Хотите узнать предысторию видеокарт GeForce GTX 690 и Titan?
Когда что-то меня впечатляет, я хочу узнать об этом больше, и неважно, что это: вино, музыка или технология. Несколько месяцев назад Nvidia выкатила нам GeForce GTX 690, и я не знаю, что с ней делать, – играть или поставить в рамку. Перед вами – статья о происхождении этой видеокарты.
На момент своей премьеры GeForce GTX 680 была быстрее и дешевле, чем Radeon HD 7970. Но при этом карта на GPU GK104 имела очень знакомый внешний вид. Несмотря на умеренное энергопотребление и тихий кулер, в карте использовался лёгкий пластиковый кожух.
Это не самое важное в классе high-end. Ведь, насколько я помню, игровые видеокарты за $500 использовали достаточно металла для поддержки пластикового каркаса и имели небольшой вес. Качество охлаждающих рёбер радиаторов ранжировалось от приемлемого до откровенно посредственного. Про потребляемую мощность могу лишь сказать, что был в восторге, когда узнал, что потребляемая флагманом Nvidia мощность не превышает 200 Вт.
Но затем появилась GeForce GTX 690. А потом GeForce GTX Titan. А потом GeForce GTX 780. А потом GeForce GTX 770. Для каждой карты Nvidia разработала красивый эталонный дизайн. Не “женственно” красивый, как губы Моники Беллуччи, а технически, как Aston Martin DBS. GeForce GTX 690 познакомила нас с хромированной алюминиевой рамой, корпусом вентилятора, изготовленным из магниевого сплава, радиатором испарительной камеры над каждым графическим процессором, прикрытым окном из поликарбоната, программно управляемой светодиодной подсветкой верха карты, – кстати, программа для управления LED-подсветкой благодаря компании EVGA стала доступна для скачивания.
Последующие модели для кожуха использовали немного другие материалы и были не такими угловатыми. Однако эстетика high-end-класса сохранялась. Я радовался каждый раз, когда карты появлялись в продаже, – а я не из тех, кто радуется чему попало.
Концепт Nvidia GeForce GTX 690
Ветерана удивить нелегко
Ну ладно, 33 года – это не так уж и много. Тем не менее, я начал обозревать компьютерное железо, когда мне было 18 лет, то есть больше 15 лет назад. За это время всего несколько новинок заставили моё сердце биться чаще. Было круто делать предварительный обзор раннего образца Pentium III и 820-й материнской платы с RDRAM за несколько месяцев до того, как Intel представила платформу. Такие же чувства охватывали меня при обзоре видеокарты Rage Fury MAXX от ATI. Когда AMD выпустила процессор Athlon 64 FX-51, она прислала нам мощную систему класса high-end, которую мы ещё несколько месяцев использовали в нашей лаборатории. А кто же не помнит Radeon HD 5870 Eyefinity 6 Edition (если только новички)?
GeForce GTX 690 впечатлила меня не меньше.
Переосмысленный концепт GeForce GTX 690
Конечно, в обзорах железа при вынесении вердикта внешний вид видеокарты не так важен в сравнении с другими характеристиками. В первую очередь рассматриваются производительность, энергопотребление, шумовыделение и цена. Именно поэтому в обзоре “GeForce GTX 690 Review: Testing Nvidia’s Sexiest Graphics Card” (анл.) мы пришли к выводу, что две GeForce GTX 680 быстрее и лучше распределяют выделяемое тепло. Потом появились проблемы с наличием данной модели в продаже. И всё это время я хотел найти кого-нибудь в Nvidia, кто рассказал бы мне от лица компании, на что пришлось пойти, чтобы реализовать задуманный промышленный дизайн в коммерческой модели – ведь налицо были явные излишества! Кто принял такое решение? Установила ли GeForce GTX 690 минимальный набор “украшательств” для игровой видеокарты сегмента high-end?
Но на тот момент Nvidia только готовила выход GeForce GTX Titan, GeForce GTX 780 и GeForce GTX 770. Когда я обратился к PR-команде Nvidia с просьбой обеспечить больше эксклюзивной информации о производстве GeForce GTX 690, мне сказали: “Посмотрим”.
