МИР NVIDIA / Использование PCI Express для графики. Анализ стратегии ATI и NVIDIA в области PCI Express. 

Использование PCI Express для графики.
Анализ стратегии ATI и NVIDIA в области PCI Express.

29.03.2004


Хотя мы ещё долго не увидим материнских плат с чипсетами, поддерживающими PCI Express, ATI и NVIDIA уже открыли свои планы по выпуску плат, совместимых с новой технологией и созданных на основе чипов Radeon и GeForce FX текущего поколения. ATI и NVIDIA сходятся на том, что PCI Express является следующим этапом развития графических интерфейсов, однако подходы компаний к вводу совместимости с PCI Express сильно разнятся: ATI предоставит совместимость с PCI Express в новой линейке GPU, поддерживающих PCI Express, а первым шагом NVIDIA к внедрению PCI Express станет мост, позволяющий использовать AGP GPU на новом интерфейсе.

Согласно утверждениям ATI, установка чипа моста создаст целый ряд проблем с производительностью и совместимостью, которые не возникнут при использовании "родной" поддержки интерфейса. Тем не менее, NVIDIA настаивает на том, что их решение оправдано. Давайте вместе разложим по полочкам технологическую стратегию в области PCI Express от ATI и NVIDIA, чтобы разобраться, насколько обоснованы их заявления.

Основы PCI Express

Прежде чем начать детальное изучение, стоит потратить несколько минут чтобы разобраться, что же представляет собой PCI Express и что данная технология может принести в мир графики.

PCI Express - это интерфейс третьего поколения, который призван заменить PCI, PCI-X и AGP. Чтобы избежать проблем с производительностью, которые могут возникнуть из-за разделения трафика с общей шиной, вся архитектура PCI Express была построена на множестве соединений типа "точка-точка" (point-to-point). Такие соединения используют схему последовательной пакетной передачи данных, больше напоминающую сеть Ethernet чем традиционную шину PCI. Каждое из этих соединений обладает независимым потоком в одну и в другую сторону, а также поддерживает двунаправленную передачу данных. В случаях, когда больше двух устройств одновременно должны связаться друг с другом, разработчики чипсета должны использовать распределительную архитектуру для регулирования передачи по PCI Express без сужения полосы пропускания любого из устройств.

Чтобы удовлетворять различным потребностям в потоке данных для разных системных компонентов, PCI Express может состоять от 1 до 32 "полос". "Однополосное" соединение X1 даёт 250МБ/с выделенного трафика в каждом из направлений, чего должно хватить для аудио потребительского класса, для сетевого оборудования и для задач хранения данных, но будет недостаточным для графики. Чтобы заменить AGP, первая волна графических устройств PCI Express будет использовать шестнадцатиполосное соединение X16, дающее поток 4ГБ/с в обоих направлениях - гораздо больше, чем 2.1ГБ/с на AGP 8X. Хотя соединения X4 и X8 также допустимы, для персональных компьютеров наиболее популярными станут X1 и X16. Можно ожидать, что первые чипсеты с поддержкой PCI Express будут блистать целым набором соединений X1 на южном мосте и одним соединением X16 на северном мосте.

Кроме расширенной полосы пропускания PCI Express практически ничего не даёт. Благодаря последовательной архитектуре, PCI Express реализует гораздо больший поток данных на одном физическом соединении, чем прежние стандарты ввода/вывода, что поможет снизить себестоимость и уменьшить размеры периферийных компонентов. Кроме того, PCI Express поддерживает возможность управления питанием и горячее подключение, а его пакетный протокол позволяет осуществлять работу в асинхронном режиме для реализации зависящей от времени передачи данных (time-dependent data delivery) и арбитража качества обслуживания (quality of service ), с целью оптимизации полосы пропускания под потоки данных с высоким приоритетом.

С учётом всех новых возможностей и резко возросшим потоком данных, PCI Express является огромным шагом вперёд от PCI и AGP. При этом PCI Express сохраняет программную совместимость с PCI, поскольку использует инициализацию устройств и модели памяти PCI, а это значит, что драйверам и операционным системам потребуется претерпеть лишь незначительные изменения для внедрения поддержки нового интерфейса.

ATI встраивает поддержку

Стратегия ATI на поле PCI Express выражена в новой линейке GPU со встроенной поддержкой нового интерфейса, отражающей современные графические продукты компании. За исключением встроенной в чип поддержки интерфейса, эти новые GPU будут идентичны своим AGP-прообразам. ATI заявляет, что подобный подход к поддержке PCI Express позволит их GPU более полно использовать преимущества потенциала производительности PCI Express, за счёт отсутствия латентности (задержки доступа) возникающей при использовании чипа моста. Новые GPU от ATI позволят использовать 4ГБ/с соединения X16 в полной мере, чего по заявлениям ATI невозможно добиться при применении моста.

