Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский университет)

Факультет «Энергетический»

Кафедра «Сети и системы»

Реферат на тему «Технология повышения производительности видео-подсистемы SLI» по дисциплине «Информатика и программирование»

Выполнил: студент группы Э-102: _____________/Климов.В.Е /

Проверил: степ. преп. ИНИТ ____________/Сорокина ТатьянаВикторовна/

Реферат защищен с оценкой: ___________________________

«___» ____________2019.

АННОТАЦИя

Климов В.Е, Технология повышения производительности видео-подсистемы SLI, Южно-Уральский государственный университет, Э-102, 30 с.,

Цель реферата – рассказать о технологии повышения производительности видео-подсистемы SLI.

Задачи реферата - получить и обобщить знания об использовании sli технологий.

В реферате рассмотрены основные виды расширений SSE, рассмотрены их преимущества по сравнению с ранними версиями расширений, рассмотрены принципы обработки мультимедийных данных.

Краткий обзор на технологию sli

В современном компьютерном мире двигателем прогресса является индустрия компьютерных игр. Чтобы вдоволь насладиться игрой, требуется оснащённый по последнему слову техники компьютер. Да и то, как показывает практика, на момент поступления некоторых игр в продажу возможностей даже самых передовых графических акселераторов может не хватить. Компания Nvidia нашла решение проблемы. Поскольку увеличение тактовых частот памяти и графического процессора не давало должного эффекта, было принято решение использовать две видеоплаты в одном компьютере.     Пожалуй, стоит напомнить, что к такому способу несколько лет назад прибегала компания 3Dfx, выпустившая плату Voodoo2, способную работать в режиме SLI (Scan Line Interleave). Эффект от двух  Voodoo2 в одном компьютере был просто фантастическим  - почти двукратное увеличение производительности во всех компьютерных играх тех дет.. Причём основной упор компания 3Dfx делала не столько на быстродействие, сколько на рабочее разрешение. К моменту появления Voodoo2 в продаже все современные по меркам того времени ускорители трёхмерной графики были способны нормально работать только с разрешением 800х600. После выхода нового продукта 3Dfx пользователям стало доступно разрешение 1024х768. Правда, чтобы им пользоваться, требовалось установить две платы Voodoo2 в режиме SLI. Данное решение позволило 3Dfx стать лидером «гонки вооружений», развернувшейся в конце девяностых годов прошлого века.   К сожалению, 3Dfx сделала основную ставку на SLI  - и проиграла. Компания была разорена, затем объявлена банкротом, и позже её активы спешно продали с аукциона всего за $70 млн. Покупателем большинства активов стала Nvidia, которая спустя четыре года после краха 3Dfx выпустила свою версию SLI. Только теперь аббревиатура SLI расшифровывается по-другому (Scanlable Link Interface)  и работает несколько иным образом.