Предварительный дизайн GeForce GTX 690
Однако это было более года назад, и сейчас планы Nvidia стали общедоступными. Несколько месяцев назад во время поездки в Санта-Клару на премьеру Tegra 4 мне удалось поговорить с Эндрю Беллом (Andrew Bell), вице-президентом отделения аппаратного проектирования Джоной Альбеном (Jonah Alben), старшим вице-президентом подразделения проектирования GPU о происхождении дизайна, которым я так много восхищался, и узнать, что понадобилось для его претворения в жизнь.
От большого к малому: “охотник” перед “танком”
Во времена GeForce GTX 400 и 500 маркетологи Nvidia обратились к наименованиям, которые вызывают у меня аналогию с WoW . Самые мощные решения на базе GF110 они называли “танками”, то есть карты на этих процессорах использовали весь вычислительный и игровой потенциал архитектуры Fermi. Позже появилась GeForce GTX 460 с чипом GF104, ресурсы которого были перераспределены для обеспечения высокой частоты кадров, при этом была потеряна большая часть блоков вычислений с плавающей запятой старшего чипа. Команда маркетологов в отношении этого GPU использовала термин “охотник”.
Но вернёмся к поколению Kepler. Когда Nvidia представила GeForce GTX 680, обозначила происхождение от GK104 и не обсудила вычислительную производительность во время премьеры, все заподозрили, что не за горами премьера чего-то более значительного. Как мы теперь знаем, Nvidia были нужны 18000 чипов GK110 для продажи государственным учреждением под видом видеокарт Tesla. Поэтому было принято решение выпустить на рынок сначала GK104, причём было неизвестно, как карта, которая позже стала GeForce GTX 680, покажет себя в сравнении с лучшими моделями AMD. Если оценить этот подход сегодня, когда уже прошло время, он вполне себя оправдал. Но вполне возможно, всё могло оказаться намного хуже.
Внешний вид модели для окончательного утверждения
Всё это время Nvidia работала над GK110, и эта работа, безусловно, была связана со значительными техническими трудностями. Площадь GPU GT200 (65 нм) в “сердце” GeForce GTX 280 составляла 576 кв. мм. GK110 тоже огромный, целых 551 кв. мм, но при этом в нём работают 7,1 миллиарда транзисторов в сравнении с 1,4 миллиарда у GT200. Как мне сказали, GK110 – это самый большой чип, который TSMC может произвести по техпроцессу 28 нм. Так что, оглядываясь назад, можно отметить, что задержка “танка” от Nvidia для настольных ПК позволила компании провести необходимую инженерную работу, чтобы столь высокопроизводительный GPU работал при нормальных температурных и акустических параметрах.
Это не значит, что люди, принимающие решение в Nvidia, знали, что всё пойдёт гладко. Опираясь на опыт с архитектурой Fermi (на которой, как вы помните, работала невероятно горячая GeForce GTX 480), команда Эндрю предположила, что потребляемая мощность GK110 будет около 300 Вт, когда увидела размеры чипа, разрабатываемого командой Джоны. Инженеры GPU были уверены, что Kepler окажется более энергоэффективной архитектурой, и, в конечном итоге, энергопотребление GeForce GTX Titan с одним отключенным SMX было классифицировано как “менее 250 Вт”, на что так надеялись разработчики Nvidia.
Ещё один снимок внешнего виды карты
Команда инженеров также планировала, что процессор GK104 в GeForce GTX 680 будет потреблять в пределах 250 Вт и заменит GeForce GTX 580 на GF110 с тепловым пакетом 244 Вт. Но, как мы узнали в марте прошлого года, GeForce GTX 680 получила TDP на 195 Вт, а в режиме GPU Boost это значение возрастает до 225 Вт. И Эндрю, и Джона признаются, что они оба в это время находились в довольно стрессовом состоянии, поскольку инженеры боролись с трудностями, связанными с энергопотреблением карт прошлого поколения, чтобы повысить эффективность – и в это же время AMD начала переход на мощную архитектуру GCN.