Со стороны ATI также можно услышать заявления, что прямая поддержка более экономична, чем использование моста, поскольку не приходится тратиться на его чип. Однако ATI не упоминает, во сколько может обойтись поддержание параллельного производства GPU и для AGP, и для PCI Express.

Стратегия ATI должна привести к упрощению дизайна плат и снижению стоимости производства этих плат партнёрами ATI. Производителям плат не нужно будет заботиться о дополнительных расходах и сложностях, связанных с установкой чипа моста, и им не придётся беспокоиться о мосте как о возможном потенциальном источнике неприятностей. Для разработчиков, раздумывающих о том, к какому лагерю примкнуть, простота встроенной поддержки интерфейса предлагаемой ATI будет весьма привлекательна. Однако в условиях, когда большинство производителей графических карт слегка переделывают или просто меняют наклейку на уже готовом дизайне, мы не уверены, что это станет значительным фактором.

ATI также заявляли, что решения PCI Express построенные на мосте будут страдать из-за небольшой задержки при начальной подаче питания, в отличие от вариантов с "родной" поддержкой, и что решения с мостом могут оказаться неспособны использовать все возможности PCI Express, в частности управление питанием. Заявления относительно управления питанием были сделаны ATI до того, как NVIDIA открыла детали о своём мосте PCI Express, и, похоже, что такая озабоченность оказалась несколько преждевременной.

NVIDIA наводит мосты

Стратегия NVIDIA в поддержке PCI Express, по крайней мере для анонсированной линейки продуктов GeForce PCX, основана на новом высокоскоростном чипе моста, разработанном компанией - High-Speed Interconnect (HSI). Мост HSI представляет собой обратимый интерфейс AGP - PCI Express, полностью прозрачный для программного обеспечения. Сначала HSI будет использоваться для соединения графических чипов AGP с PCI Express, но также мост может быть использован для соединения PCI Express GPU с интерфейсом AGP.

Карты GeForce PCX используют чип HSI как мост между AGP интерфейсом графического процессора и X16 слотом PCI Express. Чтобы как можно в более полной мере сохранить допустимую интерфейсом PCI Express полосу пропускания, NVIDIA поднимает частоту интерфейса AGP на своих GPU серии NV3x, вдвое увеличивая скорость AGP 8X и достигая производительности класса "AGP 16X". Чип HSI общается с GPU на скорости "AGP 16X", предоставляя в сумме 4.2ГБ/с пропускной способности, которую можно использовать для передачи данных в любом из направлений. Как мы уже говорили, PCI Express может передавать данные со скоростью 4ГБ/с в обоих направлениях, что в сумме образует поток в 8ГБ/с. Таким образом, "AGP 16X" даёт примерно половину от пропускной способности PCI Express X16, но поскольку почти любая передача графических данных проходит в одну сторону (в сторону графической карты), это решение должно вполне разумно подходить для PCI Express графики.

Согласно утверждениям NVIDIA, графические чипы GeForce FX создавались с учётом скоростей AGP выше отметки 8X, и GPU во всех картах GeForce PCX потянут по крайней мере скорость интерфейса "AGP 12X". NVIDIA по прежнему занимается отбором GPU для линейки PCX, но по всей видимости high-end карты вроде GeForce PCX 5950 будут оснащены GPU работающими на скорости "AGP 16X".

Но даже на "AGP 12X," карты GeForce PCX будут давать примерно 3.1ГБ/с. Тем не менее, NVIDIA обращает внимание на то, что эффективная пропускная способность PCI Express bandwidth гораздо важнее, чем теоретический пик. Они предложили следующую формулу для определения эффективной полосы пропускания соединения PCI Express:

Эффективная полоса пропускания = ПП шины * (размер запроса/(размер запроса + размер служебных данных пакета)) * эффективность

Графические чипы NVIDIA поддерживают 64-байтный размер запроса и имеют 20 байтов служебных данных в пакете, что в результате даёт 3ГБ/с эффективной полосы пропускания PCI Express, при условии 100% эффективности. Согласно данным NVIDIA, графические чипы ATI поддерживают только 32-байтный размер запросов, что снижает эффективную полосу PCI Express до 2.5ГБ/с - даже меньше чем AGP 12X. ATI пока никак не комментирует это заявление по поводу 32-байтного размера передачи и формулы NVIDIA.

