NVIDIA SLI: теория и практика использования технологии

Экстенсивность и интенсивность – вот два ключевых понятия развития прогресса человечества. Экстенсивный и интенсивный пути развития общества, технологий, да и всего человечества в целом сменяли друг друга на протяжении многих веков.       Примеров тому много во всех сферах хозяйственной деятельности. Но земледелие и скотоводство нас сегодня не интересуют, нас интересуют информационные технологии и компьютеры. Для примера, кратко рассмотрим развитие центральных процессоров.

Не будем углубляться в далекие 80-90-е, начнем сразу с Pentium 4. После продолжительного интенсивного развития технологии NetBurst, наращивания «стероидных» мегагерц, индустрия уперлась в стену – дальше «разгонять» одноядерные процессоры оказалось очень сложно и, что бы получить еще более мощный процессор, необходимы большие затраты. И тогда появились двухъядерные процессоры – экстенсивное решение проблемы. Вскоре и они перестали обеспечивать нужную производительность, и появляется новая архитектура Core, которая при меньших тактовых частотах дает большую производительность – интенсивное решение проблемы. И так будет продолжаться далее.

А что же происходит с развитием второго компонента, немаловажного для любителя зрелищных игр на ПК – видеокартой? А происходит тоже самое, что и с процессорами. На данном этапе развития, одночиповые видеокарты уже не могут обеспечить требуемую производительность. Поэтому обе лидирующие компании рынка видеокарт (NVIDIA и AMD) разрабатывают и активно внедряют собственные технологии увеличение производительности видеосистемы путем объединения двух, трех, и даже четырех видеокарт в одном ПК. В данной статье мы рассмотрим первую компанию (так как именно она представила свою разработку первой) NVIDIA и ее технологию SLI.

Что такое технология SLI?

Технология NVIDIA SLI - это революционный подход к масштабированию графической производительности путем объединения нескольких видеокарт NVIDIA в одной системе.

История

В 1998 году компания 3dfx представила графический процессор Voodoo2, среди прочих нововведений которого была технология SLI (англ. Scan Line Interleave - чередование строчек), которая предполагала совместную работу двух чипов Voodoo2 над формированием изображения. С технологией SLI могли работать даже карты различных производителей, а также карты с разным объёмом памяти. SLI-система позволяла работать с разрешением до 1024x768, что в то время казалось невероятным. Недостатками SLI от 3dfx были высокая стоимость ускорителей ($600) и большое тепловыделение. Однако вскоре видеокарты переходят с шины PCI на более быстрый выделенный графический AGP-порт. Так как на материнских платах этот порт был только один, то выпуск видеокарт с поддержкой SLI на время прекратился.

В 2000 году с выпуском нового чипа VSA-100 3dfx удалось реализовать SLI на AGP, но на этот раз в рамках одной платы, на которой размещались два или четыре таких чипа.

Однако платы на базе SLI-системы обладали большим энергопотреблением и выходили из строя из-за проблем с электропитанием. На весь мир плат Voodoo5 6000 было продано около 200 штук, причем реально рабочими из них оказались лишь 100. Столь неудачное продвижение многообещающего ускорителя, в который были вложены очень большие средства, привели фактически к банкротству компании. В 2001 году NVIDIA покупает 3dfx за 110 млн. долларов.

В 2004 году с выходом первых решений на базе новой шины PCI Express NVIDIA объявляет о поддержке в своих продуктах технологии мультичиповой обработки данных SLI, которая расшифровывается уже по-другому - Scalable Link Interface (масштабируемый интерфейс).

Поначалу продвижение технологии SLI шло не очень гладко, в первую очередь из-за постоянно выявляемых недоработок в драйверах, а также из-за необходимости «затачивать» их под каждое конкретное приложение, а иначе игрок не получал никакой пользы от покупки пары ускорителей. Но сменялись поколения ускорителей, дорабатывались драйвера, расширялся список поддерживаемых игр. И вот, в конце 2007 года была введена в эксплуатацию технология Triple SLI, позволяющая объединять в связке 3 видеокарты NVIDIA:

Производитель обещает прирост производительности до 250% по сравнению с одиночным чипом. Но и это не стало пределом, сейчас на очереди уже Quad SLI, позволяющая заставить работать над визуализацией игровой сцены уже 4 GPU, правда, в составе пары двухчиповых видеокарт.