Идентификатор энергопотребления на уровне 250 Вт делает карту более привлекательной
Когда сидишь рядом с людьми, напрямую отвечающими за такой продукт, как GeForce GTX 680, а также за другие карты серии 600 и 700, бессознательно возникает глубокое чувство признательности за их участие в создании видеокарты. Не сомневаюсь, что похожее ощущение характерно и при общении с AMD. Но в случае GeForce GTX 680 команда Джоны смоделировала GK104 перед печатью фотошаблона для производства, что позволило создать приблизительное представление о потребляемой мощности. Группа Эндрю взяла это значение, добавила некоторый запас на всякий случай и спроектировала карту, способную поддерживать новый GPU.
Это была одна из первых расцветок, которые Nvidia первоначально собиралась применять при производстве GeForce GTX 690.
Люди, разрабатывающие карту, пошли ещё дальше. Во времена Fermi они создали одну карту и заставили её работать на различных профилях мощности. Поскольку партнёры компании могут устанавливать GPU на собственные платы, такой подход понравился многим. Однако на этот раз Nvidia спроектировала три версии дизайна на 250, 225 и 200 Вт, и выбрала для премьеры GeForce GTX 680, которая относилась к среднему уровню. Сейчас мощность 250 Вт ассоциируется с GeForce GTX Titan, GeForce GTX 780 и GeForce GTX 770.
Однако ввиду наличия двух GPU к конструкции GeForce GTX 690 имелись другие требования. Например, центробежный вентилятор, смещённый к задней части, не отличался бы высокой эффективностью. Поэтому проектировщики создавали карту и кулер с учётом установки двух GK104.
Ещё один вариант дизайна
Изначально GeForce GTX 690 должна была использовать дизайн “чёрный гроб” — шутливое прозвище пластикового корпуса GeForce GTX 680. Но примерно за три месяца до официальной премьеры GeForce GTX 690, когда большая часть инженерных работ была выполнена и карта была готова к поступлению в производство, Джен-Сун (Jen-Hsun) начал спрашивать свою команду, действительно ли они хотят поставлять карту, которая по внешнему виду немного напоминает GeForce GTX 590. Это навело команду на мысль демонстрировать начинку карты, вместо того, чтобы прятать её.
В конце концов, группа Джоны потратила миллиард долларов на создание GPU. У Эндрю была команда лучших инженеров для работы над платами для этих процессоров. И затем полученные компоненты заворачиваются в пластиковый кожух. В прошлом это казалось совершенно естественным. Но насколько здорово находиться на заднем сидении Ferrari 458 Italia и смотреть на рычащий восьмицилиндровый V-образный двигатель объёмом 4,5 литра через моторный люк? Вам не хотелось бы так же посмотреть на внутренности вашей видеокарты? Я имею в виду, что большинство карт дают ощущение, что компания сделала достаточно, чтобы удержать технологию в рамках определённых параметров дизайна. Но GeForce GTX 690 была первой картой, которая удивила меня именно своим внешним видом. Команда Эндрю переработала промышленный дизайн так, что он был своеобразной витриной компонентов и оправдывал их дороговизну.
Эндрю говорит, что идея дизайна его команды заключается в отсутствии дизайна. Главное – избегать пластика любой формы, наклеек, шелкографии, и показать как можно больше внутренностей. Этот язык дизайна компания называет прямым и честным, поскольку у каждой детали есть своя цель, без каких-либо излишних или модных компонентов.
GeForce GTX 690 против Titan: разница почти не видна
Если сравнивать GeForce GTX 690 и GeForce GTX Titan, может показаться, что у них множество одинаковых характеристик, кроме очевидного различия в расположении вентилятора. Но поскольку одна карта рассеивает 300 Вт тепла, а другая – 250 Вт, между ними существуют менее очевидные расхождения.
Эти небольшие различия важны для целостности истории. При “украшении” карты команда Эндрю должна была учитывать эффективность теплоотвода и не перегружать карту чисто декоративными элементами. Хорошей новостью стало то, что двухчиповая конфигурация (кодовое название Gemini) действительно вписывалась в предел 300 Вт. GeForce GTX 590 предыдущего поколения имела потолок в 365 Вт, и основной упор делался на эффективность охлаждения. GeForce GTX 690 дала Nvidia немного свободы для творчества. Естественно, кулер стал меньше, чем требовалось для 590-й модели.
