Вообще, хочется развеять устойчивое заблуждение, будто для «серьезной работы» требуется очень мощный компьютер, а для игр достаточно какого-то «средненького» компьютера. Как ни странно, но для большинства «серьезных» задач, выполняемых среднестатистическим пользователем на работе, таких как работа с текстами, электронными таблицами, базами данных, работа с Интернет и т.д. – вполне достаточно производительности как раз того самого «среднего» компьютера.
И наоборот. Даже не самая современная 3D-игра требует приличной мощности компьютера.

Если позволите такое сравнение – свой самый серьезный труд «Война и мир» Лев Толстой написал без всякого компьютера, используя перо и бумагу, а вот «потешные полки» Петра I (игра в стратегии реального времени + симулятор 3D-шутера) – требовали изрядных материальных и людских ресурсов.

Современные компьютерные игры в состоянии загрузить все имеющиеся ресурсы даже самого мощного компьютера «по полной» (понятно, мы не про пасьянсы говорим). Почему так происходит? А все просто. Игра насчитывает множество объектов плюс, как симулятор реального мира, пытается в той или иной мере учитывать «реальное» освещение, законы физики, а также содержит элементы искусственного интеллекта для правдоподобного поведения окружающих персонажей и т.д. и т.п.

Отсюда следует простой вывод - если рассматривать современные компьютерные игры как серьезную «нагрузку» для компьютера, а не «баловство», то, покупая компьютер именно «для игр», следует выбирать максимально производительный компьютер из тех, что вы можете себе позволить.

И в то же время следует помнить о сбалансированности системы в целом. Определение сбалансированной конфигурации компьютера – вопрос довольно сложный, и очень сильно зависит от задачи. Что касается нашего случая, то мы уже определились с задачей, возлагаемой на компьютер – это 3D-игры. Вопрос определения оптимального баланса мы рассмотрим несколько позже, а сейчас, для иллюстрации, приведем очевидные примеры несбалансированных конфигураций. Например – слабый центральный процессор и мощная видеокарта. Очевидно, что вряд ли слабый CPU позволит раскрыть весь потенциал видеокарты. И обратный пример – мощный CPU при откровенно слабой видеоподсистеме вряд ли позволит насладиться качественной «картинкой».

И начнем мы наше рассмотрение с анализа результатов, которые мы получаем при типичном тестировании производительности видеокарт.

Заметки о тестировании

Пара слов о цифрах, которые вы видите в наших тестах. Вещь настолько очевидная, что уже почти не воспринимается осознанно, поэтому, для определенности, проговорим детально. Каждая полученная в тесте цифра отражает производительность видеокарты при определенных условиях. Что эти «условия» значат? Во-первых, конфигурация тестового стенда – тип и частота CPU, объем оперативной памяти и т.д. Во-вторых, тестируемое приложение – например игра Half-Life2. В-третьих – демка в самой игре. Понятно, что абсолютные значения скорости (кадров в секунду) будут отличаться от игры к игре. Но еще учитывайте и то, что итоговая цифра будет зависеть и от сложности выбранной демки.

Возникает вопрос – насколько результаты, получаемые в таких условиях, применимы, так сказать, «в жизни»? Ведь конфигурации пользовательских компьютеров отличаются большим многообразием и далеко не у всех установлен топовый CPU, который использован в тестовом стенде. Да и демка от демки может довольно сильно отличаться по сложности, даже для одной игры. И как в этом случае прикажете трактовать полученные результаты?

К счастью, все не так плохо, как кажется на первый взгляд. Что касается демок, используемых для тестирования, то общее правило, которого придерживаются инженеры тестовых лабораторий – демка должна быть достаточно насыщенной, «тяжелой», отражать возможности графического движка и характер игры. Если эти условия соблюдены, то можно с полным правом считать, что в остальной игре в большинстве случаев результаты будут не хуже, чем полученные при тестировании демо-сцены. А это значит, что результаты, полученные на «правильной» демо-сцене, являются своего рода «нижней границей» производительности.

А как же быть с отличиями в конфигурациях компьютеров (не говоря уже о различии платформ)? Наша методика позволяет найти корректное решение этой непростой задачи. А поможет нам, как ни странно, одно ограничение, которое стало часто встречаться при тестировании новейших видеокарт с наивысшей производительностью.