Алгоритмы построения изображений

Split Frame Rendering

Схема алгоритма Split Frame Rendering

Это часто используемый режим, когда изображение разбивается на несколько частей, количество которых соответствует количеству видеокарт в связке. Каждая часть изображения обрабатывается одной видеокартой полностью, включая геометрическую и пиксельную составляющие. (Аналог в CrossFire - алгоритм Scissor)

Алгоритм Split Frame Rendering легко масштабируется на 3, 4, а в будущем, возможно, и на большее чило графических процессоров.

Alternate Frame Rendering

Схема алгоритма Alternate Frame Rendering

Обработка кадров происходит поочередно: одна видеокарта обрабатывает только четные кадры, а вторая - только нечетные. Однако у этого алгоритма есть недостаток. Дело в том, что один кадр может быть простым, а другой сложным для обработки. К тому же этот алгоритм, запатентован ATI во время выпуска двухчиповой видеокарты.

В технологии Quad SLI используется и гибридный режим, который объединяет в себе SFR и AFR.

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

Данный алгоритм нацелен на повышение качества изображения. Одна и та же картинка генерируется на всех видеокартах с разными шаблонами сглаживания. Видеокарта производит сглаживание кадра с некоторым шагом относительно изображения другой видеокарты. Затем полученные изображения смешиваются и выводятся. Таким образом, достигается максимальные четкость и детализация изображения. Доступны следующие режимы сглаживания: 8x, 10x, 12x, 14x, 16x и 32x. (Аналог в CrossFire - SuperAA)

Принципы построения

Для построения компьютера на основе SLI необходимо иметь:

• материнскую плату с двумя и более разъемами PCI Express, поддерживающую технологию SLI (как правило, в названии материнской платы присутствует слово SLI).
• Достаточно мощный блок питания (обычно рекомендуется от 550 Вт);
• видеокарты GeForce 6/7/8/9/GTX или Quadro FX с шиной PCI Express;
• мост, объединяющий видеокарты.

При этом отметим, что поддержка чипсетов для работы со SLI осуществляется программно, а не аппаратно. Но видеокарты должны принадлежать к одному классу, при этом версия BIOS плат и их производитель значения не имеют.

На данный момент, технология SLI поддерживается следующими операционными 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 можно организовать двумя способами:

• С помощью специального мостика;
• Программным путем.

В последнем случае нагрузка на шину PCIe возрастает, что плохо сказывается на производительности, поэтому широкого распространения этот способ не получил. Такой режим может быть использован только с относительно слабыми ускорителями.

Если мост SLI не установлен, то драйвер выдаёт предупреждение, что режим SLI будет работать не в полную силу.

Например, вот так может выглядеть специальный мостик для соединения видеокарт, если он выполнен на текстолите. Кроме того сейчас получили распространение и гибкие мосты, как более дешевые в производстве. Но для активации технологии 3-Way SLI используется пока только жесткий специальный мост, который фактически вмещает в себя три обычных в «кольцевом» режиме.

Как было сказано выше, популяризируется и система Quad SLI. Она предполагает объединение в единую систему двух двухчиповых плат. Таким образом, получается, что в построении изображения участвуют 4 чипа, однако это пока удел заядлых энтузиастов и для обычных пользователей практического значения не имеет.

Для простого пользователя важно другое, то, ради чего собственно и задумывалась данная технология. Покупая материнскую плату с поддержкой SLI, вы делаете хороший задел для модернизации ПК в будущем, так как она предоставляет возможность добавления еще одной видеокарты. Никакой другой способ «апгрейда», кроме полной смены системы, даже близко не дает тот прирост игровой производительности, который обеспечивает вторая видеокарта.

Выглядит это приблизительно так. Вы покупаете хороший ПК с хорошей современной видеокартой. Спокойно играете в современные игры, но через год-полтора ваша система уже не может удовлетворить Вас качеством изображения и скоростью в последних играх. Тогда Вы вместо замены старой видеокарты (или даже всего ПК) просто добавляете еще одну и получаете почти удвоенную мощность видеосистемы.

Однако, так просто звучит все в теории. А вот на практике пользователю придется столкнуться с множеством трудностей.

Первая – это сами игры и приложения. От страшного слова «оптимизация» никто еще не придумал лекарства – да, не только драйверы, но и игры должны быть оптимизированы для технологии SLI, чтобы корректно с ней работать. NVIDIA заявляет, что технология SLI поддерживает «самый длинный список игр». Если интересующей вас игры нет в списке, компания предлагает создать собственный профиль настроек для нее.