Компания Nvidia выбрала сложный, можно сказать, тернистый путь. В отличие от 3Dfx, которая, выпуская Voodoo2 SLI, исходила из совместимости с имеющимся у пользователей компьютерным оборудованием, Nvidia воспользовалась совсем иными методами. Во времена 3Dfx всё было просто: единственное условие для использования Voodoo2 SLI заключалось лишь в наличии двух слотов PCI, которые присутствовали едва ли не в каждом компьютере. Теперь придётся раскошелиться на новую материнскую плату с чипсетом, поддерживающим SLI, блок питания мощностью от 500 Ватт и выше, и производительный процессор типа Core2Duo, а также  две абсолютно одинаковые видеоплаты, поддерживающие возможность одновременной работы.     Принцип работы Nvidia SLI следующий: изображение также делится на две равные части – верхнюю и нижнюю, каждая из которых обрабатывается одной видеоплатой. Поскольку обе используемые видеоплаты одинаковы, возникает простой вопрос: как же установить их на материнскую плату. Согласно всем современным тенденциям, шина PCI Express является теперь основной для всех устройств. К ней подключаются все платы расширения. Пропускная способность (ПС) шины PCI Express определяется числом используемых линий передачи данных. ПС одной линии составляет 250 Мбайт/с. Так, например, сетевой плате или любому другому примитивному устройству вполне хватит одной линии. Видеоплатам по умолчанию отводится 16 линий, что составляет ПС, равную 4 Гбайт/с. Как известно, сегодня по маркетинговым соображениям и оценкам финансовых затрат при производстве возможности чипсетов с шиной PCI Express серьёзно ограничены величиной 20 линий (16+1+1+1+1) или 36 линий (16+16+1+1+1+1).     Необходимо сразу отметить, что все чипсеты с поддержкой SLI могут работать как с одной видеоплатой, так и с двумя.     Чтобы заставить компьютер работать в режиме SLI, требуется установка специального моста между двумя видеоплатами. Мост поставляется в комплекте с платой и выполняет роль электрического соединения двух контактов. Основной функцией моста является связь графических процессоров друг сдругом.    Производительность системы Nvidia SLI во многом зависит от драйвера видеоплат. Именно драйвер отвечает за правильную балансировку нагрузки между видеоплатами, а также за то, какой из режимов вывода изображения использовать в соответствии с запущенным программным обеспечением. Существует два метода обработки изображений, которыми пользуется драйвер при работе с 3D-приложениями. О том, чем они отличаются и как работают, я расскажу поподробнее.    При таком методе работы видеоизображение, выводимое на монитор, обрабатывается следующим образом. Видеоплаты прорисовывают изображение по очереди. Текущий кадр выводит одна видеоплата, следующий – другая, и так далее. В случае если одна плата не справляется с прорисовкой кадра за отведённый для этого промежуток времени, ей начинает помогать вторая. Если использовать данный способ рендеринга, то в некоторых приложениях можно не получить прибавку производительности вообще.    Более интересным способом обработки информации является SFR. При его использовании изображение, выводимое на экран, делится поровну на части. Каждая из видеоплат обрабатывает лишь свою часть. При этом драйвер следит за нагрузкой на обе видеоплаты, и в том случае, если одна из них простаивает, пропорциональное отношение данных частей экрана изменяется. Одна видеоплата начинает обрабатывать большую часть экрана, чем другая.

   

 Предыстория создания технологии

Как и где зарождалась технология SLI? Как известно, разработкой SLI занималась компания 3dfx. Итак, вернемся в прошлое и вспомним, с чего начинала эта компания, каких вершин ей удалось достигнуть, и почему она безнадежно развалилась.

Производитель легендарных всемирно известных видеокарт Voodoo компания 3dfx начинала свою историю с небольшого предприятия по производству микросхем для игровых автоматов. На рынок PC она перешла в 1995 году, представив миру свой первый ускоритель 3D графики. Точнее, не ускоритель, а чипсет под названием Voodoo Graphics.

Сами же ускорители на базе чипов 3dfx выпускали другие компании. Одной из самых известных в то время была Diamond Multimedia, которая занималась поддержкой чипов Voodoo с самого начала. Самым известным видеоадаптером тех времен был Diamond Monster 3D. Ускоритель Voodoo Graphics представлял собой PCI-плату с двумя разъемами. К первому подсоединялся монитор, а ко второму - специальный passthrough-кабель, соединяющий ускоритель 3dfx с уже имеющейся в компьютере видеокартой. Так, при работе в 2D-приложениях, ускоритель передавал сигнал видеокарте через кабель. При запуске 3D-приложений отображение картинки на экран производилось при помощи ускорителя. Первый ускоритель поддерживал все API: Direct3D, Glide и OpenGL (не полноценно, а при помощи эмулятора).

Грамотный маркетинг, тесное сотрудничество с разработчиками ПО и очень квалифицированные специалисты не заставили долго ждать успеха. 3dfx развивалась весьма активно и уже совсем скоро начала теснить таких монстров, как S3, ATI и Matrox. А это, поверьте, не так уж легко.

