA на базе архитектуры Kepler для графических станций, предназначенные для работы с такими профессиональными 3D-приложениями, как 3ds Max, Maya, AutoCAD, Inventor, SolidWorks, Pro/ENGINEER, NX, Catia, Lightwave 3D, КОМПАС-3D, T-FLEX CAD и др. Для того чтобы оценить преимущества новой серии Quadro, мы сравним их с одной из самых высокопроизводительных игровых видеокарт GeForce GTX 680 и тремя видеокартами предыдущего поколения Quadro — Quadro 600, Quadro 2000 и Quadro 4000, а в качестве стенда будем использовать мощную рабочую станцию ARBYTE CADStation WS479.

В нашем журнале мы уже показывали преимущества использования профессиональных графических решений в современных графических станциях для работы с 3D­приложениями. Теперь мы рассмотрим преимущества новых видеокарт NVIDIA Quadro на базе архитектуры Kepler по сравнению с предыдущей серией Quadro, базирующейся на архитектуре Fermi. Со времени нашего прошлогоднего обзора решений Quadro основные принципы работы и возможности профессиональных графических ускорителей NVIDIA изменились незначительно, а вот их производительность существенно возросла. Увеличение производительности новых решений связано в первую очередь с переходом на новую архитектуру Kepler, а также с использованием нового, более тонкого технологического процесса 28 нм. Эти важные нововведения позволили существенно снизить энергопотребление процессоров и в то же время получить практически 50­процентный прирост производительности в ряде приложений. Видеокарты новой серии Quadro работают с геометрией гораздо быстрее по сравнению с решениями прошлого поколения, а также увеличивают в два раза скорость вычисления и визуализации за счет применения новой архитектуры потоковых мультипроцессоров SMX. Все профессиональные графические решения новой серии производятся по современному технологическому процессу 28 нм и поддерживают все инновационные технологии, включая DirectX 11, OpenCL 1.1, OpenGL 4.3, Shader Model 5.0, DirectCompute, NVIDIA 3D Vision Pro, NVIDIA Mosaic Technology, NVIDIA nView Desktop и NVIDIA PhysX. В них также используется хорошо зарекомендовавшая себя архитектура параллельных вычислений NVIDIA CUDA (версия CUDA 5), которая обеспечивает значительный прирост скорости вычислений при обработке массивно­параллельных данных. Необходимо отметить, что с момента анонса CUDA компания NVIDIA активно развивает не только саму аппаратную платформу, но и сопутствующие приложения. Кропотливая работа над инструментами разработчика, а именно: создание массы специализированных библиотек, наличие подробной документации, доступность типовых примеров решения задач с исходным кодом — всё это способствует быстрому продвижению этой необычной платформы, росту числа разработчиков из самых различных областей, а также продвижению вычислений на графических процессорах в целом. Теперь, несмотря на весь первоначальный скепсис в отношении вычислений на графических процессорах, не возникает сомнений, что для определенного круга задач повышение производительности по сравнению с обычными центральными процессорами, может достигать значительных величин — до нескольких десятков раз. Основной конкурент — компания AMD с ее профессиональными видеокартами в этом отношении осталась далеко позади и в обозримом будущем не сможет противопоставить NVIDIA ничего конкурентоспособного. Компания NVIDIA, в свою очередь, активно продвигает CUDA — как для профессиональных видеокарт, так и для игровых домашних решений, что способствует быстрому обучению и разработке на этой платформе.

ARBYTE CADStation WS479

Нельзя не отметить основные нововведения в архитектуре Kepler в сравнении с Fermi. Эти архитектуры имеют много общего,  но Kepler отличается тремя важными составляющими, дающими ощутимый прирост производительности: SMX, Hyper­Q и Dynamic Parallelism.

