Сравнение производительности видеокарт в SLI и CrossFire (mGPU) под DirectX 11 и DirectX 12

Теория. Методика тестирования

Эта статья была задумана как дань старой традиции: нам хотелось полюбоваться дорогими системами с несколькими GPU, как это было в 2014 и 2016 годах, а потом мы готовились с разочарованием признать, что технологии SLI и CrossFire уже утратили всякую практическую ценность. Но вместо этого получилось своего рода продолжение наших недавних публикаций про API нового поколения (см. первую и вторую части исследования), ведь большинство игр из нашей тестовой методики поддерживают Direct3D 12. Под этим API пара видеокарт работают совсем по-иному, нежели в Direct3D 11, и нет никакого смысла ограничиваться сравнением под формально устаревшим, но все еще преобладающим интерфейсом Direct3D 11.

А что касается главного вопроса (осталась ли какая-то польза в SLI и CrossFire), то придется признать, что похороны двухадаптерных систем снова откладываются! Да, в связи со сменой API возникли новые проблемы, связанные и c реализаций Multi-Adapter в Direct3D 12, и с пропускной способностью шины PCI Express, и с пресловутой процессорозависимостью игр. Но, с другой стороны, именно Direct3D 12 несет в себе возможности для того, чтобы их преодолеть.

⇡#Мультиадаптерный рендеринг в Direct3D 11

Для начала признаем намеренную неточность в названии статьи, которую могли заметить читатели, следящие за состоянием дел в области игровой графики. Действительно, марка CrossFire ушла в отставку еще в прошлом году. Теперь AMD описывает мультиадаптерные системы термином mGPU, поскольку сфера использования CrossFire (как и NVIDIA SLI) ограничена Direct3D 11, а кто, как не AMD, больше всех приветствует переход к Direct3D 12. Тем не менее сама технология никуда не делась, и даже в настройках драйвера Radeon по-прежнему называется именно так.

В целом оба производителя дискретных GPU сейчас прохладно относятся к мультиадаптерному рендерингу. Это заметно по тому, как сократилось разнообразие конфигураций, в которых работают SLI и CrossFire. Пропали видеокарты на основе двух графических процессоров, без которых прежде не обходилось ни одно обновление архитектуры. Драйверы AMD и NVDIA официально поддерживают не больше двух GPU. А ведь в 2011 году мы тестировали связки из трех и четырех видеокарт класса GeForce GTX 580, и в то время игры могли вполне неплохо загрузить три ускорителя высшего эшелона. К тому же NVIDIA загнала SLI в самый верх своей продуктовой линейки: младшей видеокартой в серии GeForce 10, которая имеет разъемы SLI, является сравнительно мощный и дорогой ускоритель GeForce GTX 1070.

Конечно, именно мощные видеокарты, как правило, и устанавливают парами, а утраченная возможность использовать три или четыре графических процессора по большей части была полезна только для набора рекордных баллов в 3DMark. Но потеря интереса к SLI и CrossFire со стороны хозяев рынка видеокарт отражает общий застой этого направления, к которому привело несоответствие между сложностью технических задач и низким спросом со стороны рядовых геймеров.

В концептуальном плане рендеринг при помощи множественных GPU — это вполне очевидная идея, которая логически следует из высокого параллелизма вычислений, но на практике такие технологии всегда были довольно-таки капризны и требовали постоянного внимания со стороны драйверописателей. В рамках Direct3D 11 функцию разделения нагрузки между несколькими видеоадаптерами целиком выполняет драйвер. Игровой движок, как и в случае одиночного GPU, отдает команды общей очередью, а драйвер распределяет их так, чтобы, пока первый графический процессор создает свой кадр видеоряда, второй GPU занимается следующим кадром (метод AFR — Alternate Frame Rendering). Для полноты картины стоит заметить, что мультиадаптерный рендеринг не сводится к AFR. В редких случаях используется метод SFR (Split Screen Rendering), в котором каждый GPU обрабатывает свою часть единого кадра, а Direct3D 12 предусматривает и более сложные режимы, но о последнем — чуть позже.