К сожалению, все еще остается очень много игр, не совместимых с SLI, и создание профиля никак это не исправляет. Выход один – ждать патчей от разработчиков игр и новых драйверов от компании NVIDIA. Однако к этим играм относятся в основном старые, с которыми без проблем справляется и одиночная современная видеокарта, или мало популярные, которые подавляющему большинству игроков не интересны вследствие плохой «играбельности». А вот новые мощные игры уже заранее предусматривают использование двух видеокарт. К примеру, в игре Call of Duty 4 в разделе настроек графики есть вполне конкретный переключатель.

О включении функции SLI Вы можете узнать по специальным индикаторам прямо в игре, при соответствующей «тестовой» настройке драйвера.

Если на экране монитора Вы видите горизонтальные или вертикальные зеленые полосы, это означает, что режим «Показывать визуальные индикаторы SLI» включен в панели управления NVIDIA Display. При включении этой опции можно увидеть, как распределяется графическая нагрузка на GPU, а названия SLI компонентов в Вашей системе будут изменены: SLI для двух GPU будет назван “SLI”, название 3-way NVIDIA SLI будет заменено на “SLI x3”, а Quad SLI будет назван “Quad SLI”. Для игр, при визуализации которых используется технология Alternate Frame Rendering (AFR), вертикальная зеленая полоса будет расти либо уменьшаться в зависимости от масштаба расширения. Для игр, при визуализации которых используется технология Split-Frame Rendering (SFR), горизонтальная зеленая полоса будет подниматься и опускаться, показывая, как распределяется нагрузка между всеми GPU. Если уровень детализации верхней и нижней половины экрана одинаков, то горизонтальная полоса будет находиться близко к середине. Для того чтобы включить или отключить эту возможность, просто откройте панель управления NVIDIA и выберите «Настройки 3D».

Второй распространенной проблемой вычислений несколькими графическими чипами является синхронизация последних. Как было сказано выше, метод рендеринга AFR имеет одну особенность: один кадр может быть простым, а другой сложным для обработки. При большой разности в сложности обработки кадра одна видеокарта может намного быстрей его обработать, чем вторая. Это приводит к «микролагам» – маленькие задержки изображения, как бы рывки, но при этом общее число FPS выглядит комфортным. Такой эффект появляется довольно редко, но вот как бороться с ним не знают даже разработчики. Для пользователя есть простой выход – в играх, где наблюдаются «микролаги» с методом AFR переходить на метод SFR, указав его в профиле игры.

В режиме SFR дисплей разбит на две части. Первая карта выдаёт верхнюю часть картинки, а вторая - нижнюю. Благодаря динамической балансировке нагрузки драйвер равномерно распределяет нагрузку между двумя картами.

Третья проблема – это процессор. Дело в том, что при использовании нескольких видеоадаптеров нагрузка на процессор возрастает не только за счет использования тяжелых графических режимов, но и за счет синхронизации видеочипов. Поэтому, для того, чтобы раскрыть весь потенциал связки из нескольких видеокарт вам потребуется мощный процессор. Хотя на сегодняшний день это уже не такой острый вопрос, как пару лет назад.

Дополнительные функции новой технологии

Новое поколение материнских плат и видеокарт с поддержкой SLI предоставляют пользователям намного больше функций, чем обычное ускорение трехмерной графики.

Hybrid SLI предусматривает более рациональное использование режима совместного использования графического ядра, встроенного в чипсет, и дискретной видеокарты.

Технология состоит из двух частей: GeForce Boost и HybridPower.

Первая будет задействована в приложениях, интенсивно работающих с 3D-графикой. С GeForce Boost часть расчетов трёхмерной сцены возьмет на себя ускоритель, интегрированный в набор системной логики, что даст заметную прибавку в производительности тем системам, где установлен не самый быстрый дискретный адаптер, например GeForce 8500 GT или GeForce 8400 GS.

HybridPower же, напротив, позволит использовать встроенную графику, отключая внешний ускоритель, когда пользователь работает в интернет, офисных приложениях или смотрит видео. Наибольшую выгоду, по словам NVIDIA, от данной технологии получат владельцы ноутбуков с выделенной видеокартой, время автономной работы которых заметно возрастет.