Основной задачей компании NVIDIA в отношении Kepler стало достижение максимальной энергоэффективности графических процессоров, так как чипы Fermi были производительными и быстрыми, но в то же время весьма «прожорливыми» и горячими. Основываясь на наработках при проектировании Fermi, инженеры NVIDIA создали новую, весьма энергоэффективную архитектуру Kepler. Все исполнительные блоки нового графического процессора были полностью переработаны. Новое решение использует следующее поколение потоковых мультипроцессоров (Streaming Multiprocessor), которые теперь называются SMX, в отличие от SM в предыдущих чипах. Блоки SMX обеспечивают более высокую производительность, но при этом потребляют гораздо меньше энергии, чем предшественники. Каждый блок SMX включает 192 потоковых вычислительных ядра, что в шесть раз больше, чем в блоках SM у чипов на базе Fermi. Так что теперь самые мощные видеокарты Kepler оборудованы восемью SMX­блоками с 1536 ядрами вместо 16 SM с 512 ядрами для Fermi, что в конечном счете обеспечивает рост производительности примерно в три раза на единицу потребляемой мощности. Значительный рост производительности связан также и с новым контроллером памяти, который позволил увеличить рабочие частоты графической памяти — в полтора раза для высокопроизводительных решений, а также дал возможность получить более высокую пропускную способность памяти даже для решений среднего ценового диапазона.

Помимо явных улучшений в самой архитектуре потоковых процессоров и подсистеме памяти, в графических процессорах Kepler появилась возможность одновременного выполнения нескольких задач, посланных с разных ядер центрального процессора, — технология Hyper­Q. Для архитектуры Fermi использовалась лишь одна аппаратная очередь задач. Поэтому, несмотря на то что пользователь мог направить несколько задач к одной видеокарте из разных процессов или ядер процессора и запустить несколько задач одновременно, их исполнение всегда происходило последовательно. В некоторых случаях такой подход был неэффективен, так как если исполняемая задача загружала ресурсы GPU не полностью, то остальная мощность не использовалась, хотя присутствовали и другие задачи, ожидающие своей очереди. В архитектуре Kepler технология Hyper­Q позволила избавиться от этой проблемы, а аппаратная поддержка до 32 одновременных очередей исполнения способна полностью реализовать запросы пользователей. Таким образом, даже если одна из задач использует ресурсы GPU не полностью, то GPU запускает на исполнение задачу из другой аппаратной очереди, что позволяет более эффективно использовать мощность графического процессора и избежать простоев большого количества не слишком требовательных к ресурсам задач.

Кроме того, в новой архитектуре Kepler применяется технология распараллеливания процессов под названием Dynamic Parallelism. С ее помощью программисты и разработчики алгоритмов могут создавать вычислительные потоки рекурсивно, внутри ранее созданных, без передачи управления обратно на центральный процессор по завершению задачи. Такой подход значительно сокращает время разработки и проектирования алгоритмов и существенно уменьшает накладные расходы в виде постоянного обращения к центральному процессору по завершению потока и последующему созданию нового.

Новые решения на базе архитектуры Kepler поддерживают эксклюзивные технологии сглаживания NVIDIA FXAA и NVIDIA TXAA, новую технологию, обеспечивающую кинематографическое качество картинки и реалистичность изображения в 3D­сценах. Также стоит отметить возможность подключения до четырех мониторов к одной  видеокарте, что расширяет рабочее пространство для более продуктивной работы и позволяет быстро разворачивать видеостены и разнообразные конфигурации для создания атмосферы погружения. Продуктивность работы повышается также путем настройки управления окнами, виртуальными рабочими столами и приложениями при работе с несколькими экранами с помощью программного обеспечения для управления рабочим столом NVIDIA NVIEW. Пользователи новых видеокарт Quadro могут работать с каждым монитором независимо или объединять до 16 дисплеев с помощью технологии NVIDIA Mosaic в единое пространство, чтобы увеличить разрешение и сконфигурировать дисплеи в любом геометрическом порядке.