Через год, в 1996 году, 3dfx анонсировала наследника Voodoo Graphics - Voodoo Rush. Впервые эти чипы были продемонстрированы на адаптерах Hercules 128/3d на Comdex. Первые продажи начались в начале следующего 1997 года. Видеоускорители на базе Voodoo Rush были дороже Voodoo Graphics и, к тому же, они не могли похвастать стабильно безглючной работоспособностью. По сему, они не претендовали на "массового" покупателя и, в принципе, считались не удачными. Видеоускорители на базе чипов Voodoo за то и ценили, что они были очень производительными и оснащенными. По этому среди покупателей ускорителей на базе этих чипов пользовались наибольшей популярностью дорогие решения.

Далее маркетинговая идея 3dfx продолжалась теми же темпами. Каждый год выпускался один топовый чип для долгосрочного пользования в перспективе, и более простая его версия, с упрощенными характеристиками.

Технология SLI

Через три года после выхода Voodoo Graphics, в 1998 году, на рынке видеокарт появилось слишком много продуктов, каждый из которых пытался "переплюнуть" шедевр 3dfx. Ответным ударом был выход нового ускорителя - 3dfx Voodoo2 Graphics. Именно на этом ускорителе впервые появилась технология SLI (а точнее - Voodoo2 SLI).

Технология SLI (тогда аббревиатура расшифровывалась, как "Scan Line Interleaving", что в переводе означало "чересстрочное сканирование кадров") позволяла объединять видеоускорители с целью увеличения производительности в 3D-приложениях.

На практике это выглядело примерно так. Так же, как и 3dfx Voodoo Graphics, 3dfx Voodoo2 Graphics был ускорителем в чистом виде. Подключение производилось по такому же самому принципу: монитор подключался к ускорителю, а специальный passthrough-кабель соединял ускоритель с 2D-видеокартой. Возможность SLI позволяла соединять видеоускоритель с таким же ускорителем посредством гибкого шлейфа, напоминающего ATA- и FDD-шлейф.

Таким образом, вся видеосистема занимала 3 разъема PCI. Конечно, это не очень удобно, но, по заверению 3dfx, позволяло увеличить производительность вдвое. На практике же прирост был не такой большой - от 20% до 50%.

Принцип работы заключался в том, что адаптеры вычисляли строки изображения поочередно. Каждый ускоритель записывал свои строки в свою видеопамять и через цифро-аналоговый преобразователь выводил свои строки на монитор. Если цифро-аналоговые преобразователи отличались по характеристикам, могли возникать неточности в отображении картинки.

Длительный период производительности Voodoo2 Graphics в режиме SLI не было равных. Этот ускоритель за время своего существования побывал во всех сегментах рынка видеокарт. Сначала он был топовым и практически не имел конкурентов.

С появлением новых чипов NVIDIA ускорители 3dfx переместились к среднему классу. И, наконец, с появлением шины AGP и выхода чипов RivaTNT и ATI Rage, ускорители Voodoo2 Graphics стали пользоваться все меньшей и меньшей популярностью. Первое время ситуацию спасали "глючные" драйвера для видеокарт AGP, но рынок видеочипов становился все уже и ситуация требовала решительных шагов вперед.

Переход на новую, тогда еще перспективную шину AGP, а также объединение ускорителя и видеокарты в одном устройстве (уже не нужно было разделять 2D и 3D графику) беспощадно убили технологию SLI. Судите сами: у шины PCI не было никакой перспективы к увеличению пропускной способности, хорошая видеосистема на базе Voodoo2 Graphics требовала немалых затрат и занимала уйму места в материнской плате, да к тому же и конкуренты не сидели на месте, разрабатывая все более мощные чипы…

Дальнейшая судьба 3dfx

После ухода с рынка видеокарт Voodoo2 Graphics компания 3dfx обновила линейку своих видеокарт. Новые чипы - Banshee, Velocity и Voodoo3 для шины AGP и PCI, были также представлены в нескольких модификациях, все шло нормально и ничто не могло предвещать беду.