В настоящее время Hybrid SLI поддерживается: настольными GPU GeForce 8500 GT и GeForce 8400 GS для организации GeForce Boost; производительными GeForce GTX 280, GeForce 9800 GX2, GeForce GTX 260, GeForce 9800 GTX+, GeForce 9800 GTX и GeForce 9800 GT в режиме HybridPower; а также системными платами для процессоров AMD на nForce 780a, nForce 750a, nForce 730a (только функция GeForce Boost) со встроенным графическим ускорителем GeForce 8200.

Как видно, экономия электроэнергии может достигать впечатляющих значений.

Очень полезная функция и для оверклокеров, так как она кроме экономии электроэнергии позволяет основной видеокарте «отдохнуть» в момент простоя и продлить ее срок службы, особенно если используется экстремальный разгон.

Еще одной полезной дополнительной особенностью SLI-связки является возможность использования до 4-х мониторов одновременно.

Практическое применение

Мы уже неоднократно тестировали различные видеокарты в режиме SLI. Давайте попробуем немного обобщить полученную информацию.

В случае с видеокартой XpertVision GeForce 8800 GS 768MB Sonic мы получили эффективную работу режима SLI почти во всех играх, чего не скажешь о синтетических тестах. Прирост быстродействия был заметен везде и в среднем составляет от 20 до 60%. В тяжелых играх типа Crysis или Company of Heroes с высокими настройками графики прирост быстродействия составил вплоть до 90-100%.  

Более мощная видеокарта GIGABYTE GeForce 8800 GT 512Mb также показала отличные результаты по масштабированию производительности в режиме SLI. Почти во всех наших тестах технология проявила себя с лучшей стороны. Опять нечувствительны к ней оказались синтетические тесты, которые во многом ограничивал используемый процессор, но нас это никак не огорчает, ведь пользователю надо комфортно играть в игры, а не смотреть на «попугаи» в 3DMark. Прирост производительности в этом случае составил в среднем 20-60%, однако, в отличие от предыдущей видеокарты, он так и оставался на отметке 60% - отсутствовали резкие скачки производительности при переходе в очень тяжелые графические режимы.

Движемся далее. Рассмотрим тест еще более мощной видеокарты ASUS EN8800GTS/HTDP/512M/A. Ситуация, аналогичная предыдущей. Средний прирост составляет 20-60% и отсутствие всплесков.

А вот видеокарта NVIDIA GeForce9800 GX2, внутри которой собрана SLI-система, показала прирост производительности всего до 30% по сравнению со своим одночиповым аналогом.

Сказывается то, что она использует 1 разъем PCI-e и поэтому имеет вдвое меньшую пропускную способность для обмена данными с системой. Кроме того, для таких ускорителей все еще продолжается оптимизация драйверов.

3-Way SLI

Примером использования данного режима может быть наш обзор видеокарты GIGABYTE на NVIDIA GeForce 9800GTX 512 МБ.

Еще раз напомним, что по рекомендациям производителя, важным условием надёжной работы видеокарт будет правильное соединение переходников питания. Для подключения Molex-коннекторов необходимо использовать различные линии питания 12V, иначе блок питания может не выдержать нагрузки, что может привести к постоянным сбоям в работе или даже выходу его из строя.

Что касается результатов тестовых приложений, то они неоднозначные. В некоторых случаях прирост производительности действительно составляет обещанные 150-170%, однако таких приложений единицы (в случае нашего тестирование как раз одно). Средний же прирост составляет  60-120%, что, несомненно, выше, чем 20-60% при использовании двух видеокарт.

Подытожим результаты

Прежде всего, стоит отметить, что наибольший прирост производительности наблюдается  у видеокарт среднего уровня, в ценовом диапазоне 150-250$. Причем, чем тяжелее графический режим и больше разрешение, тем большую пользу приносит вторая видеокарта в системе. И это, надо сказать, настоящая победа! NVIDIA добилась своей основной цели – оправданность «апгрейда» компьютера путем покупки второй видеокарты. В этом случае пользователь как раз и получает обещанные в рекламе +100% производительности. Согласитесь, играть в Crysis при 41 FPS вместо 22 гораздо приятней.

Общей чертой для всех рассмотренных видеокарт было то, что максимальная эффективность связки SLI достигалась в тех играх, где обильно используются пиксельные шейдеры.