Процессорозависимость

В различных обзорах по видеокартам вам наверняка уже приходилось слышать фразу – «результаты упираются в производительность CPU (центрального процессора). Значение этой фразы проще всего продемонстрировать диаграммой, например вот такой:

Диаграмма 1

На этой диаграмме мы видим результаты тестирования видеокарт GeForce 7800GT и 7800GTX в игре Half-Life2. Как видите, эффект от объединения двух видеокарт в режиме SLI совершенно не увеличивает показатели производительности (измеряемые величиной FPS - количеством кадров в секунду), как можно было бы ожидать. При этом, граница результатов совершенно одинакова как для одиночной GeForce 7800GTX, так и для пары видеокарт GeForce 7800GTX в режиме SLI. Очевидно, рост результатов упирается во что-то еще, вот это самое «еще» - и есть центральный процессор. Данная диаграмма была взята отсюда. Напомню, что в роли центрального процессора использовался AMD Athlon64 4000+, работающий на частоте 2,4 ГГц. Как вы понимаете, вышеприведенная диаграмма – вовсе не частный случай игры Half-Life2 и разрешения 1024х768. Примеры подобных диаграмм мы можем увидеть и здесь - http://www.3dnews.ru/video/ati_x1900xtx_crossfire/index04.htm Просто для того, чтобы увидеть в тестах ограничение со стороны CPU, необходима действительно мощная видеоподсистема.

…Или же - «слабый» центральный процессор. По идее, если вместо AMD Athlon64 4000+, используемого в нашем тестовом стенде, мы возьмем процессор с меньшей производительностью, то и значение FPS, в которое «упрется» производительность видеокарт будет ниже. Аналогично, если взять CPU еще «слабее», то получим границу производительности еще ниже. Чтобы было понятнее, о чем идет речь, проиллюстрируем сказанное диаграммой, похожей на Диаграмму 1, которую мы приводили выше, но несколько изменим ее расположение. Столбики результатов расположим вертикально, а по горизонтали будем откладывать условную производительность центрального процессора. Таким образом, получаем Диаграмму 2.

Диаграмма 2

Понятно, что Диаграмма 2 весьма условна. Мы умышленно не стали подписывать название процессоров для левой и средней групп результатов, а ограничились общими словами «более слабый процессор по сравнению с Athlon 64 4000+». Красные штрихи обозначают границу, в которую упираются результаты. Левая и средняя группы столбиков показывают лишь предполагаемые результаты, при переходе к более слабым процессорам. Как выглядят реальные результаты, мы узнаем несколько позже.

И вот здесь желание увидеть, как на самом деле выглядит «ограничение со стороны CPU», привело к обдумыванию методики тестирования со «слабым CPU». Казалось бы, чего проще? Взять несколько процессоров с разными частотами и проверить. К сожалению, сопоставимость результатов такого тестирования вряд ли бы была адекватной. Что взять в качестве мерила производительности CPU, рейтинг? Но в этих рейтингах сам черт ногу сломит, к тому же рейтинги для процессоров Athlon и Sempron, например, разные. Как сравнивать различные платформы – AMD и Intel, тоже не совсем понятно. Поэтому мы решили поступить другим образом.

Методика проведения тестов процессорозависимости

В качестве мерила производительности центрального процессора мы решили взять реальную частоту работы процессора в мегагерцах, потому что ее можно изменять в некоторых пределах и ожидать пропорционального изменения производительности CPU, не пересчитывая каждый раз всякие рейтинги. Что касается других параметров современных CPU, таких как объем встроенной кэш-памяти, количество каналов контроллера памяти и т.д., то влияние этих параметров мы пока оставим вне рассмотрения, хотя и их можно учесть должным образом. Главное для нас сейчас – линейность частоты как мерила производительности CPU.