В противовес утверждению ATI о том, что использование моста увеличит латентность, NVIDIA заявляет, что порог зависимости их GPU от латентности выше, чем латентность чипсета и интерфейса. NVIDIA также утверждает, что карты GeForce PCX будут поддерживать управление питанием интерфейса PCI Express, избегая ещё одного потенциального недостатка применения моста.

От факта, что стратегия NVIDIA для GeForce PCX потребует ещё один чип, никуда не деться. И всё же у подобного подхода есть свои преимущества. Вместо того, чтобы поддерживать параллельные линии производства AGP и PCI Express, NVIDIA может создать по одному GPU для каждого класса продуктов и использовать мосты HSI по мере надобности. По данным NVIDIA разработка новых GPU с поддержкой PCI Express для всей серии GeForce FX обойдётся примерно в 20 миллионов долларов. При наличии таких чисел, использование одного чипа моста кажется экономически оправданным, особенно если его можно применить и для совмещения PCI Express GPU с интерфейсом AGP.

Другие варианты мостов

Через некоторое время мы вновь можем услышать разговоры о недостатках мостов для PCI Express, но быстрый взгляд на мир жёстких дисков показывает, что установка подобных решений может и не быть такой большой проблемой. Сегодня, почти все устройства Serial ATA, включая сверхбыстрый Raptor WD740GD от Western Digital, построены на мостах, а не на "родном" интерфейсе SATA. Seagate является единственным производителем, предлагающем "настоящие" диски Serial ATA, но серия Raptor с мостами не испытывает проблем при достижении ещё большей производительности, одновременно поддерживая такие возможности Serial ATA как очередь команд и горячее подключение.

Конечно, у графических карт и жёстких дисков мало общего, и может быть сравнение с Serial ATA не совсем корректно. Жёсткие диски нечасто достигают предела пропускной способности своих интерфейсов, поскольку при получении данных они в большей степени зависят от движущихся частей, а не от полупроводников. Тем не менее, диски Raptor прекрасно иллюстрируют, что при соблюдении определённых условий интерфейсы, основанные на мостах, не означают конец производительности или поддержке возможностей.

Более подходящей аналогией, возможно, станут системы Athlon 64 со связями HyperTransport. Как и PCI Express, HyperTransport является высокоскоростным, узкоканальным интерфейсом, основанном на пакетной передаче данных. До дебюта Athlon 64, у некоторых людей возникали сомнения, насколько хорошо быстрое и узкое соединение HyperTransport будет передавать данные для медленной и широкой шины AGP. Повысит ли оно латентность? (Как мы знаем, HyperTransport не использует передачу данных через мост на AGP, а скорее включает её как часть стандарта, но преобразование из медленного и широкого канала в быстрый и узкий - примерно то же самое.) Конечно, как оказалось Athlon 64 работает просто замечательно, особенно в графических и игровых программах.

В итоге у нас имеется надежда, что чип моста от NVIDIA не будет сильно влиять на производительность. По крайней мере, один прецедент подтверждает это.

Заключение

ATI является очевидным лидером в технологии использования PCI Express для графики, и этот факт ставит NVIDIA в заведомо невыгодное положение, когда компания вынуждена оправдывать использование чипа моста. К счастью, NVIDIA ловко уклоняется от ударов со стороны ATI и приводит разумные утверждения о том, почему именно HSI является верной стратегией для GeForce PCX.

Честно говоря, некоторые попытки поставить это решение над PCI Express могут показаться наигранными. Для начала, речь пока идет только об использовании PCI Express для нынешнего поколения графических чипов. Первые пользователи PCI Express, или те из них, кто принадлежит к числу компьютерных энтузиастов, скорее будут озабочены реализацией PCI Express в чипах следующего поколения NV40 и R420, а не в перекрашенных версиях прошлогодних GeForce и Radeon.

Все разговоры об отношении качества "родной" поддержки PCI Express и поддержки через мост предполагают, что современные программы нуждаются в той полосе пропускания, что может дать PCI Express, но на самом деле это не так. Как известно, при переходе с AGP 4X на AGP 8X, удвоенный трафик интерфейса совсем не обязательно влечёт за собой рост производительности. Сначала должны появиться приложения, которые будут использовать столь "обильный" трафик, прежде чем разница между новым интерфейсом и AGP 8X станет ощутимой, а игры и прочие приложения могут ещё годами добираться до этого рубежа.

Не поймите сказанное неверно. PCI Express обладает потенциалом, позволяющим появиться новым программам и развить графику на PC. Однако вполне естественным и справедливым будет мнение, что большинство энтузиастов начнут использовать такие приложения на графических чипах не сегодняшнего, а завтрашнего дня.



Перевод осуществлен ViC

Источник: Tech Rreport

Обсудить/дополнить в конференции