Процессорозависимость: игровые тесты CPU от Celeron до восьмиядерных Core i7

Сейчас наблюдать за тем, что происходит в сегменте высокопроизводительных CPU, — куда менее увлекательное занятие, чем в былые годы. На то есть несколько причин. Во-первых, AMD надолго оставила попытки отнять у Intel лидерство в вычислительной мощности. Эволюция чипов самой Intel по-прежнему следует закону Мура, но массовый пользователь уже не может воспользоваться ее плодами. С каждым взмахом маятника «тик-так» Intel умеренно повышает число исполняемых инструкций на такт CPU, но тактовые частоты процессоров сейчас немногим выше, чем на заре архитектуры Core. В результате в плане однопоточной производительности архитектура x86 уже давно не показывает больших достижений. Прогресс движется за счет прироста ядер, но стандартные десктопные задачи (не исключая игры) с трудом осваивают многопоточный параллелизм.

Наконец, пользователь, не обремененный профессиональными задачами, которые связаны с тяжелыми расчетами и генерацией мультимедийного контента, просто не столь нуждается в высокопроизводительном CPU, как в былые годы. Все, что нужно, – это подобрать достаточно мощный процессор за приемлемые деньги. В узком случае компьютерных игр, которые остаются едва ли не единственной причиной, побуждающей массового пользователя к апгрейду, требуется CPU, адекватный по производительности графическому процессору и способный обслужить будущие GPU, которые как раз таки приходится менять сравнительно часто, чтобы удовлетворить аппетиты все новых игр.

Однако выбрать достаточно хороший продукт не так просто, как самый лучший или выбрать между Intel и AMD (что имеет смысл только в бюджетной категории). Сравнительные тесты комплектующих – плохие помощники в этом вопросе. GPU, как правило, тестируются на самом мощном оборудовании, доступном тестеру (чтобы именно GPU в этих тестах оказывался “бутылочным горлышком”), а в обзорах CPU игровые тесты стоят далеко не на первом месте и часто довольно далеки от практики (один топовый GPU, небольшой набор игр при низких настройках графики). Мы сегодня проникнем в эту серую зону и попытаемся ответить на следующие вопросы:

1. Насколько современные игры чувствительны к производительности CPU?
2. При какой частоте смены кадров (и, соответственно, при использовании каких GPU) процессорозависимость проявляет себя?
3. Какие именно параметры CPU сильнее всего влияют на игровую производительность (частота, количество ядер, объем кеш-памяти, контроллер RAM и пр.)?
4. Есть ли разница в процессорозависимости между графическими драйверами AMD и NVIDIA при использовании сопоставимых по мощности GPU?

⇡#Чего ждать и чего не ждать от DirectX 12

Но сначала убедимся в том, что сейчас еще не поздно провести такое тестирование, хотя мы стоим на пороге большого события, которое повлияет на связь между вычислительной мощностью CPU и игровой производительностью. Эффективность использования CPU в играх стала предметом широкой дискуссии, когда AMD представила API Mantle и обратила внимание на то, что у DirectX 11 не все гладко в этой области. Грядущий DirectX 12, который будет официально доступен вместе с Windows 10 уже этим летом, обещает исправить ситуацию. Но было бы ошибкой считать, что DirectX 12 устранит нужду в достаточно мощном CPU для игр, по качеству графики сопоставимых с теми, которые сегодня работают под DirectX 11.

Какое-то преимущество от DirectX 12 получат все игровые системы в силу того, что новый API позволяет распределять компонент нагрузки, относящийся к драйверу GPU, на несколько процессорных ядер.

Тем не менее в фокусе оптимизаций конвейера рендеринга в DirectX 12 находится более узкая задача – снизить нагрузку на CPU при отработке вызовов на отрисовку – draw calls (см. предварительный обзор DirectX 12). Чем больше отдельных объектов существует в трехмерной сцене, тем больше draw calls должен отработать процессор. При этом из-за особенностей DirectX 11 использование циклов CPU возрастает лавинообразно.