За основу был взят процессор AMD Athlon64 4000+. Процессоры AMD очень хорошо показывают себя именно в игровых приложениях, и пусть процессор AMD Athlon64 4000+ на данный момент уже не является флагманом, тем не менее, он до сих пор остается одним из самых мощных процессоров в линейке. Несомненное удобство процессора AMD Athlon64 4000+ для данного тестирования состоит в том, что его множитель не фиксирован, и может быть изменен в сторону понижения. Именно это свойство данного процессора мы и использовали. Изменяя лишь множитель CPU, мы получили «линейку» процессоров, работающих на разных частотах, но обладающих совершенно идентичными характеристиками во всем остальном – размер встроенной кэш-памяти, частоты системной шины и т.д. Именно это и позволило нам вывести определенные закономерности, касающиеся совместной работы CPU и видеоподсистемы в графических приложениях.

Поскольку материал готовился довольно продолжительное время, то в разное время в роли видеоподсистемы использовались разные видеокарты, но это не повлияет на качество конечного результата. Более того – в процессе работы над материалом это служило косвенным подтверждением правильности выбранной методики, поскольку, согласно ей, при определенных условиях разные видеоподсистемы должны вести себя совершенно одинаково, в чем мы неоднократно и убеждались.

А начиналось все тогда, когда наиболее производительной видеокартой была GeForce 7800GTX. Драйверы, на которых проводилось основное тестирование – версии 81.85. Как уже было сказано, материал готовился долго, поэтому и версия драйверов такая старая. В дальнейшем версия видеодрайверов уже не менялась для обеспечения сопоставимости результатов тестирования. Впрочем, как мы увидим позже, для вывода полученных закономерностей версия драйверов не имеет определяющего значения. Для проверки мы протестировали еще раз то же самое на драйверах версии 84.21 и получили аналогичные результаты. Для фанатов ATI заметим, что мы проводили точно такие же опыты на Radeon X1900XTX и получили совершенно те же результаты (в пределах погрешности).

Итак, приступим.

«Измеряем» процессорозависимость

За счет изменения множителя CPU, был получен следующий набор рабочих частот центрального процессора (в мегагерцах) – 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400.

Начнем мы с того, что получим результаты в игре HALF-Life2 в разрешении 1024х768 в режиме «maximum details», но с отключенными функциями полноэкранного сглаживания (AA) и анизотропной фильтрации (AF). Противоречия здесь нет. Настройки игры «maximum details» отвечают за качество картинки, а выключение AA/AF позволяет получить значения FPS, которые гарантированно «упираются» в производительность CPU. Полученные результаты отобразим на графике, по оси Х которого отложим частоту CPU, а по оси Y – полученные значения производительности видеокарты в FPS (кадров в секунду).

График 1

В итоге получаем линию, очень напоминающую прямую. Собственно, так и должно быть - если производительность видеоподсистемы не является ограничивающим фактором, то результаты пропорциональны частоте центрального процессора. И вот почему. Давайте посмотрим, как в общем случае происходит отрисовка изображения компьютером. Для наглядности ниже приведен рисунок.

Рисунок 1

Как вы знаете, каждый 3D-объект задается некоторой моделью, состоящей из элементарных геометрических объектов – полигонов. В процессе формирования каждого кадра центральный процессор (CPU) рассчитывает количество объектов, их расположение в пространстве, источники освещения и т.д., то есть – формирует кадр в «каркасном» представлении (на рисунке – чайник из «проволочек»). Далее, этот «каркас» вместе с информацией о том, как его надо «раскрашивать», передается видеоадаптеру. И, наконец, после того, как видеоадаптер наложит на каркас все необходимые текстуры, освещение, тени – мы получаем финальное изображение, которое и видим на экране дисплея.

То есть, отрисовка изображения выполняется в две основные стадии. Первая стадия – рисование «каркаса» кадра, выполняется центральным процессором. Вторая стадия – «раскрашивание каркаса», выполняется видеоадаптером.

Поэтому, когда производительность видеоподсистемы (скорость «закраски») более чем достаточна, количество получаемых кадров в секунду ограничивается количеством «каркасов», которые может выдать центральный процессор, то есть – пропорционально его производительности. Конечно, приведенный пример весьма условен и характер распределения нагрузки между центральным процессором и видеокартой гораздо более сложен (поэтому, в общем случае «линия максимальных результатов» не обязана быть прямой).