Вот вам пример отличия GeForce GTX 690 от GeForce GTX Titan. Если посмотреть параллельно поверхности верхней части GeForce GTX 690, можно увидеть, что поликарбонатное окно немного утоплено, создавая ощущение глубины. Однако у более короткой GeForce GTX Titan с 250-ваттным GPU тепловой запас меньше. Окно печатной платы лежит в одной плоскости с алюминиевой рамой. Это позволяет добавить 4 мм к рёбрам радиатора, что, по словам Эндрю, прибавило 10% к эффективности кулера.
Ещё один пример: Nvidia разработала заднюю пластину для покрытия печатной платы. Но в итоге от пластины отказались, поскольку она негативно повлияла на производительность в конфигурации SLI. Все мы знаем, что PCI Express имеет точные электромеханические характеристики, и для установки карт вплотную должно иметься определённое пространство. Если посмотреть на верхнюю часть GeForce GTX 690, можно заметить, что вентилятор расположен немного ниже поверхности карты. Это сделано для улучшения циркуляции воздушного потока. Даже когда две карты установлены вплотную друг к другу, между ними остаётся достаточно пространства для забора необходимого объёма воздуха. К сожалению, задняя пластина препятствует воздушному потоку, и, по словам Эндрю, ухудшает температурные показатели на 6-9 градусов. Если SLI не используется, закрытая задняя часть печатной платы способствует улучшению охлаждения. Таким образом, инженеры сейчас ищут способ сделать заднюю пластину съёмной силами конечных пользователей либо иным образом сделать её пригодной для SLI.
В моих обзорах я выразил свою точку зрения на корпус вентилятора из магниевого сплава у GeForce GTX 690, а также на отказ от него в моделях GeForce GTX Titan, GeForce GTX 780 и GeForce GTX 770. Я предполагал, что это как-то связано с ценой. Но Эндрю сказал мне, что если использовать металл, то разницы между магнием и алюминием почти нет. Основной причиной были трудности в производстве.
Nvidia перебрала около двух дюжин вариантов цвета и обработки, прежде чем выбрала окончательный вариант.
На самом деле было два варианта дизайна GeForce GTX 690: один из магния, и второй из алюминия. Магний немного легче, хотя сразу и не заметишь. Его основное преимущество заключалось в размере элемента, и, если положить GeForce GTX 690 рядом с GeForce GTX Titan, то первая выглядит немного прочнее и красивее. Однако этап обработки GeForce GTX 690 превратился в настоящий кошмар. Во-первых, целью было получение внешнего вида наподобие шлифованного алюминия, как у кухонных принадлежностей. Проблема была в том, что деталь портилась при обработке краев кожуха шлифовальным аппаратом. Острые края и углы сразу крошились.
Когда стало понятно, что шлифовка не получается, начали экспериментировать с окраской, сырой обработкой и гальванизацией. Ничто не давало желаемого эффекта. По простой случайности несколько гальванизированных ранее деталей подверглись повторной обработке, что дало любопытный результат. В итоге финишная обработка розничных карт Nvidia включает три технологии гальванизации. Она напоминает оксидированную патину (налёт в результате окисления), которая появляется на некоторых металлах с течением времени. GeForce GTX 690 в нашей лаборатории демонстрирует мягкое отсвечивание часто обрабатываемого металла, в то время как GeForce GTX Titan вечно напоминает о покраске.
Изготовление кожуха вентилятора является трудной задачей. Детали с дефектами в обработке металла выбраковываются
Однако самой большой проблемой стала выбраковка в ходе начального производственного процесса – вначале брак составил приблизительно 10%. Заметьте, это не из-за GPU, а обыкновенного кулера. Поскольку сырой магний без шлифовки или пескоструйной обработки шёл сразу на гальванизацию, все отпечатки и вмятины линии разливки проявлялись на деталях. Кому-то нужно было вручную сортировать всё, что поступало с конвейера, и отбирать образцы без дефектов. Но даже в этом случае, если присмотреться поближе, в металле можно заметить крошечные вкрапления.
