Типы памяти

Частота видеопамяти.

Еще одним параметром, влияющим на пропускную способность памяти, является её тактовая частота. А как мы поняли выше, повышение ПСП прямо влияет на производительность видеокарты в 3D приложениях. Частота шины памяти на современных видеокартах бывает от 500 МГц до 2000 МГц, то есть может отличаться в четыре раза. И так как ПСП зависит и от частоты памяти и от ширины ее шины, то память с 256-битной шиной, работающая на частоте 1000 МГц, будет иметь большую пропускную способность, по сравнению с 1400 МГц памятью с 128-битной шиной.

Рассмотрим относительную производительность видеокарт с разной пропускной способностью на примере видеокарт RADEON X1900 XTX и RADEON X1950 XTX, которые используют почти одинаковые GPU с одними характеристиками и частотой. Основные их отличия состоят в типе и частоте используемой памяти — GDDR3 на частоте 775(1550) МГц и GDDR4 на 1000(2000) МГц, соответственно.

Хорошо видно, как отстает карта с меньшей пропускной способностью памяти, хотя разница никогда не достигает теоретических 29%. Разница между достигнутой частотой кадров растет с увеличением разрешения, начинаясь с 8% в 1024x768 и достигая 12-13% в максимальных режимах. Но это сравнение видеокарт с небольшой разницей в ПСП, а особенное внимание на параметры ширины шины памяти и частоты ее работы следует уделять при покупке недорогих видеокарт, на многие из которых ставят лишь 64-битные интерфейсы, что сильно сказывается на их производительности. Вообще, покупка решений на базе 64-бит шины для игр вовсе не рекомендуется.

GDDR4/GDDR5 — это последнее поколение "графической" памяти, работающее почти в два раза быстрее, чем GDDR4. Основными отличиями GDDR4 от GDDR3, существенными для пользователей, являются в очередной раз повышенные рабочие частоты и сниженное энергопотребление. Технически, память GDDR4 не сильно отличается от GDDR3, это дальнейшее развитие тех же идей. Первыми видеокартами с чипами GDDR4 стали RADEON X1950 XTX.

GDDR4 не получила широкого распространения даже в решениях AMD. Начиная с GPU семейства RV7x0, контроллерами памяти видеокарт поддерживается новый тип памяти GDDR5, работающий на эффективной учетверённой частоте до 5,5 ГГц и выше (теоретически возможны частоты до 7 ГГц), что даёт пропускную способность до 176 ГБ/с с применением 256-битного интерфейса.

GDDR5 (Graphics Double Data Rate) — 5-е поколение памяти DDR SDRAM, спроектированной для приложений, требующих высокой полосы пропускания. В отличие от его предшественника, GDDR4, GDDR5 основан на памяти DDR3, которая имеет удвоенные по сравнению с DDR2 DQ (Digital Quest) каналы связи, но у GDDR5 также есть буферы предварительной выборки шириной 8 битов как у GDDR4.

GDDR5 соответствует стандартам, которые были изложены в спецификации GDDR5 JEDEC.

Она использует 8n архитектуру предварительной выборки и интерфейс динамической конфигурации устройств, для достижения высокого быстродействия и может быть сконфигурирована, для управления в режимах x32 или x16 (clamshell), который выбирается во время инициализации устройства.

GDDR5 использует две тактовые частоты, CK и WCK, последняя в два раза больше первой. Команды передаются в режиме SDR (стандартная тактовая частота) на частоте CK; адресная информация передаётся в режиме DDR на частоте CK; а данные передаются в режиме DDR на частоте WCK.

Интерфейс GDDR5 передает два информационных слова шириной 32 бита за тактовый цикл (WCK) через выводы микросхемы памяти. Соответствуя 8n предварительной выборке, единичный доступ для чтения или записи состоит из двух передач данных шириной 256 бит за тактовый цикл (CK) внутри ядра памяти и восьми соответствующих половинных передач данных шириной 32 бита за тактовый цикл (WCK) на выводах микросхемы памяти.