Теперь мы можем сказать, в чем заключается физический смысл линии, изображенной на графике 1. А смысл ее в том, что это – максимальное количество кадров, выдаваемых данным CPU на данной частоте. Или же, другими словами - верхняя граница результатов, которые могут быть достигнуты для этого приложения на данном центральном процессоре при заданных условиях тестирования. То есть, для каждого значения частоты CPU, линия показывает ту максимальную планку результатов, которую мы никак не «перепрыгнем», как бы мы не наращивали мощность видеоподсистемы.

Именно это и показывает диаграмма, приведенная вначале статьи. Конечно, на той диаграмме приведены результаты для режима 4AA/16AF, но это не меняет дела. Верхняя граница ~146 FPS для частоты CPU 2400 МГц остается прежней и для гораздо более мощной системы на Radeon X1900 CrossFire, как видно из этой диаграммы.

Еще раз взглянем на график 1. Вы наверное обратили внимание, что данный график построен не совсем «правильно» и значения частоты CPU начинаются не от «0», а от 1000 МГц? Да, мы умышленно построили график именно таким образом, чтобы было легче оценить прямоту полученной линии. Теперь перерисуем график так, чтобы значения частоты CPU начинались с «0» МГц, а также добавим результаты для разрешений 1280х1024, 1600х1200 и еще три линии, для этих же разрешений, но в режиме 4AA/16AF.

График 2

Проанализируем получившиеся результаты. Очевидно, что увеличение нагрузки на видеоподсистему (посредством повышения разрешения и включения режима со сглаживанием и анизотропной фильтрацией) должно приводить к снижению FPS.

Это мы и видим на графике. Обратите внимание, как меняется характер линий. Для самого «легкого» из приведенных здесь режимов 1024х768 NO AA/AF – это почти прямая. По мере роста нагрузки на видеоподсистему, линии результатов плавно «пригибаются» к оси Х в правой части графика при высоких значениях частоты CPU, но в левой части сохраняют характерный наклон и практически сливаются в наклонную прямую (линия 2). Для самого «тяжелого» режима – линия результатов становится параллельной оси Х при высоких значениях частоты CPU (линия 1). О чем все это говорит? При недостаточной производительности центрального процессора результаты практически не зависят от степени «тяжести» графического режима и ограничиваются только производительностью CPU (наклонная линия). А при недостаточной производительности видеоподсистемы результаты в какой-то момент перестают зависеть от частоты центрального процессора (горизонтальная прямая на графике). Объяснение этому факту очень простое - видеоадаптер выдает только то количество кадров, которое успевает «закрасить», несмотря на то, что CPU может нарисовать «каркасов» гораздо больше.

Однако, из полученного графика можно сделать еще несколько очень интересных и важных выводов. Этим мы сейчас и займемся.

Как правильно оценивать производительность видеокарты

Вопрос может показаться надуманным, Казалось бы, чего сложного - взяли стенд покруче, установили видеокарту и давай гонять во всех режимах. Ну, в общем-то, так обычно и делается. Собственно, вопрос состоит в трактовке полученных результатов. Все не так просто, как кажется. Давайте еще раз посмотрим на наш график и поищем подводные камни. Чтобы излишне не загружать картинку, в этот раз мы оставили линии только для трех режимов.

График 3

Красная линия показывает результаты тестирования видеокарты в режиме 1024х768 NO AA/AF. Что в этом случае мы измеряем? Производительность видеокарты? Вряд ли. Посмотрите, как сильно меняются результаты при изменении частоты CPU, но ведь видеокарта у нас осталась та же самая, и производительность у нее не могла измениться! Вывод – в этом режиме мы, по сути, измеряем производительность центрального процессора в скорости генерации кадров, ведь результаты практически линейно зависят от частоты CPU.

Теперь посмотрим на коричневую линию, которая соответствует режиму 1600х1200 NO AA/AF. Нагрузка на видеокарту заметно возросла и о прямой линии речь уже не идет. Тем не менее, разброс результатов остается значительным. Какое именно значение отражает производительность видеокарты? Как мы видим, корректный ответ обязательно должен включать условия тестирования, и если не целиком, то производительность (частоту) CPU, при которой получен результат – обязательно.