Бенчмарк Star Swarm позволил адресно исследовать эту проблему в первые месяцы после выхода Mantle. Сцены с огромным числом корабликов, которые показывает Star Swarm, при использовании DirectX 11 ставят на колени любой компьютер, в то время как под Mantle наблюдается многократный рост частоты смены кадров.

Игроки в массовые мультиплеерные игры легко вспомнят подобные сцены и прекрасно знают, как в них все тормозит. В то же время в однопользовательских играх мы редко наблюдаем обилие объектов, сравнимое со Star Swarm, т.к. разработчики знают о проблеме. Разработчики прекрасно знают, что большое количество draw calls тяжело дается runtime-библиотеке DirectX 11, и не нагружают игры таким образом. Из-за этого первые игровые тесты Mantle в Battlefield 4 и Thief произвели довольно бледное впечатление на фоне сильных (и вполне обоснованных в общем плане) заявлений AMD.

В частности, в Battlefield 4 уловить разницу с DirectX 11 можно только в редких сценах, богатых отдельными объектами. Да и то действительно крупный бонус к производительности возникает либо при совсем слабом двухъядерном CPU, либо при низком качестве графики, когда FPS и без того зашкаливает. С этими тестами можно ознакомиться в нашем отдельном обзоре Mantle.

Все это значит, что Mantle, как и DirectX 12, – еще не волшебная палочка. Благодаря массовому внедрению нового API (маловероятно, что после выхода DX12 найдется место для Mantle), устранившего бутылочное горлышко draw calls, появятся игры со столь богатой графикой, которая практически невозможна в эпоху DirectX 11. Но поскольку draw calls – не единственный источник нагрузки на CPU в играх, проблема «процессорозависимости» как таковая никуда не исчезнет.

⇡#Методика тестирования

Основная трудность таком тесте – огромное количество измерений, которые требуется произвести, чтобы сложилась полная картина. Пришлось пойти на определенные компромиссы. В первую очередь, мы отказались тестировать процессоры AMD (по крайней мере в этот раз), а из продукции Intel сосредоточились на линейке Haswell Refresh для разъема LGA1150 и процессорах Haswell-E (LGA2011-v3).

В общей сложности эти две категории включают 41 модель CPU, обладающих восемью различными конфигурациями ядра (будь то полноценные схемы или обрезанные варианты более мощных CPU):

• Celeron G18XX;
• Pentium G3XX;
• Core i3-41XX;
• Core i3-43XX;
• Core i5-44XX/45XX/46XX;
• Core i7-47XX;
• Core i7-58XX;
• Core i7-59XX.

Из каждой группы мы взяли либо старшую модель, частота которой варьировалась, либо одну из младших (которую при необходимости разгоняли). В таблице эти CPU выделены жирным шрифтом.

Четыре младших чипа Haswell не имеют технологии Turbo Boost и под нагрузкой работают при постоянной частоте, что позволяет одним процессором в точности моделировать производительность всех остальных в своей группе. Чипы Core i5 и i7, оснащенные Turbo Boost, нельзя на 100 % заменить старшими моделями, так как множитель базовой частоты, в отличие от максимальной, не регулируется. Выход – тестировать топовый чип на верхней Turbo-частоте соответствующих моделей. Благо на практике Turbo Boost управляет частотой весьма агрессивно.

Сетка частот у Intel довольно неравномерная. Наибольшее количество моделей в отведенном частотном диапазоне и наименьший шаг тактовой частоты наблюдается в группах Pentium G3XX и Core i5-44XX/45XX/46XX. Рассматривались три варианта частотной последовательности для тестов:

1. в точности следовать сетке Intel;
2. варьировать частоту с постоянным шагом 200 МГц;
3. следовать сетке Intel, избегая позиций, совпадающих по верхней Turbo-частоте или отстоящих на 100 МГц.

Мы остановились на третьем варианте как на наименее трудоемком, но в то же время отражающем частотный диапазон каждого ядра Haswell и опирающемся на модельный ряд Intel. В таблице ниже указаны частоты, доступные каждому ядру по спецификациям Intel. На выделенных частотах проводились тесты.