Например для GDDR5 со скоростью передачи данных 5 Gbps (5 Гбит/с) на вывод CK подается тактовая частота 1,25 GHz, а WCK c частота 2,5 GHz. Так же часто употребляется эффективная частота (QDR), поскольку как написано выше данные передаются на частоте WCK в режиме DDR. В приведенном примере эта частота составляет 5 GHz.

В связи с наличием двух частот (CK, WCK) производители изделий использующих GDDR5 могут указывать разные частоты для памяти, хотя скорость предачи данных может не отличаться. NVIDIA указывает частоту WCK, AMD частоту CK. Один 32 битный GDDR5 чип использует 170-контактный корпус BGA.

Если для повышения ПСП у памяти GDDR3/GDDR4 приходилось использовать 512-битную шину, то переход на использование GDDR5 позволил увеличить производительность вдвое при меньших размерах кристаллов и меньшем потреблении энергии.

Видеопамять самых современных типов — это GDDR3 и GDDR5, она отличается от DDR некоторыми деталями и также работает с удвоенной/учетверённой передачей данных. В этих типах памяти применяются некоторые специальные технологии, позволяющие поднять частоту работы. Так, память GDDR2 обычно работает на более высоких частотах по сравнению с DDR, GDDR3 — на еще более высоких, а GDDR5 обеспечивает максимальную частоту и пропускную способность на данный момент. Но на недорогие модели до сих пор ставят «неграфическую» память DDR3 со значительно меньшей частотой, поэтому нужно выбирать видеокарту внимательнее.

Итак, видеопамять самых современных типов: GDDR4 и GDDR5, отличается от DDR некоторыми деталями, но также работает с удвоенной передачей данных. В ней применяются некоторые специальные технологии, позволяющие поднять частоту работы.

2.7. Тесселяция и наложение карт смещения.

Основная задача современных видеоприложений и видеоускорителей – повышение реалистичности видеоизображения. Попиксельная обработка в таких приложениях (играх, прежде всего) них достигла довольно высокого уровня, и пиксельные эффекты достаточно сложны, в то время как геометрическая сложность даже в самых лучших играх и приложениях заметно отстаёт.

В кадре игровых проектов обрабатывается максимум до 1-2 миллионов полигонов, что несравнимо с сотнями миллионов в анимационных проектах, к которым стремится качество графики реального времени.

Это положение объясняется тем, что аппаратная и программная поддержка в аппаратной 3D-графике длительное время росла в сторону усиления именно пиксельных шейдеров. А блоки обработки геометрии на протяжении многих лет оставались без особых изменений и их работа не была распараллелена. Что сильно повлияло на разницу в росте возможностей пиксельной и вершинной обработки за эти годы. Так, GeForce GTX 285 более чем в 100 раз мощнее GeForce FX по пиксельной обработке, но всего лишь менее чем в три раза быстрее по обработке геометрии.

На помощь приходят широко известные техники, давно используемые в индустрии 3D-графики, появившиеся задолго до аппаратных решений. Так, в киноиндустрии давно используют разбиение примитивов (tessellation, тесселяция) и наложение карт смещения (displacement mapping).

Тесселяцией большие треугольники разбиваются на мелкие, и затем при помощи карт смещения displacement maps координаты вершин смещаются так, чтобы придать геометрии более детализированный вид.

Комплексное применение этих двух техник рендеринга даёт возможность получения геометрически сложных моделей из относительно простого описания.

Рис. 1. Начальный прямоугольник, состоящий из 2-х треугольников (source), -> прямоугольник после тесселяции (tesseleted), -> послеприменения эффекта карт смещения (displaced).

Лишь с появлением специальных ступеней графического конвейера в DirectX 11 разработчики могут начать действительно широкое применение этих техник в играх. Но какие преимущества может дать применение тесселяции и карт смещения в 3D-графике реального времени, и почему это было невозможно ранее?