Для продвинутых пользователей тоже есть повод радоваться. На видеокартах так называемого «Performance» класса (в ценовой категории 250-350$) прирост производительности в 60% позволяет использовать самые тяжелые графические режимы на мониторах свыше 24” без какой либо потери в скорости. Технология SLI позволит превратить компьютер в настоящий игровой центр. Стоит отметить также экономическую целесообразность применения SLI в данном сегменте – обычно покупка 2-х таких видеокарт обходится дешевле покупки самого «топового» решения.

Что касается High-End класса, то применение SLI оправдано только при наличии очень мощного процессора – но для обеспеченных пользователей, для которых важна скорость любой ценой, это не помеха, а вот прирост производительности даже на 30% лишним никогда не будет.

В любом случае – технология работает, причем работает не так, как она работала еще пару лет назад, а действительно обеспечивает ускорение почти во всех популярных играх. Надо отдать должное NVIDIA, которая смогла отладить свое детище до того состояния, в котором его можно рекомендовать обычным пользователям. Если вы ищите материнскую плату для нового ПК, то рекомендуем вам обратить свой взгляд в сторону плат с поддержкой нескольких видеокарт. А устанавливать ли в систему две видеокарты, вы сможете решить позже. Ведь на этот выбор сильно влияет текущая ситуация на рынке видеокарт. Цена – это и есть основное поле битвы 2-х видеокарт среднего класса и ТОП-продуктов. Она же и является конечным аргументом.

Касательно технологии 3-way SLI. Как было отмечено в нашем обзоре, узким местом в связке из трех мощных видеокарт является объем установленной на них памяти – технология устроена таким образом, что объемы памяти не суммируются и все три графических чипа используют объем памяти одиночной видеокарты (в случае нашего теста это были 512 МБ). Но данный недостаток можно считать частично решенным, так как на сегодняшний день в продаже имеются новые видеокарты GeForce GTX 280, объем памяти которых равен 1 Гб. Не стоит забывать и о видеокартах, на которые производитель устанавливает больший объем памяти, нежели имеет «референсный» образец. Однако это еще не все. Кроме трех видеокарт нам понадобится еще и очень мощный процессор.

Принимая во внимание предполагаемые денежные вложения для приобретения трёх видеокарт и самого мощного процессора, становится понятным, что позволить себе оценить возможности 3-Way SLI сможет далеко не каждый. Поэтому массовой данная технология вряд ли станет, и, пожалуй, она напоминает больше показной маркетинговый ход компании NVIDIA, целью которого является желание привлечь внимание покупателей и удержать «пальму первенства».

О дополнительных функциях - Hybrid SLI. Они, конечно же, лишними не бывают, но вот реальной пользы от технологии GeForce Boost мы так и не увидели. Посудите сами, если пользователь покупает себе недорогой компьютер для офисной работы, то современной интегрированной видеокарты ему хватит для всех нужд, тем более, что они имеют даже аппаратную поддержку декодирования HDTV-видео. А если вдруг появится желание поиграть в игры, то покупка видеокарты класса GeForce 8500 GT или GeForce 8400 GS будет выглядеть, по крайней мере, смешно, так как их производительности совсем недостаточно для современных игр, даже в связке с интегрированным адаптером.

А вот функция HybridPower имеет большой потенциал. Как оказалось, она успешно работает с одной, двумя и даже с тремя видеокартами. Ввиду того, что каждое поколение видеокарт потребляет все большее и большее количество электроэнергии, а также ввиду постоянного повышения тарифов на оную, энергосберегающие технологии приходятся весьма кстати. Ну а пользователи ноутбуков должны радоваться вдвойне – с технологией HybridPower в ноутбуке возможно объединение доселе несовместимых понятий: мощная видеоподсистема и длительное время автономной работы.

Достоинства технологии SLI:

• легкость «апгрейда» без надобности продавать старую видеокарту;
• возможность активации улучшенных режимов сглаживания;
• возможность использования до 4-х мониторов одновременно.

Недостатки:

• необходима материнская плата, поддерживающая SLI;
• необходим блок питания соответствующей мощности;
• 2-3 видеокарты занимают больше места в системном блоке;
• появление эффекта «микролагов» в AFR-режиме.

Авторы: Петр Носик, Александр Черноиван

При подготовке статьи использовалась информация с официального сайта NVIDIA и свободной энциклопедии Wikipedia.