В конечном счёте, Nvidia получила выход кулеров для GeForce GTX 690 в пределах 30%. Теперь понятно, почему компания быстро перешла на другую конструкцию. Однако Эндрю до сих пор ищет пути для улучшения будущих поколений. Например, он хочет создать вентилятор с интегрированной ступицей, чтобы при вращении лопастей не возникало колебаний центра. Он шутит, что разница похожа на разницу при покупке машины с колпаками и литыми дисками.
Мой личный крестовый поход: акустические показатели
Кроме приятного внешнего вида и впечатляющей производительности, GeForce GTX 690 и GeForce GTX Titan удивили нас хорошими показателями шумовыделения даже под нагрузкой. Лично для меня, если и есть что-то, что может отбить интерес к видеокарте даже до тестирования, так это повышенный уровень шума. AMD Radeon HD 6990 была настолько плоха, что я даже записал видео, доказывающее, что я не преувеличиваю. Когда появилась эталонная Radeon HD 7970 GHz Edition с такими же проблемами в области акустики, мне стало интересно, как такой важный аспект мог остаться без внимания дважды. И, наконец, когда мы увидели Radeon HD 7990, стало ясно, что команда AMD поработала над тем, чтобы карта функционировала тихо. И при работе в одиночку она, действительно, работает тихо.
Однако история карт Nvidia, если говорить об уровне шума, тоже имеет свои позорные пятна. Вспомним хотя бы GeForce FX 5800 Ultra. Но GeForce GTX 480, похоже, оживила борьбу производителей в больше степени за удовольствие от использования продукта, а не за большую частоту кадров.
Может показаться, что для решения проблем с шумом достаточно подобрать правильный кулер, возможно, потратиться на более качественный вентилятор, сделать более гладкую контактную площадку и надеяться, что инженеры не забыли про эффективность при проектировании графического процессора. Но это не так. Здесь в игру вступают более сложные научные эффекты. Несколько лет назад команда разработчиков плат решила сделать что-нибудь с проблемой скрипа цепи питания и шумными вентиляторами. Было определено два направления работы: акустические свойства компонентов и акустические свойства вентилятора.
Первый аспект требует наличия специализированного оборудования для анализа колебаний самой карты и её компонентов. Конечно, когда Nvidia выбрала этот путь, она не знала, откуда исходит звук. Инженеры выяснили, что есть два источника. Во-первых, они выискали множество плохо собранных индукторов. С течением времени клей ослабевал, компоненты держались, в итоге хуже получался скрипящий звук. Но даже с хорошими индукторами резонировала сама плата. Например, разъём SLI просто дрожал. В какой-то момент частота колебаний попадает в слышимый диапазон, и мы получаем чёткий неприятный звук. Так что есть люди, ответственные за отбор каждого продукта, создаваемого для захвата этих шумов.
Любопытно, что большинство возвращаемых на доработку прототипов действительно шумят. Когда блок питания реагирует на простаивание GPU при 25 Вт и скачок до 250 Вт, многие компоненты на плате начинают двигаться, в итоге плата гнётся, что мы в какой-то момент и слышим. Иногда для исправления достаточно поменять местами несколько деталей, но бывает, что требуется смена всей компоновки.
Оптимизация вентилятора для уменьшения шума
Есть ещё вентилятор. На его эффективность влияют несколько переменных. Во-первых, насколько быстро он вращается? GeForce GTX 480 дала весьма полезный опыт инженерам Nvidia. Если вы забыли, почитайте обзор “Nvidia GeForce GTX 480 и GTX 470: ответный удар на основе Fermi и GF100”. Если коротко, то карта была горячая и громкая. После выхода 480-й модели Джен-Сун со своими коллегами прослушивали различные карты на различных уровнях шума в течение нескольких недель. В процессе инженеры Nvidia пришли к соглашению, что уровень 36 дБ будет максимально допустимым показателем для GeForce GTX 680.