В рамках одной рабочей станции новые продукты Quadro можно объединять со специализированными графическими картами NVIDIA Tesla K20 — технология NVIDIA Maximus. Дизайнеры и инженеры могут выполнять компьютерное проектирование, рендеринг, структурный анализ или гидрогазодинимические расчеты  одновременно на одной и той же системе без ушерба для выполняемых задач. Как и предыдущее поколение, новые Quadro на Kepler  поддерживают 30­битную глубину цвета, что позволяет выводить миллиард цветовых оттенков для обеспечения идентичности изображения объектов на экране реальной жизни.

Напомним, что главным отличием профессиональных видеокарт от игровых является оптимизация их производительности для работы в профессиональных приложениях. На данный момент компанией NVIDIA разработано большое количество различных профилей (более 150), ускоряющих работу в наиболее популярных программных пакетах для инженеров, дизайнеров и аниматоров: 3ds Max, Maya, AutoCAD, SolidWorks,  Lightwave 3D, КОМПАС­3D и др.

Методика тестирования

Для того чтобы наглядно показать преимущества нового поколения графических процессоров Quadro, мы использовали специальный набор тестов SPEC Viewperf 11, созданный организацией SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation; www.spec.org) и основанный на профессиональных приложениях 3D­моделирования и трехмерной графики.

Особенность данного тестового пакета заключается в том, что он представляет собой сборник тестов из восьми самых распространенных профессиональных приложений для 3D­моделирования. Это программное обеспечение было специально разработано для вычисления производительности видеоподсистемы компьютера под управлением API OpenGL. Данный тест постоянно совершенствуется, в отличие, например, от отдельных тестовых пакетов SPEC для приложений 3D­моделирования, которые никогда не обновляются. Тестовый пакет SPEC Viewperf 11 включает восемь графических подтестов (Viewset):

• CATIA (catia­03);
• EnSight (ensight­04);
• Lightwave 3D (lightwave­01);
• Maya (maya­03);
• Pro/ENGINEER (proe­05);
• SolidWorks (sw­02);
• Siemens Teamcenter Visualization Mockup (tcvis­02);
• Siemens NX (snx­01).

Все эти тесты состоят из множества подтестов, результат по каждому из которых измеряется в количестве воспроизведенных кадров в секунду (frames per second, fps). Для получения итогового результата каждому подтесту присваивается определенный коэффициент. Итоговый результат определяется как среднегеометрическое с учетом весовых коэффициентов. Мы не будем подробно описывать каждый подтест. Отметим лишь, что из последней версии SPECViewperf был удален скрипт для пакета 3D Studio Max от компании Autodesk. Тем не менее количество тестов не изменилось, поскольку был добавлен тестовый скрипт для программного пакета Lightwave 3D. В остальном же тесты претерпели качественные изменения по оптимизации работы с новыми операционными системами и графическими адаптерами. Отметим, что при тестировании тест SPECviewperf 11 запускался с двумя наиболее активно используемыми разрешениями — 1600x1200 и 1920x1080.

Тестирование

Для тестирования был использован стенд на базе высокопроизводительной станции ARBYTE CADStation WS479, которая базируется на топовых процессорах Intel с архитектурой Sandy Bridge­E. Высокая производительность процессоров и большой объем оперативной памяти позволяют успешно применять ее как для работы со сложными трехмерными моделями и сборками уровня «изделие в целом», так и для инженерных расчетов начального уровня. Ключевой особенностью этой графической станции является поддержка технологии Maximus от NVIDIA, что позволяет значительно сократить время подготовки фотореалистичных изображений, наложения видеоэффектов или инженерных расчетов с помощью вычислительных возможностей карт NVIDIA Tesla. Отметим, что графическая станция также комплектуется 3D­манипулятором для удобной работы с приложениями. В нашем случае ARBYTE CADStation WS479 имела следующую конфигурацию:

• процессор — Intel Core i7 3820 (тактовая частота 3,6 ГГц, режим Turbo Boost активирован);
• системная плата — Asus P9X79 WS;
• чипсет системной платы — Intel X79 Express;
• память — DDR3­1600 (Samsung PC12800);
• объем памяти — 16 Гбайт (четыре модуля по 4 Гбайт);
• режим работы памяти — DDR3­1600, четырехканальный режим;
• системный диск — SATA3 WD3000HLHX (10 тыс. об/мин) объемом 300 Гбайт.
• дополнительный диск — SATA3 Hitachi HUA723020ALA640 объемом 2 Тбайт.