Но определенную часть многообразия CPU Intel мы все же упустили. Нам не были доступны чипы серии Core i3-41XX (впрочем, от i3-43XX отличающиеся лишь объемом кеша L3), а Pentium G3258, формально «разлоченный», по неизвестным причинам отказался разгоняться множителем на тестовой платформе ASUS SABERTOOTH Z97 MARK 1, поэтому частоты свыше 3,2 ГГц остались для этого чипа недоступными.

⇡#Тестовые стенды

Энергосберегающие технологии CPU во всех тестах отключены. В настройках драйвера NVIDIA в качестве процессора для вычисления PhysX выбирается CPU. В настройках AMD настройка Tesselation переводится из состояния AMD Optimized в Use application settings.

⇡#Результаты тестирования: процессорозависимые игры

Перед тем как приступить к тестам, надо понять, на примере каких игр действительно возможно показать процессорозависимость. С этой целью мы в первую очередь взяли игры из нашей постоянной обоймы для тестирования GPU и в них сравнили производительность систем с мощным видеоадаптером (GeForce GTX 980) и самым слабым (двухъядерный Celeron) или самым мощным (восьмиядерный Core i7) CPU.

Настройки игр были выбраны с таким расчетом, чтобы при установке топового GPU частота смены кадров оказалась в диапазоне 60-80 FPS, а при использовании младшего – не опустилась ниже 30 FPS в разрешении 1920 × 1080. При более высоком фреймрейте (как делают в обзорах процессоров, чтобы снизить нагрузку на GPU и выдвинуть на первый план CPU) дополнительная производительность, которую может дать мощный CPU, идет на ветер, а при более низком CPU уже не играет большой роли (что мы продемонстрируем отдельно). Не все игры позволили уложиться в этот диапазон: в Battlefield 4, Bioshock Infinite и Alien: Isolation фреймрейт превышает 60 FPS даже на Celeron. Вот и первые интересные результаты.

Хорошие новости для владельцев слабых CPU: есть игры, мало зависимые от производительности процессора – такие, как Alien: Isolation, и даже абсолютно независимые — Tomb Raider. В Crysis 3 и Bioshock: Infinite частота смены кадров при установке самого мощного процессора вместо самого слабого повышается на 27 и 34 % соответственно. А поскольку Bioshock: Infinite просто-таки летает на GTX 980 с высочайшим фреймрейтом, то толку от любого CPU быстрее Celeron в нем также нет.

В Battlefield 4, Thief, Company of Heroes 2 и Metro: Last Light разница в производительности между Celeron и Core i7 варьирует от 47 до 107 %. Это наиболее процессорозависимые игры, которые мы использовали в дальнейшем тестировании CPU.

⇡#Результаты тестирования: различные GPU

Для тестов были выбраны шесть графических адаптеров NVIDIA на GPU архитектуры Kepler и Maxwell, обеспечивающие рост производительности, близкий к линейному: от GeForce GTX 650 – карты начального уровня, до GeForce GTX 980 – флагмана основной линейки GeForce. Почему не AMD? Просто продукции NVIDIA больше на рынке, что позволило без зазрения совести сократить трудозатраты на проведение тестов. Возможно, мы еще вернемся к аналогичному тестированию продукции AMD в следующих обзорах.

Battlefield 4

Battlefield 4 из четырех игр, выбранных для теста, – наименее чувствительная к производительности CPU. Если у вас GeForce GTX 770 или младше, то при использованных настойках любой CPU быстрее младшего Celeron принесет мало пользы. Настоящая процессорозависимость начинается с GTX 780, а на GTX 980 установка топового CPU вместо наиболее слабого поднимает фреймрейт с 66 до 90 FPS. Однако, как мы уже говорили, Battlefield 4 намного больше зависима от видеокарты, раз уж даже Celeron позволяет максимально мощному графическому чипу выдавать более 60 FPS.

Company of Heroes 2

Эта игра – не просто процессорозависимая, тут производительность буквально упирается в CPU. Как иначе объяснить, что четыре видеокарты – от GTX 960 до GTX 980 – так мало отличаются друг от друга даже при использовании топового Core i7? Младший Celeron срезает фреймрейт вдвое на этих адаптерах и попросту уравнивает видеокарты от GTX 660 до GTX 980. А вот у GTX 650 никакой процессорозависимости нет – на нем CoH 2 одинаково неиграбельна при избранных настройках вне зависимости от процессора.