Однако через неделю после появления Voodoo3 Graphics для AGP на прилавках магазинов появились новые видеокарты от конкурентов - NVIDIA RivaTNT2, Matrox G400, ATI Rage128 Pro и S3 Savage4. Самым главным конкурентом Voodoo3 была линейка чипов NVIDIA RivaTNT2. Чип от NVIDIA поддерживал 32-битный цвет, z-буфер, полнофункциональное использование шины AGP и большие текстуры. До выхода игры Quake II от id Software это было не так актуально. Но с появлением этой игры низкая функциональность видеокарт 3dfx стала более заметной и неблагоприятной.

Выход модернизированной версии Voodoo3 затянулся надолго. Сначала он был обещан на август 1999 года, затем перенесен на середину осени, потом снова откладывался… Тем временем выходит GeForce256, устанавливая новый уровень производительности и технологической начинки видеокарт.

Проблемы в 3dfx не исчезали, по каким-то причинам было слишком много брака, и новый чип никак не поступал в серию. В конце концов проблему выявили, но уже было слишком поздно. Рэнди Эйзенбах, руководитель производства, сократил штат инженеров, которых осталось всего двое и, судя по слухам, "сливал" информацию конкурентам. Чтобы как-то "свести концы с концами" 3dfx в июле 2000 года безуспешно попыталась продать свою фабрику по производству видеокарт в Мексике.

Через пару месяцев, в сентябре 2000 года, 3dfx сделала вынужденный решающий шаг. В надежде избежать разорения, она полностью отказалась от производства видеокарт, сосредоточившись на чипах. Но, с выходом NVIDIA GeForce2 GTS и NVIDIA GeForce2 MX, с которыми линейка чипов Voodoo 4 и Voodoo 5 просто не могла конкурировать, дела 3dfx стали совсем плохи… И уже 6 сентября стало понятно, что даже хороший инвестор не спасет ситуацию - 3dfx начала поиски потенциального покупателя их видео бизнеса.

Первые переговоры с NVIDIA состоялись 25 октября. Во время проведения переговоров компания 3dfx убедила NVIDIA в том, что приобретение их бизнеса будет очень выгодным и перспективным. Были раскрыты все секретные наработки в области видеокарт, а также изложены спецификации уже существующих технологий. NVIDIA этим заинтересовалась и предложила еще одни переговоры, до которых, кстати говоря, 3dfx могла и не дожить (ее уже в декабре могли объявить банкротом). В итоге, NVIDIA купила 3dfx со всеми ее наработками и технологиями, которые, как видите, сейчас ей пригодились.

Осоенности работы sli технологи

В отличии от SLI решения 3dfx, для работы SLI от NVIDIA вам понадобятся не три, а всего две видеокарты. Ведь во всех современных адаптерах ускоритель объединен с видеокартой. Это выгодно по двум причинам: задействовано меньше свободных разъемов на материнской плате, а также отсутствуют задержки при оцифровке изображения и вывода его на монитор.

Как в случае с Voodoo Graphics, обе видеокарты NVIDIA соединяются с помощью SLI-bridge (SLI-мостика). Мостики бывают разной длины, в зависимости от расстояния между видеокартами. Крепится SLI-bridge на специальный разъем, который есть на каждой SLI-совместимой видеокарте. Вся информация между видеокартами передается не через шину, а через мостик на скорости около 1 Гб/с. Один из адаптеров - ведущий, второй - ведомый, к ведущему подключается монитор. На ведущей карте находится фрейм-буфер, которому сообщается вся обработанная информация с обеих видеокарт и совмещается между собой.