При тестировании применялась операционная система Microsoft Windows 7 Профессиональная 64 bit (версия 6.1.7601), оснащенная Service Pack 1. Монитор подключался к установленной видеокарте через цифровой вход DVI. Разрешение рабочего стола для этого монитора составляло 1920x1200 точек. При тестировании использовался последний на тот момент видеодрайвер для профессиональной серии видеокарт — NVIDIA Quadro. Было протестировано три профессиональных графических решения нового поколения, направленных на различные сегменты рынка — Quadro K600, Quadro K2000 и Quadro K4000. Для наглядности результатов были протестированы еще три профессиональные видеокарты: Quadro 600, Quadro 2000 и Quadro 4000 прошлого поколения, а также мощная игровая видеокарта — GeForce GTX 680. Таким образом, мы получили возможность оценить прирост производительности нового поколения по сравнению с предыдущим, а также возможность сравнить производительность профессиональных и игровых видеокарт высшего ценового диапазона. Сначала на тестовый стенд была установлена операционная система и необходимые драйверы для устройств, а затем — пакет SPECViewperf. Отметим, что поскольку разницы в результатах тестов при различном разрешении практически не наблюдается, мы приводим результаты только для теста с разрешением 1920x1080. В случае разрешения 1600x1200 значения практически линейно увеличиваются для всех тестируемых видеокарт. Результаты тестирования приведены в виде сравнительных диаграмм для каждого из подтестов (рис. 1­8).

Рис. 1. Результат сценария CATIA (catia-03)

Рис. 2. Результат сценария EnSight (ensight-04

Рис. 3. Результат сценария Lightwave 3D (lightwave-01)

Рис. 4. Результат сценария Maya (maya-03)

Рис. 5. Результат сценария Pro/ENGINEER (proe-05)

Рис. 6. Результат сценария SolidWorks (sw-02)

Рис. 7. Результат сценария Siemens Teamcenter Visualization Mockup (tcvis-02)

Рис. 8. Результат сценария Siemens NX (snx-01)

Технические характеристики видеокарт

Участники тестирования

Видеокарта Quadro K600

Данная видеокарта относится к профессиональным графическим картам начального уровня. Новый процессор начального уровня Quadro K600 — это низкопрофильное решение, которое обеспечивает лучший в индустрии баланс производительности и потребления энергии в таких приложениях, как Autodesk AutoCAD 2011, КОМПАС­3D, T­FLEX CAD, и позволяет профессиональным дизайнерам эффективно работать со вдвое более сложными и объемными моделями по сравнению с решениями предыдущего поколения. Эта видеокарта была выпущена на рынок недавно и представляет собой решение на базе последних графических процессоров компании NVIDIA с архитектурой Kepler. Графическая карта NVIDIA Quadro K600 соответствует стандартам EnergyStar и обеспечивает экономный расход электроэнергии. Данная модель, как и все видеокарты на архитектуре Fermi/Kepler, может воспроизводить 30­битные цвета. Ее основные технические характеристики приведены в таблице. Ориентировочная цена модели производства компании PNY (официальный поставщик решений Quadro для России) составляет 8 тыс. руб.

По сравнению с обычными игровыми видеокартами эта модель обеспечивает более высокую производительность и экономичность за счет совместимости со всеми основными 3D­приложениями. Как видно из результатов тестирования, даже эта недорогая модель успешно обгоняет такого монстра, как GeForce GTX 680, во всех тестах, кроме одного. При этом производительность, выраженная среднегеометрическим результатом, в некоторых тестах различается более чем в 14 раз. Поэтому стоит еще раз отметить, что все игровые видеокарты, независимо от их цены, не позволяют достичь приемлемой производительности в профессиональных приложениях 3D­моделирования. Более того, по сравнению с предыдущим решением на основе архитектуры Fermi, данная модель показывает прирост в производительности до 40% в некоторых тестах.  Если учитывать, что энергопотребление моделей Quadro 600 и Quadro K600 одинаковое, то NVIDIA добилась значительных успехов по увеличению производительности на ватт даже для самых младших профессиональных видеокарт.