В идеале процедура мультиадаптерного рендринга в Direct3D 11 прозрачна для игрового движка и не требует дополнительных усилий от его разработчиков, но на практике все совсем не так просто. При использовании метода AFR нужно считаться с ограничениями в тех ситуациях, когда существуют зависимости между последовательными кадрами, а это практически неизбежно в современных играх. Как следствие, адекватная работа мультиадаптерной системы возможна только при наличии профилей настроек для каждой конкретной игры, благодаря которым драйвер получает подсказки о том, чем занимается движок, а разработчикам игры — в идеале — нужно понимать, что пытается сделать драйвер. Полезно использовать и проприетарный API (такой как NVAPI для GPU NVIDIA), открывающий доступ к GPU в обход уровня абстракции Direct3D, но даже в идеальных условиях не от каждой игры можно добиться хорошего масштабирования быстродействия на нескольких адаптерах.

Свой вклад в эту проблему вносит и пресловутая «процессорозависимость»: графические чипы сейчас развиваются быстрее, нежели быстродействие CPU архитектуры x86 с небольшим числом потоков, и это заметно даже в конфигурациях с одной мощной видеокартой, не говоря уже о двух. Наконец, как мы раз за разом видим по результатам группового теста GPU в какой-нибудь популярной игре, единственный адаптер высшего эшелона, скорее всего, удовлетворит любого геймера. С другой стороны, и разница в качестве изображения между низкими и максимальными настройками качества графики уже не та, что в золотые времена SLI и CrossFire. В результате побуждение наращивать кадровую частоту любой ценой сошло на нет, а раз так, то какой смысл для людей, работающих над драйверами GPU, вкладывать усилия в нишевую технологию мультиадаптерного рендеринга? Пока работа продолжается (особенно со стороны NVIDIA), но с пришествием Direct3D 12 ситуация может полностью измениться — причем как в лучшую, так и в худшую сторону.

⇡#Мультиадаптерный рендеринг в Direct3D 12

Новый графический API Microsoft предусматривает два различных подхода к программированию мультиадаптерного рендеринга. В режиме Implicit Multi-Adapter задачу разделения работы между GPU выполняет драйвер — как в Direct3D 11, со всеми его плюсами и минусами. С другой стороны, в режиме Explicit Multi-Adapter ресурсами графических процессоров целиком распоряжается игровой движок, и это одновременно и благословение, и проклятие, ведь в таком случае все зависит от готовности разработчиков вкладывать силы в поддержку Multi-Adapter.

При должном старании программисты смогут извлечь из связки GPU быстродействие, принципиально недостижимое в предыдущей версии API. В частности, можно отказаться от AFR и применять сложные методы распределения нагрузки между адаптерами — такие как конвейеризация кадров (Frame Pipelining), при которой несколько GPU выполняют различные этапы рендеринга одного кадра, а проблема зависимостей между соседними кадрами отсутствует как таковая. Кроме того, конвейеризацию можно использовать в пользу качества рендеринга, а не частоты смены кадров. К примеру, загрузить второй GPU расчетом глобального освещения, трассировки лучей, физики и так далее.

У Explicit Multi-Adapter есть два метода реализации: Linked Node и Unlinked Node. Первый метод — это аналог SLI и CrossFire в рамках новой парадигмы мультиадаптерного рендеринга. Как и в этих проприетарных технологиях, работающих на уровне драйвера под Direct3D 11, здесь несколько адаптеров представлены общими очередями команд: графика, вычисления общего назначения и очередь Copy для передачи данных по шине PCI Express. Проще говоря, игра «видит» несколько адаптеров как один, а принадлежность команды определенному GPU определяется так называемой маской узла.

Linked Node имеет несколько важных достоинств. В первую очередь, подразумевается общая архитектура и производительность узлов, что существенно упрощает задачу балансировки нагрузки. Также Linked Node позволяет узлам напрямую обращаться к оперативной памяти друг друга, минуя системную RAM. Наконец, при рендеринге методом AFR возможна передача кадров «ведущему» узлу через интерфейсы, отличные от PCI Express (то есть мостики SLI, поскольку AMD давно избавилась от специализированной шины в CrossFire).

В свою очередь, в Unlinked Node каждый узел предоставляет собственный набор очередей инструкций и допускает максимально гибкое управление ресурсами GPU. В частности, возможны асимметричные конфигурации из адаптеров неодинаковой мощности и различной архитектуры. Вполне жизнеспособна даже комбинация устройств AMD и NVIDIA в одной системе. Не менее заманчива возможность увеличить быстродействие дискретной графики за счет встроенного в центральный процессор GPU, который сможет выполнять финальные стадии обработки кадра (фактически, это частный случай конвейеризации кадров, и он не требует тщательной балансировки нагрузки, неизбежной в асимметричных связках GPU).