И, наконец, третья линия зеленого цвета, соответствующая режиму 1600х1200 4AA/16AF. Смотрите, начиная с частоты CPU 1600 МГц результаты, показываемые видеокартой, перестали зависеть от мощности CPU. Поэтому мы можем с полной уверенностью утверждать, что тот уровень FPS, на котором находится горизонтальная «полочка», как раз и характеризует производительность видеокарты! Отсюда следует:

Критерий корректного сравнения производительности видеокарт (при прочих равных условиях) – допустимо сравнивать лишь те значения производительности (FPS), показываемые видеокартами, которые соответствуют горизонтальным уровням на графике процессорозависимости.

Для этого необходимо использовать тестовый стенд с достаточно мощным центральным процессором и выбирать режим тестирования так, чтобы получилась горизонтальная «полочка» результатов. Получившаяся «полочка» - и есть уровень производительности видеокарты в данном режиме.

Трактовка результатов, показываемых multi-GPU системами

Вы уже знакомы со способами объединения производительности видеокарт – SLI и CrossFire, и знаете, что смысл этих технологий состоит в увеличении производительности видеосистемы. Если говорить простыми словами (снова обращаясь к рисунку 1), то две видеокарты гораздо быстрее «раскрашивают» «каркас» кадра, чем одиночная видеокарта. Мы умышленно не говорим «вдвое быстрее», потому что обычная арифметика здесь не работает, и «два» не всегда вдвое быстрее, чем «один». Сказываются накладные расходы на распределение нагрузки между двумя видеокартами, время на синхронизацию и т.д. Поэтому двукратный прирост производительности от объединения двух видеокарт существует лишь в теории, а на практике максимальный прирост ограничен величиной примерно в 80-90%, то есть в 1,8-1,9 раз. Однако и 80% прироста от установки второй видеокарты удается увидеть далеко не всегда. Используя вышеприведенные графики, мы теперь можем объяснить, почему так происходит.
Возьмем график 3 и, добавив несколько линий, покажем как это можно сделать.

График 4

Как и прежде, зеленая, коричневая и красная линии соответствуют результатам, показываемым видеокартой, в разных графических режимах в зависимости от частоты центрального процессора. Прямая линия синего цвета обозначает «линию максимальных результатов», которая является следствием ограничения производительности со стороны центрального процессора. Серые двухсторонние стрелки показывают теоретически возможный прирост при наращивании производительности видеоподсистемы. Как легко заметить, для красной линии «запас прироста» минимален, поскольку она и так практически совпадает с синей прямой. Поэтому, при увеличении мощности видеоподсистемы с помощью технологий SLI или CrossFire, мы увидим минимальное увеличение производительности или не увидим его. Для коричневой линии, соответствующей более тяжелому графическому режиму, «запас прироста» несколько больше, но все равно меньше, чем теоретический предел 80-90% ( 120 fps + 80% ~ 220 fps, а мы получаем примерно лишь 150 fps). Наиболее благоприятная ситуация складывается для самого тяжелого графического режима – 4AA/16AF в разрешении 1600х1200. В этом случае «запас прироста» еще больше и связка из двух видеокарт может проявить себя в полную силу. Как видите, для полноценного раскрытия потенциала технологий SLI и CrossFire требуется мощный центральный процессор (при движении вправо по оси Х «запас прироста» увеличивается), а также тестирование в тяжелых графических режимах.

Конечно, все эти выводы были интуитивно понятны еще в момент анонса технологий объединения производительности видеокарт, мы лишь наглядно показали, где искать этот прирост.

Наверное, у вас возник вопрос – а что на графике делают оранжевые пунктирные линии? Предположим, что нижняя из двух пунктирных линий - это результаты, показанные в еще более тяжелом графическом режиме (скажем, 4AA/16AF в разрешении 2048x1536). Верхняя пунктирная линия проведена на уровне, который на 80% выше, то есть соответствует производительности двух видеокарт в SLI или CrossFire (нижняя пунктирная стрелка). А что же тогда показывает верхняя пунктирная стрелка? Разумеется, она показывает оставшийся «запас прироста», который может быть реализован, например, с помощью… Quad SLI. Как видите, поиски реального прироста производительности в этом случае требуют еще более тяжелого графического режима и, конечно же, мощного центрального процессора. (Замечание – приведенный для Quad SLI пример не отражает реальных значений производительности данной связки видеокарт и лишь иллюстрирует то, что подходы, рассматриваемые в статье, с успехом могут быть применены и к таким видеорешениям).