Видеокарта Quadro K2000

Графическая карта NVIDIA Quadro K2000 предназначена для работы с более требовательными программными комплексами. Компания NVIDIA позиционирует ее как оптимальное решение для работы с программами SolidWorks и сложными проектами в AutoCAD и КОМПАС­3D. Данная модель отличается сбалансированным соотношением «цена/производительность» и является самой популярной видеокартой среднего уровня. Увеличение количества ядер CUDA в два раза по сравнению с прошлой моделью Quadro 2000 дает ощутимый прирост производительности во всех без исключения приложениях. Графическая карта NVIDIA Quadro K2000 имеет автоматическую настройку параметров дисплея, что дает возможность эффективно работать с рекомендуемыми приложениями. Технические характеристики модели приведены в таблице. Отметим, что большой объем памяти этой видеокарты современного стандарта GDDR5 с высокой пропускной способностью позволяет визуализировать огромные модели и сложные сцены, а также производить вычисления с применением больших наборов данных. Существуют две модификации графического процессора NVIDIA Quadro K2000: K2000 и K2000D. Они различаются только набором интерфейсов для подключения мониторов, в остальном видеокарты K2000 и K2000D одинаковы. Ориентировочная цена профессиональной видеокарты PNY Quadro K2000 составляет 18 тыс. руб.

Нельзя обойти вниманием и некоторые интересные технологии, применяемые в этой модели. Она поддерживает настоящую иерархию кэш­памяти (Parallel DataCache), которая за счет объединения с разделяемой памятью на чипе обеспечивает повышенную пропускную способность и ускоряет часто используемые функции, такие как трассировка лучей в реальном времени, обработка физики и фильтрация текстур. Функция Hardware 3D Window Clipping — это аппаратно ускоренные области отсечения (механизм передачи данных между окном и буфером кадров), повышающие общую визуальную производительность за счет увеличения скорости передачи между буфером цветов и буфером кадров. Алгоритм сглаживания до 64x FSAA и эксклюзивные NVIDIA FXAA и NVIDIA TXAA заметно снижают эффект зубчатости и неровности изображения. Подобная технология доступна в профессиональных видеокартах на базе Fermi и Kepler. Механизмы тесселяции (Shader Model 5.0) самостоятельно генерируют геометрию, обеспечивая кинематографическое качество окружению и сценам без ущерба для производительности. Увеличение производительности и возможностей приложения также достигается благодаря оптимизированным программным модулям, включая SceniX и OptiX. Напомним, что движок NVIDIA SceniX — это интерактивный ускоритель для множества современных профессиональных приложений, работающих с 3D­графикой в режиме реального времени. Optix Ray tracing engine делает приложения более реалистичными, увеличивая скорости трассировки лучей на профессиональных графических решениях NVIDIA Quadro.

Результаты тестирования показывают, что Quadro K2000 в разы превосходит самую мощную сегодня игровую видеокарту GeForce GTX 680 по всем тестам, а также имеет гораздо большую производительность, чем решение начального уровня — Quadro K600. При активной работе эта модель практически бесшумна благодаря продуманной системе охлаждения, основанной на алюминиевом радиаторе и управляемом 4­контактном вентиляторе.

