Тенденциоз

Как все запущено!
Доктор

Для начала рекомендую ознакомиться с личной картой героя этой статьи. Ускорителя трехмерной графики, больного лихорадочной производительностью.

Рискуя повторить хорошо известные читателю истины, не буду комментировать данную схему, уже неоднократно описанную на страницах "Терры". В свою очередь, высвободившееся место обязуюсь заполнить полезной и актуальной информацией.

Итак, попытаемся поставить диагноз, отметив качественные тенденции развития современных ускорителей. Разумеется, автору статьи гораздо проще и корректней сравнивать мегапикселы с мегатекселами или, на худой конец, мегабайты с мегагерцами. Может быть, я несколько старомоден, но предпочитаю вначале сравнивать субъективные ощущения, а уже потом стоящие за ними цифры. Человеку приятно иметь дело с надежностью, качеством, реалистичностью и красотой. Совершенно ненаучными и не измеряемыми численно параметрами. Разговор начнем с конца. В смысле, с выходов.

Смотрите... не смотрите...

Качество изображения зависит от устройства демонстрации (монитора), канала доставки и, наконец, самого изображения, рассчитываемого ускорителем. Рассчитываемое изображение и мониторы могут позволить себе непрерывное совершенствование в количественном и качественном смысле, но с каналами доставки дело обстоит значительно хуже: интерфейсы не имеют права меняться каждые полгода. И все же, благодаря распространению жидкокристаллических мониторов, мы стоим на пороге замены столь привычного аналогового VGA-интерфейса на новый цифровой тракт. Даже производители обычных CRT-мониторов планируют выпустить модели с цифровым интерфейсом, как только снабженные им карты получат достаточное распространение. Подробнее см. врезку "ЖК-мониторы и цифровой интерфейс".

ЖК-мониторы и цифровой интерфейс

Дискретная природа ЖК-панелей позволяет передавать изображение в цифровом виде, минуя цифроаналоговые преобразования и обеспечивая идеальное качество и расположение изображения. Для реализации столь заманчивой возможности требуется цифровой интерфейс. Ознакомимся с тремя основными претендентами на эту важную роль.

Хронологически первый P&D (Plug and Display) был слишком сложен и дорог, а посему не прижился.

Второму - DFP (Digital Flat Panel) - повезло больше. Сделанный с оглядкой на ошибки P&D, он пришелся ко двору, и в данный момент является наиболее распространенным (разъем на рисунке слева). Фактически это упрощенный P&D с дешевым 20-штырьковым разъемом. Простой в реализации стандарт ориентирован на популярные ныне активноматричные ЖК-панели, его легко внедрять в мониторы и видеокарты. Основанный на схожей с FireWire (IEEE1394) LVD (Low Voltage Differential) электрической технологии, DFP-интерфейс позволяет передавать сигналы вертикальной и горизонтальной синхронизации, цифровые данные о цвете точек и различную информацию о поддерживаемых монитором режимах (согласно стандарту VESA DDC). Предельная пропускная полоса интерфейса порядка 2 Гбит/с достаточна для режимов вплоть до 1280х1024 при стандартной для ЖК-дисплеев частоте развертки 60 Гц. Подобное ограничение является заранее подписанным приговором, несмотря на широкое распространение DFP. Через год или два на рынок придет следующее поколение ЖК-дисплеев, обладающих большим разрешением, и производителям придется либо создавать расширенную версию DFP, либо переходить на новый интерфейс. Несомненное достоинство - возможность горячего подключения монитора и длина кабеля до пяти метров. В данный момент на рынке присутствует несколько видеокарт с DFP-интерфейсом: ATI Rage Pro LT, 3dfx Voodoo3 3500, Number Nine SR9. И соответствующие этой спецификации мониторы: 15" и 18" ViewSonic VPD; 14", 15" и 18" Princeton.