Переход графических адаптеров в Linked Node осуществляется на уровне драйвера, а для пользователя — включением опции SLI или CrossFire в настройках. Тем не менее не всякая игра сможет использовать адаптеры в Linked Node или, напротив, Unlinked Node. К примеру, Ashes of the Singilarity требует активации Unlinked Node, а остальные из наших тестов работают только в режиме Linked.

Чтобы получить Linked Node под Direct3D 12 на видеокартах NVIDIA, нужно связать их мостиком, иначе драйвер просто не даст включить SLI. Как сказано выше, Direct3D 12 позволяет использовать мостики по назначению в связанном режиме, но мы проверили: ни в одной из тестовых игр нет разницы по кадровой частоте между современным мостом HB SLI Bridge и простым гибким мостиком, которая в противном случае обязательно бы возникла. С одной стороны, это проблема, ведь мостик обеспечивает необходимую пропускную способность для передачи кадров между GPU в обход шины PCI Express даже в таких тяжелых режимах, как 4К. С другой, жесткие мостики с подсветкой, которые способны работать в двухканальном режиме и на повышенной частоте, — дорогое удовольствие, а в Direct3D 12 можно обойтись копеечным гибким интерфейсом.

⇡#Тестовый стенд, методика тестирования

В набор бенчмарков вошли девять игр 2016–2017 годов выпуска, среди которых шесть способны работать под API Direct3D 12. К Direct3D 11 прикованы только относительно старые игры — GTA V и The Witcher 3: Wild Hunt, а также Far Cry 5.

Что касается совместимости с мультиадаптерными системами под Direct3D 11, то она исключена в Ashes of the Singularity, а Battlefield 1 не поддерживает CrossFire. В остальных играх SLI и CrossFire работоспособны под старым API.

В режиме Direct3D 12 две видеокарты задействованы в Ashes of the Singularity, Battlefield 1, Deus Ex: Mankind Divided и Rise of the Tomb Raider. Tom Clancy’s The Division и Total War: WARHAMMER II этой возможности лишены. Кроме того, в Deus Ex: Mankind Divided под Direct3D 12 не работает связка из двух ускорителей Vega 64, хотя нет никаких проблем с Radeon RX 580.

⇡#Участники тестирования

• AMD Radeon RX 580 (1340/8000 МГц, 8 Гбайт);
• AMD Radeon RX Vega 64 (1546/1890 МГц, 8 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 1070 (1506/8008 МГц, 8 Гбайт);
• NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti (1480/11000 МГц, 11 Гбайт).

Результаты тестирования: AMD Radeon RX 580, AMD Radeon RX Vega 64

⇡#AMD Radeon RX 580

⇡#AMD Radeon RX Vega 64

Результаты тестирования: NVIDIA GeForce GTX 1070, NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti

⇡#NVIDIA GeForce GTX 1070

⇡#NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti

Общие результаты. Выводы

⇡#Общие результаты

Наши результаты показывают, что масштабирование быстродействия на двух видеокартах подчиняется двум правилам. Во-первых, чем выше разрешение экрана, тем эффективнее работает мультиадаптерная система. Во-вторых, чем мощнее одиночная видеокарта, тем меньше проку от второй такой же.

И все же даже старшие модели NVIDIA и AMD (GeForce GTX 1080 Ti и Radeon RX Vega 64) в SLI и CrossFire под Direct3D 11 обеспечили прирост быстродействия на 58 и 52 % соответственно при разрешении 2160p, то есть в таком режиме, для которого и требуется как можно более производительное железо.

GeForce GTX 1070 в подобных условиях выступил еще лучше, продемонстрировав 72-процентное увеличение FPS за счет работы в SLI. Но посмотрите на Radeon RX 580: вторая видеокарта такого уровня принесла еще 68 % кадровой частоты уже в режиме 1080p, а в 2160p эффективность CrossFire доходит до 82 %!

Что касается мультиадаптерного рендеринга в Direct3D 12, то делать прямое сравнение с Direct3D 11 по результатам тестов не вполне честно из-за того, что новый API поддерживают не все тестовые игры, а среди них не все позволяют задействовать две видеокарты. Но и здесь заметны определенные тенденции. Лучше всего под Direct3D 12 работает тандем Radeon RX 580 или Radeon RX Vega 64. Последняя связка немного проседает по эффективности при разрешении 1080p по сравнению с тем, что мы наблюдали в Direct3D 11, но в остальном для видеокарт AMD практически нет разницы между двумя версиями API.