В отличии от 3dfx SLI, современные видеокарты могут работать в двух режимах: Split Frame Rendering и Alternate Frame Rendering. Режим Split Frame Rendering очень напоминает реализацию SLI от 3dfx. Вся картинка делится на две части таким образом, чтобы нагрузка на видеокарты при обработке изображения была приблизительно одинаковой. Заметьте, что если бы кадр делился на две равные части, нагрузка на видеокарты была бы не одинаковой. Например, в автомобильных симуляторах вся сложная часть трехмерной модели находится в нижней части экрана, а в верхней части помимо красивого горизонта, почти ничего нет. Так, одна видеокарта будет работать в полную силу, а вторая "отлынивать".

Чтобы этого не допустить, драйвера распределяют нагрузку между видеокартами должным образом. Поскольку игровые сцены в компьютерных игрушках носят нестабильный характер, драйверу нужно постоянно регулировать нагрузку между видеокартами.

В режиме Alternate Frame Rendering каждый адаптер обрабатывает свой кадр. Центральный процессор отправляет ведущей карте запрос на обработку первого кадра и сразу же отправляет ведомой карте запрос на обработку второго кадра. Таким образом, одна видеокарта обрабатывает нечетные кадры, а вторая - четные.

Теперь несколько слов о разгоне видеокарт. Их можно разгонять, только до одних и тех же частот и обе сразу. Так, помимо SLI режима, у геймеров есть возможность получить еще немного дополнительных fps в играх с помощью разгона.

Достоинства и недостатки новой версии SLI

Самым главным достоинством технологии SLI является увеличение производительности в 3D-приложениях. Еще одно - вы получаете возможность немного доплатить и купить две карточки NVIDIA GeForce 6800 вместо одной NVIDIA GeForce 6800 Ultra. Во многих играх увеличение производительности достигает 60-70%. В тестовых приложениях эта цифра иногда доходит и до 100%. Не разгоняя видеокарту и не рискуя ее перегревом, стало возможным увеличить производительность в играх. С точки зрения модернизации компьютера технология SLI также имеет свои преимущества. Не меняя видеокарту, вы просто докупаете еще одну, которая к моменту модернизации ПК обязательно подешевеет.

Из недостатков стоит выделить высокую стоимость видеосистемы, включая мощный блок питания (от 400 Вт) и материнскую плату на новом чипсете. Также не самым лучшим образом реализовано распределение видеопамяти. Если установить в компьютер две платы по 128 Мб, то объем полезной видеопамяти так и останется 128 Мб, а не удвоится. Это объясняется тем, что данные, полученные от API, дублируются для каждой видеокарты.

В конце 90х годов прошлого столетия очень многим полюбилась технология SLI. Многие и сейчас рыщут по барахолкам в поисках SLI-комплектов на базе Voodoo2. Но сейчас они уже утратили смысл, современная компьютерная индустрия уже находится на намного более высоком уровне…

Конечно, производительность видеосистем SLI 1998 года с современными не сравнить. Но принцип их работы, не считая нескольких отличий, в общем остался таким же. И кто знает, было бы ли сейчас у NVIDIA какое-то подобие SLI, если бы инженеры 3dfx не потрудились в 1998 году над разработкой ускорителей Voodoo2 Graphics, на которых впервые появилась возможность SLI...

Сравнение технологий Nvidia sli и CrossFireX

Технология CrossFireX от AMD по сути аналогична SLI (Scan Line Interleave) от NVIDIA, они обе служат для объединения нескольких видеокарт для обработки 3D изображений. Первая обещает средний прирост производительности в зависимости от разрешения и модели карты на 70-100%, вторая — в 2 раза.