Видеокарта Quadro K4000

Видеокарты Quadro K4000 — это первое профессиональное графическое решение в своем классе, объединяющее высокопроизводительные вычисления и улучшенную визуализацию, которое преобразует современный призводственный процесс. Обеспечивая в пять раз более высокую производительность по сравнению с решениями начального уровня, графический адаптер Quadro K4000 позволяет достичь лучших результатов с широким спектром приложений для создания дизайна, анимации и работы с видеоконтентом. Эта модель ориентирована на профессионалов и относится к высокопроизводительным решениям. Quadro K4000 разительно отличается от двух описанных выше участников нашего тестирования. Она поддерживает технологию SLI, благодаря чему появляется возможность установки сразу нескольких видеокарт на одном ПК, а это, в свою очередь, позволяет добиться еще большей производительности в 3D­расчетах. Это одна из немногих профессиональных видеокарт, поддерживающих технологию SDI (Serial Digital Interface). Линейка видеокарт SDI — это серия интегрированных графических решений для захвата, обработки, смешивания, фильтрации и финальной выдачи всех SDI­форматов видео для профессионалов в сфере телевещания, видео­ и кинопроизводства.

Новая модель Quadro K4000 имеет однослотовый дизайн и оснащена мощной системой охлаждения, которая построена на базе алюминиевого радиатора с массивным медным основанием, плотно прилегающим к графическому чипу, микросхемам памяти и блокам регулирования напряжения VRM. Обратная сторона также имеет специальную пластину, покрывающую чипы памяти, которая рассеивает тепло. Поскольку данная модель обладает большей производительностью, она требует подключения дополнительного питания в виде стандартного 6­контактного разъема PCI­E. Выброс горячего воздуха производится за пределы корпуса рабочей станции через отверстия в передней панели, находящиеся рядом с интерфейсами подключения мониторов. Рекомендованная цена для России — 33 900 руб.

Выводы

Профессиональные графические видеокарты серии Quadro, основанные на новейшей архитектуре Kepler, несмотря на схожесть архитектуры с предыдущим поколением сделали заметный рывок в производительности. По результатам тестирования можно сказать, что различие в профессиональных видеокартах прошлого и нынешнего поколений весьма существенно: производительность Quadro K2000 аналогична модели Quadro 4000 в некоторых тестах, в то время как Quadro K4000 оставляет предыдущее поколение далеко позади. Увеличение количества ядер CUDA, которые обеспечивают несомненный прирост производительности в сочетании с применением новейших технологий, свидетельствует о том, что новые решения наверняка будут замечены профессионалами. При этом увеличение производительности отражается во всех подтестах тестового пакета SPECviewperf 11. И если различия между видеокартами нижнего ценового диапазона Quadro 600 и Quadro K600 не столь заметны, то у видеокарт Quadro K2000 и Quadro K4000 прирост производительности весьма ощутим. Отдельно стоит отметить возросшую производительность решений Quadro K4000 и Quadro K2000 в сценарии Maya (maya­03) по сравнению с предыдущим поколением Quadro 4000 и Quadro 2000. В этом тесте видеокарта Quadro K2000 обошла по производительности даже версию Quadro 4000.

Все профессиональные решения Quadro спроектированы, собраны и обеспечены поддержкой компании NVIDIA в соответствии с самыми высокими стандартами качества, что гарантирует ведущую в отрасли производительность, большие возможности и надежность. Гарантия на профессиональные видеокарты NVIDIA Quadro от компании PNY Technologies составляет три года, что позволяет использовать их продолжительное время без всяких проблем. В дорогих профессиональных видеокартах Quadro K5000 и выше, в отличие от игровых решений, применяется нестандартная видеопамять с автоматической коррекцией ошибок ECC. Отметим, что функция ECC задействована в основном в оперативной памяти для серверов, что гарантирует высокое качество профессиональных видеокарт и возможность их использования для высокопроизводительных вычислений. Наше тестирование также подтвердило, что ни одна современная игровая видеокарта не позволяет получить в современных приложениях 3D­моделирования и САПР производительность, сопоставимую с производительностью даже бюджетной видеокарты серии Quadro.

Редакция благодарит представительство компании NVIDIA в России и компанию Arbyte за предоставленные для тестирования видеокарты NVIDIA Quadro и графическую станцию ARBYTE CADStation.

САПР и графика 5`2013