Гораздо хуже обстоят дела у GeForce GTX 1070 и GeForce GTX 1080 Ti. В зависимости от разрешения, пара таких видеокарт может потерять очень много при переходе на Direct3D 12. Эффективность тандема GeForce GTX 1080 Ti в режиме 2160p снизилась ни много ни мало в два раза. С другой стороны, именно GTX 1080 Ti предпочитает Direct3D 12 в режиме 1080p.

1920 × 1080

2560 × 1440

3840 × 2160

⇡#2 × AMD Radeon RX 580 vs AMD Radeon RX Vega 64

Коль скоро мультиадаптерный рендеринг по-прежнему весьма эффективен на ускорителях средней категории (таких как Radeon RX 580) и классом выше (GeForce GTX 1070), полезно сравнить связку таких видеокарт с флагманскими устройствами AMD и NVIDIA. В конце концов, два Radeon RX 580 или GeForce GTX 1070 по числу шейдерных ALU и текстурных блоков превосходят Radeon RX Vega 64 и GeForce GTX 1080 Ti соответственно.

Что касается Radeon RX 580, то, действительно, по средней частоте смены кадров (усредненной о всем играм) они обгоняют Vega 64 при любом разрешении экрана, особенно под Direct3D 12, а также имеют хороший запас по производительности в играх, неидеально оптимизированных под CrossFire и mGPU.

Прим.: процентные соотношения в таблицах рассчитаны по результатам только в тех играх, которые поддерживают мультиадаптерный рендеринг для соответствующего API и архитектуры GPU.

1920 × 1080

2560 × 1440

3840 × 2160

⇡#2 × NVIDIA GeForce GTX 1070 vs NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti

Связка двух GeForce GTX 1070 тоже выгоднее по сравнению с единственным GeForce GTX 1080 Ti, но преимущество SLI ограничено игрой под Direct3D 11. Под Direct3D 12 лишь в режиме 2160p пара GTX 1070 обеспечивает в среднем одинаковую с показателями GTX 1080 Ti частоту смены кадров.

Прим.: процентные соотношения в таблицах рассчитаны по результатам только тех игр, которые поддерживают мультиадаптерный рендеринг для соответствующего API и архитектуры GPU.

1920 × 1080

2560 × 1440

3840 × 2160

⇡#Выводы

Несмотря на то, что AMD и NVIDIA в последние годы уделяют мало внимания технологиям SLI и CrossFire, по результатам тестирования можно констатировать, что, пока жив Direct3D 11, в этой сфере все остается по-старому. Большинство игр поддерживают мультиадаптерный рендеринг под старым API, и при благоприятных условиях вторая видеокарта вполне может увеличить быстродействие на 70–80 %.

Наилучшее масштабирование наблюдается в тяжелых графических режимах (как минимум разрешение 1440p с полноэкранным сглаживанием, а лучше 4К) и на видеокартах не слишком высокого уровня — Radeon RX 580 и GeForce GTX 1070, в особенности RX 580. Связка из двух GeForce GTX 1060 была бы как минимум столь же эффективна, вот только со SLI эта модель по воле NVIDIA не совместима.

Нагрузить так же хорошо два мощных видеоадаптера, таких как Radeon RX Vega 64 и GeForce GTX 1080 Ti, в современных компьютерах невозможно. Судя по всему, масштабирование упирается в ресурсы CPU, и в результате средняя эффективность SLI/CrossFire не превышает 60 %.

Технология Multi-Adapter в Direct3D 12 пока не пользуется большой поддержкой со стороны разработчиков игр. Несколько тестовых проектов, совместимых с как со старым, так и с новым API, задействуют две видеокарты только в режиме Direct3D 11. Кроме того, имеются определенные проблемы с производительностью у чипов NVIDIA. Связки GeForce GTX 1070 и GTX 1080 Ti серьезно пострадали под Direct3D 12 по сравнению с Direct3D 11, в то время как Radeon RX 580 и Vega 64 пережили апгрейд интерфейса программирования без значительных потерь. Выходит, ставка AMD на API следующего поколения, как и в предыдущих испытаниях Direct3D 12, оправдала себя целиком и полностью.