Программные пакеты по созданию цифрового контента (ZBrush, 3D Studio Max, Maya, SoftImage и др.) содержат в себе средства, позволяющие использовать эти возможности. Но в нынешних условиях моделлер (дизайнер) должен вручную создавать полигональные модели с несколькими уровнями детализации для применения LOD — level of detail.

Эти модели в виде вершин и треугольников, а также ассоциированных с ними текстур, передаются каждый кадр в GPU по интерфейсу PCI Express. Поэтому игровые разработчики вынуждены использовать сравнительно простые модели из-за ограниченной пропускной способности этой шины, равно как и не особенно высокой геометрической производительности имеющихся GPU.

Даже в лучших игровых приложениях на моделях и окружении мы видим множество рубленых линий и углов, вызванных ограничениями предыдущих графических API и существующих видеочипов. Разработчикам приходится идти на компромисс, повышая детализацию моделей персонажей, заметно меньше внимания обращая на окружение. При этом часть не особенно мелкой геометрии разработчикам приходится имитировать при помощи пиксельных эффектов, а например реалистичные волосы у людей в играх заменяются текстурами, головными уборами и короткими причёсками.

Всё это может измениться с применением тесселяции и современных видеочипов. В GPU посылается несложная геометрически модель отрисовываемого объекта, а аппаратный тесселятор разбивает её на большее количество геометрических примитивов, необходимое для текущей сцены. Затем эти вершины смещаются на необходимое расстояние для добавления детализации.

Рис.2. Пример совместной работы тесселяции и карт смещения.

На рис. 2 слева изображена упрощённая модель, использующая четырёхугольные примитивы. Она весьма несложная, по сравнению с нынешними моделями персонажей, используемыми в играх. Далее идёт изображение, полученное при помощи тесселяции. Оно очень сглаженное и с отсутствующими острыми углами (третий монстр – второй монстр с выключенной “сетью”).

Но сама по себе тесселяция не добавляет деталей, а только сглаживает модель. Поэтому к ней нужно ещё применить карту смещения высот (displacement map). В итоге справа мы видим весьма реалистично выглядящую модель персонажа с множеством геометрических деталей.

Преимуществ у такого подхода предостаточно. Исходная модель геометрически простая, что означает высокую эффективность хранения в графической памяти видеокарты и передачи по шине. Требования по пропускной способности для отсылки модели в GPU получаются весьма низкие, а так как анимация рассчитывается для простенькой исходной модели, то возможно применение более сложных анимационных алгоритмов.

Другим важным преимуществом является возможность гибкого изменения результирующей геометрической сложности, то есть динамический уровень детализации (LOD). Так как все данные для тесселяции хранятся на чипе, передача нескольких моделей с разными уровнями детализации не требуется. Также, можно обойтись одной и той же моделью и картой смещения для разных игровых платформ, задавая уровень детализации при помощи разбиения на различное количество примитивов.

Важным отличием тесселяции и карт смещения от попиксельных эффектов вроде карт нормалей и parallax mapping является воздействие именно на вершины, а не пиксели. То есть, при описанном выше методе без проблем получатся чёткие тени, самозатенение и детальные силуэты объектов.

Причём карты смещения могут легко сочетаться с пиксельными техниками. Так, displacement mapping можно использовать для имитации крупных неровностей модели, а для normal mapping оставить такие мелкие детали, как царапины и поры кожи.

Ещё одной из интереснейших возможностей, предоставляемых тесселяцией и картами смещения, является возможность динамического изменения геометрии «на лету». Например, выстрел из автомата по кирпичной стене вызовет реальное изменение геометрии и появление в стене дырки, а не просто отметки («decal»), обозначающей место попадания, как это повсеместно делается сейчас.

Дата добавления: 2014-01-15