Проверка полученных выводов на других 3D-приложениях

До сих пор мы проводили все наши рассуждения на примере лишь одного 3D-приложения, а именно – игры Half-Life 2 с демо-сценой «d1_canals_09 3dnews02». Насколько выводы, полученные нами, справедливы в других приложениях? Давайте проверим. Ниже мы приведем еще два сводных графика, подобных графику 2, но для игр DOOM 3 и F.E.A.R., с использованием встроенных в эти игры демок.

График 5

Как видите, общая картина очень напоминает ту, что мы видели в Half-Life 2. Разумеется, абсолютные значения FPS другие, но общий характер поведения линий сохраняется.

График 6

Игра F.E.A.R. настолько «тяжела», что даже при использовании довольно мощной видеокарты 7800GTX, мы практически сразу получаем горизонтальные «полочки», причем в режимах NO AA/AF, то есть без включения полноэкранного сглаживания и анизотропной фильтрации. Поэтому, для поиска «линии максимально возможных результатов» пришлось использовать самое низкое из доступных разрешений – 640х480 (темно-зеленая линия на графике). Что касается более высоких разрешений, то некоторая «корявость» линий связана с тем, что встроенный в игру F.E.A.R. тест выдает целочисленные значения, что при небольших абсолютных значениях дает заметную относительную погрешность.

Ну и наконец – популярнейшие синтетические тесты семейства 3DMark. Для примера мы взяли 3DMark’05.

График 7

Как оказалось, с ростом частоты центрального процессора, результаты видеокарты GeForce 7800GTX (зеленая линия) при стандартных настройках 3DMark’05 превращаются в «полочку». Согласно полученному нами «критерию корректного сравнения производительности видеокарт» это означает, что производительность GeForce 7800GTX в этом тесте определена верно. А значит, корректно будет сравнивать и более «слабые» видеокарты с помощью 3DMark’05.

Думаю, теперь понятно, почему мы не стали приводить здесь результаты, полученные в 3DMark’06. Поскольку в этот бенчмарк включены тесты CPU, то мы не сможем получить горизонтальную «полочку» результатов на графике процессорозависимости, а значит корректное сравнение производительности видеокарт остается под вопросом.

Возвращаемся к графику 7. Для того, чтобы найти «линию максимальных результатов» в этом тесте мы использовали видеокарту Radeon X1900XTX (поскольку 3DMark’05 благоволит Radeon’ам), и тестировали в разрешении 320х240 (прочие настройки теста не менялись). Получившаяся красная линия хотя и не является геометрической прямой, тем не менее вполне подходит на роль «линии максимальных результатов». Как видите, с использованием процессора Athlon 64 4000+, работающего на частоте 2400 МГц, максимальное количество «марков» находится на уровне около 12000, или 12500, если следовать аппроксимирующей кривой. До сих пор ни одна протестированная нами система (7900GTX-SLI, CrossFire, Quad-SLI) не преодолела рубеж в 12000 «марков» в тесте 3DMark’05 на используемом нами стенде, что подтверждает сделаные нами выводы.

Прогнозирование результатов

Ну что же, пора перейти к практическим выводам из полученной нами теории.
Думаю, вам будет интересно узнать, до какой частоты надо разогнать процессор Athlon 64, чтобы получить, например, 20 000 «попугаев» в 3DMark’05? C помощью графика 7 мы теперь легко сможем это сделать.

График 8

Мы всего лишь изменили масштаб графика 7, расширили его как по высоте, так и по ширине. Итог очевиден. Для того, чтобы достичь отметки в 20 000 «марков» в тесте 3DMark’05 нам необходимо разогнать процессор Athlon 64 до отметки минимум 4000 МГц (реальных мегагерц, не рейтинг), и потом только заниматься разгоном видеоподсистемы.

Заключение

В следующей части «Процессорозависимость видеосистемы» мы познакомим вас с методикой, которая способна помочь в принятии решения о необходимости upgrade и подойти к этому вопросу с научной точки зрения. При этом вам не понадобится использовать какое-либо другое «железо», а достаточно будет провести ряд несложных тестов на том компьютере, который вы собираетесь модернизировать.

Автор: Дмитрий Софронов
Источник: www.3dnews.ru