Конечно, для снижения шума нужен эффективный кулер, вот почему многие премьеры часто сопровождаются разговорами о конструкции встроенных тепловых трубок, и, что ещё важнее, испарительных камер, которые помогают снизить температуру на дополнительные 8-12 градусов. Если взять пять ватт за каждый градус Цельсия, получается 40 – 60 Вт дополнительного охлаждения при неизменном уровне шума. Возьмите два конкурирующих графических процессора, рассчитанные на одинаковую мощность, оснастите один более эффективным радиатором и лишите другой всего, что требуется для обеспечения сопоставимых тепловых характеристик. Это сравнение объясняет мою критику в обзоре видеокарты AMD Radeon HD 7970 GHz Edition. Nvidia извлекла урок из истории GTX 480, которая в итоге проложила путь для гораздо менее шумной GTX 580. И кульминацией этой работы, которая не прекратилась и после Fermi, явился радиатор видеокарты GeForce GTX Titan.
Мы побывали в специально звукоизолированной камере Nvidia
Во-вторых, важно знать, как лопасти вентилятора и воздушный поток взаимодействуют друг с другом в кулере. Кулер может быть негромким, но всё равное раздражать. В нашей лаборатории были карты, которые издавали жужжащие или свистящие звуки даже в простое. Жужжание обычно исходит от мотора. И для искоренения такого шума Nvidia должна плотно поработать с производителями вентиляторов над характеристиками мотора. Для подавления свистящего звука требуется оптимизация спирали в нижней части вентилятора, и, опять же, проблему нужно исследовать, идентифицировать, и затем исправить силами инженеров. Для непосвящённого человека всё может показаться довольно просто, но если бы это было так, то мы не увидели бы такие расхождения в результатах различных карт AMD и Nvidia в наших обзорах.
Несмотря на прогресс, который продемонстрировала команда разработчиков, Белл из Nvidia говорит, что он не полностью удовлетворён акустическими параметрами карты GeForce GTX Titan и хочет ещё больше заглушить звук мотора. Он хочет добиться, чтобы мотор работал, как двигатель в машине. У машины есть массивный вентилятор, который сильно шумит, подавая поток воздуха на компоненты под капотом, но в салоне его практически не слышно. Конечно, если у вас есть GeForce GTX Titan, вы должны знать, что, несмотря на относительно скромный вентилятор, вы можете установить более агрессивные настройки производительности, если согласны на повышенный уровень шума.
Как создавать более совершенные видеокарты
И вот мы вернулись к исходной точке. Было приятно находиться в одной комнате с человеком, разрабатывающим видеокарты Nvidia, и человеком, ответственным за GPU в этих картах. Во время нашей дискуссии вопросы производительности графической системы не поднимались. В основном разговор шёл о том, как разработчики стараются делать видеокарты класса high-end особенными. В частности, после осуждения Intel в статье “12-ядерный Intel Xeon с кэш-памятью L3 на 30 Мбайт: новый CPU для Mac Pro?” за отсутствие инноваций среди настольных процессоров, Nvidia показала нам, что способна создать графическую архитектуру, которая значительно быстрее предшествующей, и использует меньше электроэнергии, причём карты на её базе работают тише, и при их создании используются такие материалы, как алюминий, магний и поликарбонат.
Да, GeForce GTX Titan очень дорогая. Я уже говорил, что эту карту за $1000 я рекомендовал бы для двух сценариев применения: в игровых корпусах малого форм-фактора, поскольку это самая быстрая видеокарта с одним графическим процессором, и в конфигурации из нескольких видеокарт, а в этом случае деньги уже не имеют значения. Но, хотя я не даю всецелого одобрения этой карте, всё же GK110 и промышленный дизайн Nvidia впечатляют. GeForce GTX 780 понравилась мне не меньше, хотя, как мне кажется, люди, готовые купить быструю видеокарту за $600, предпочтут ещё более быструю модель за $1000.
Но не забывайте, что первой в апреле прошлого года нас порадовала GeForce GTX 690. Переход с этого …
…на это произвёл на меня такое же впечатление, как появление ATI Rage Fury MAXX, AMD FX-51, а также ранний инженерный образец Pentium III вместе с новой платой.
Эти карты являются продуктом энтузиазма, и, как мы знаем, рынок решений для энтузиастов всё ещё силён, несмотря на неутешительные для ПК прогнозы. И посмотрите, что Nvidia делает дальше: берёт уже знакомую архитектуру Kepler и использует её для создания графической составляющей в следующем поколении SoC.