Metro: Last Light

Этой игре, определенно, не помешает хороший процессор. Начиная с GTX 960 и до GTX 980 производительность Celeron становится ограничивающим фактором. 30 FPS можно выжать из GTX 660 и Celeron, а 60 даются только GTX 980 и Core i7.

Thief

Планка производительности CPU начинает давить уже на GTX 960, а на GTX 980 при хорошем процессоре частота смены кадров просто-таки выстреливает. На GTX 660 игра все еще удерживает необходимые 30 FPS и одновременно отсутствует зависимость от CPU.

⇡#Результаты тестирования: AMD vs NVIDIA

Прежде чем мы начнем подробное тестирование CPU на разных частотах, хотелось бы убедиться, что адаптеры AMD подчиняются тем же закономерностям, что и конкуренты от NVIDIA. Здесь мы сравним Radeon R9 290X с близким по производительности GeForce GTX 780.

В ситуации со слабым CPU производительность соперников уравнена, а в связке с Core i7 Radeon реализует небольшое преимущество более быстрого GPU. Исключительным случаем стал Thief, где почему-то R9 290X сильнее пострадал от недостаточно мощного центрального процессора. Но в целом общая закономерность та же самая.

⇡#Результаты тестирования: GeForce GTX 980 со всеми CPU

Итак, мы выяснили, какие игры острее всего реагируют на нехватку мощности процессора и в случае каких GPU процессорозависимость чувствуется сильнее всего. Теперь мы выберем наиболее мощный графический адаптер и пронаблюдаем зависимость показателей в “чувствительных” играх со всеми процессорами, участвующими в тестировании. На графиках ниже каждому семейству процессоров соответствует своя линия, а точки на ней отражают процессоры этого семейства с той или иной частотой. В случае шестиядерных Core i7 семейства Haswell-E прямая превращается в точку, поскольку мы условились не рассматривать процессоры, различающиеся всего на 100 МГц.

Battlefield 4

Картина тестов в Battlefield 4 довольно курьезная. Во-первых, игра практически не делает различий между процессорами со словом Core в названии – начиная с начальных версий и вплоть до самых топовых модификаций.

А вот Pentium и Celeron резко отличаются от более старших версий ядра Haswell, не исключая Core i3, хотя это все – двухъядерные процессоры. По-видимому, решающее значение имеет технология Hyper-threading, которая дает Core i3 виртуальные четыре ядра. Ни в одной другой игре эта функция не проявила себя так ярко.

Что еще удивительнее, Celeron и Pentium успешно компенсируют свое незавидное положение приростом тактовой частоты. Частоты 3,2 ГГц Pentium G3258 достаточно, чтобы приблизиться к уровню старших CPU, а если аппроксимировать тренд на частоты до 3,5 (на которых тесты не проводились), то «пень» наверняка достигнет паритета с Core i3/i5/i7.

Company of Heroes 2

Производительность CoH 2 и в самом деле просто упирается в CPU. Игра любит высокие тактовые частоты: каждый чип демонстрирует практически линейный рост частоты смены кадров вместе с ростом тактовой частоты. И также CoH 2 любит многоядерные CPU: при равных частотах прибавка пары ядер дает рывок FPS. Но больше шести ядер CoH 2 задействовать не в силах, и даже наоборот – восьмиядерный процессор тут хуже шестиядерного.

Hyper-threading снова сослужила службу процессорам Core i3, хотя эффект и не столь потрясающий, как в Battlefield 4.

Metro: Last Light

Как и Battlefield 4, эта игра предпочитает ядра частоте. Core i5 на низких частотах чуть сдает, но в остальном четыре (и больше) физических ядра обеспечивают практически одинаковые результаты.

На двухъядерных CPU частота смены кадров бодро растет вместе с тактовой частотой. Эффект от Hyper-threading на Core i3 опять-таки весьма существенный, но и в этом случае частота продолжает сильно влиять на результаты. На высших частотах этот двухъядерник уже грозит топовым чипам Haswell.