Обе технологии требуют наличия специальной материнской платы, минимум с 2-мя разъемами PCI Express x16/2.0/2.1, мощный блок питания — более 500 ватт и шустрый многоядерный процессор. Видеокарты нужны одной серии, модели могут быть разными (на разных чипах). Быстродействие всей системы будет определяться ядром наименее производительной из карт. Соединять видеокарты нужно специальными гибкими мостиками, раньше применялся еще и программный способ, когда передача данных шла через шину PCI Express, а сопряжение видеокарт осуществлялось драйверами, но потери производительности такого способа по сравнению с физическим составляли от 10-15%. Последние модели видеокарт вовсе не могут так объединяться. При помощи технологий CrossFireX и SLI можно объединить до 4 видеокарт.

Изображение при использовании нескольких графических процессоров строится несколькими методами. Первый — Scissor (CrossFireX) или Split Frame Rendering (NVIDIA), при котором разные видеокарты обрабатывают разные части изображения, не всегда равные. Минус данного режима — проблема сглаживания на стыке частей изображения.

Второй режим — SuperTiling (только CrossFireX), когда картинка делится на равные квадраты, нагрузка на видеокарты распределяется приблизительно одинаково. Недостаток заключается в неравномерной обработке графической и геометрической составляющих кадра.

Alternative Frame Rendering — используется AMD и NVIDIA. Видеокарты обрабатывают кадры по очереди, пиксели и геометрическая составляющая кадра рассчитываются совместно, но из-за неравных характеристик кадров изображение может «замораживаться».

SuperAA (CrossFireX) или SLI AA (NVIDIA) — этот метод нацелен на улучшение качества картинки больше, чем на повышение производительности. Две видеокарты прорисовывают одно изображение с разными режимами сглаживания, заключительная картинка генерируется потом.

Однозначно ответить, что из технологий лучше, CrossFireX или SLI, нельзя. В настоящий момент производитель CrossFireX заявляет, что скоро будет возможна работа со всеми приложениями, включая старые игры, которые никак не реагировали на увеличение количества видеокарт. SLI такой гарантии не дает. Однако, недавно проводилось тестирование двух технологии с помощью инструмента Frame Capture Analysis Tool (FCAT) от NVIDIA, который тестирует количество «коротких» и пропущенных кадров, не учитываемых обычными системами измерения производительности по количеству кадров в секунду. Результаты показали, что связка CrossFireX обычно содержит больше пропущенных и «коротких» кадров, чем SLI NVIDIA. Пока нет достоверных данных, сможет ли рядовой геймер заметить эти различия.

сравнение технологий CrossFireX и SLI на платформах LGA 1155 и АМ3+

Инструментарий и методика тестирования

Для более наглядного сравнения стендовых конфигураций все игры, используемые в качестве тестовых приложений, запускались в разрешениях 1280х1024, 1680х1050 и 1920х1080.

В качестве средств измерения быстродействия применялись встроенные бенчмарки, утилиты FRAPS v3.4.2 build 13202 и AutoHotkey v1.0.48.05. Список игровых приложений:

• Assassin's Creed Brotherhood (Центр Рима);

• Battlefield Bad Company 2 (Накопление сил);

• Bulletstorm (Действие 3 - Глава 1. "Где один снайпер, там еще десять");

• Call of Juarez: The Cartel (Глава 1. Национальный парк "Секвойя");

• Dead Island (Глава 10. В сельву);

• Deus Ex: Human Revolution (Допрос);

• DIRT 3 (Бенчмарк - ASPEN);

• Formula 1 2010 (Бенчмарк);

• Grand Theft Auto 4 EFLC (Бенчмарк - Потерянные и Проклятые);

• Hard Reset (Бенчмарк);

• Just Cause 2 (Бенчмарк - Бетонные джунгли);

• Metro 2033 (Бенчмарк);

• Risen (Предместья Харбор-Тауна);

• The Witcher 2: Assassins of Kings (Окрестности Флотзама);

• Tropico 4;

• Warhammer 40.000: Space Marine (Часть 1 - Глава 1. Высадка).

Во всех играх замерялись минимальные и средние значения FPS.

В тестах, в которых отсутствовала возможность замера минимального FPS, это значение измерялось утилитой FRAPS.