Thief

Thief по характеру процессорозависимости мало отличается от Metro: Last Light. Любой CPU с четырьмя (и более) физическими ядрами достаточно хорош для этой игры. Судьбу двухъядерников решает тактовая частота. Core i3, благодаря Hyper-Threading, на высшей частоте подтягивается до уровня своих старших собратьев.

⇡#Выводы

Тестирование принесло массу информативных, подчас довольно неожиданных результатов. Во-первых, девять использованных нами игр в совершенно различной степени зависят от производительности CPU. Есть чрезвычайно зависимые игры (Thief, Company of Heroes 2, Metro: Last Light), среди которых выделяется Company of Heroes 2. Даже самых мощных CPU недостаточно, чтобы в полной мере раскрылись различия между графическими адаптерами средней и высшей категории. Производительность в этой игре реагирует как на число ядер, так и на тактовую частоту процессора. Впрочем, это лишь еще одна проблема CoH2 в дополнение к отсутствию поддержки SLI/CrossFire и в целом невысокой производительности для графики такого уровня. Большинство игр класса AAA все же не имеют таких технических изъянов.

Другие игры мало чувствительны к изменению конфигурации CPU (Alien: Isolation) или вовсе игнорируют ее (Tomb Raider). Но полагаться на счастливый случай не стоит: в целом для игр полезен не только хороший GPU, но и достаточно мощный центральный процессор. Вопрос в соотношении этих двух компонентов.

Будем судить по четверке наиболее требовательных к CPU проектов. Если вы привыкли играть в диапазоне около 30 FPS, то о производительности CPU можно не задумываться: частота смены кадров упирается в видеокарту, а в качестве центрального процессора достаточно даже какого-нибудь Celeron. Требования к CPU возникают тогда, когда GPU уже способен обеспечить 50-60 кадров в секунду и выше при таких же настройках качества графики (игры тестировались на максимуме, при необходимости только полноэкранное сглаживание было принесено в жертву). Скорее всего, то же произойдет и при попытке подтянуть частоту смены кадров с 30 до 60 FPS за счет снижения качества графики – слишком слабый CPU просто не позволит видеокарте оторваться от земли.

Как показал более подробный анализ, три из указанных игр (Battlefield 4, Thief, Metro: Last Light) в первую очередь требуют наличия четырех ядер CPU, а к частоте, на которой те работают, фактически безразличны. С практической точки зрения это сводит выбор к абсолютно любой разновидности Core i5 (цена – от $187 за боксовую версию Core i5-4460). Ни оснащенные Hyper-threading Core i7 для LGA 1150, ни шести- и восьмиядерные CPU для платформы LGA2011 вам в играх (по крайней мере в этих) не пригодятся.

При двух ядрах x86 в паре с хорошей видеокартой ощущается сильная нехватка ресурсов CPU, отчего производительность растет практически линейно вслед за его тактовой частотой. Но здесь примечательно то, что приблизиться к точке, когда потребности высокопроизводительного GPU насыщаются двухъядерным процессором, вполне реально. Для чипов Celeron и Pentium это только теоретическая возможность, поскольку в штатном режиме такие частоты им просто недоступны. При мощном GPU не следует экономить на центральном процессоре настолько сильно. Впрочем, при совсем ограниченном бюджете можно сделать ставку на Pentium G3460 ($82) или разгон Pentium G3258 ($72, имеет разблокированный множитель).

А вот из двухъядерного Core i3 может получиться неплохой игровой процессор, если речь идет о топовой модели в линейке: Core i3-4370 по рекомендованной цене $147 в боксовой комплектации в тестах мало уступил своим четырехъядерным соперникам. Но в это достижение внесла вклад не только высокая частота (3,8 ГГц), но и технология Hyper-threading, которая, конечно, не в силах заменить четырьмя виртуальными ядрами четыре физических ядра Core i5 и Core i7, но существенно отличает Core i3 от процессоров Celeron и Pentium, которые ею не обладают.