Третий, самый молодой стандарт DVI (Digital Visual Interface) является самым перспективным кандидатом на смену DFP. Более разумное ограничение разрешения, возможность подключения двух (!) приемников изображения и возможность параллельной передачи аналоговых RGB-сигналов. На рисунке внизу изображен DVI-разъем.

width=250

Наконец, дабы не быть голословным, приведу "тактико-технические характеристики" цифровых интерфейсов:

Стандарт	P&D	DFP	DVI
Владелец	VESA	DFP group, VESA	DDWG (Digital Display working group)
Версия	1.0 (6 июня 1997 года)	1.0 (14 февраля 1999 года)	1.0 (2 апреля 1999 года)
Сайт	www.vesa.org	www.dfp-group.org	www.ddwg.org
Поддержка	VESA	Compaq	Intel
Совмести-мость с другими стандартами	нет	с P&D (через адаптер)	с P&D и DFP (через адаптер)
Протокол	TMDS (Panel Link)	TMDS (Panel Link)	TMDS (Panel Link)
Максимальная частота пикселов, МГц	165	165	330 (165х2)
Число каналов	3	3	6 (3х2)
Глубина цвета, бит	12, 24	12, 24	12, 24
Разрешение, точек/дюйм	1280х1024 (SXGA)	1280х1024 (SXGA)	1920х1080 (HDTV)
Дополни-тельные каналы	аналоговое видео, USB, IEEE1394	нет	Аналоговое видео
Разъем (цифровой)	PD&D (30 выводов)	MDR20 (20 выводов)	DVI-V (24 вывода)
Разъем (цифровой + аналоговый)	PD&D A/D (30+4)	нет	DVI-I (24+4)

Заглядывая в недалекое будущее, легко представляю единый сверхскоростной последовательный интерфейс, к которому подсоединяется цифровой монитор, устройства ввода, прочая периферия, накопители и даже другие компьютеры. Некий супер-USB, очень утопичный, выгодный и удобный. А какова масштабируемость: PC послабее имеют четыре интерфейса внутри и четыре снаружи. PC посильнее - побольше, а может, и побыстрее. Но, похоже, я замечтался.

Вернемся к реалиям сегодняшнего дня. В борьбе за качество не следует забывать о детали, непосредственно связанной с монитором (в прямом смысле слов), - о RAMDAC. Производители анонсируют 250, 300 и вот уже 350 МГц RAMDAC, встроенные в чип. Экстраполируя тенденцию, рискну заключить фьючерс на цифру 400 (к январю 2000 года). Между тем, качество демонстрируемого монитором изображения зависит не столько от предельной частоты RAMDAC (ограничивающей лишь максимальное число выводимых в секунду точек), сколько от грамотной разводки платы ускорителя. Плохая разводка может способствовать замыливанию изображения, заметному даже в режиме 800х600х100 Гц на 15-дюймовом мониторе (этим грешат карты TNT от ASUS). Прошу отметить, что это при 250-мегагерцовой спецификации, гарантирующей стабильную работу в этом режиме с частотою 150 Гц и более. Работу, но какую: смотреть - глаза не поднимаются. А вот карта Creative Graphics Blaster на базе все той же TNT радует глаз даже в режиме 1280х1024х85 Гц. Существуют специальные фильтры, призванные сделать изображение более четким и стабильным. На материнской плате Intel SunRiver (SR440BX) с интегрированной TNT качество изображения в разрешении 1280х1024 достигает свойственного продуктам Matrox уровня, как раз благодаря специальным фильтрам. Впрочем, похвальная резкость не спасает эту плату от помех, специфичных для интегрированных в материнскую плату видеорешений. Читателю можно рекомендовать лишь одно: не столько смотреть на цифры в пресс-релизах, сколько на монитор в демонстрационном зале, гостях или на выставке (подробно о субъективном качестве RAMDAC - в таблице чипов).

Cовременные видеоинтерфейсные чипы

ATI ImpacTV2 - собственный чип ATI, используемый в картах на базе ATI Rage 128. Поддерживается конвертация следующих разрешений: 640х480, 800х600, 1024х768. Возможен одновременный вывод на монитор и видеовыход при условии одинакового разрешения и частоты развертки. Не лучшее качество передачи цвета (проигрывает BT869 и CH7002D-V). Ужасное качество текста - даже при 640х480 он практически не читаем. Отсутствие регулировок резкости текста в драйверах или в виде отдельной программы. Мерцание практически отсутствует.

Brooktree BT869 - распространенный чип, используемый в картах на базе Riva TNT и TNT2, Savage 4D и 3dfx Voodoo 3000. Поддерживаются следующие разрешения: 640х480, 800х600, 1024х768. Возможен одновременный вывод на монитор и видеовыход при условии одинакового разрешения. Отличное качество передачи цвета, контроль гаммы. Текст читабелен, но немного уступает Matrox MGA TVO по резкости. Мерцание отсутствует. Внимание: особенности использования этого чипа в Voodoo 3000 ограничивают разрешение и резко снижают качество текста.

Chrontel CH7002D-V - аналог Brooktree BT869 по всем параметрам. Используется в продуктах компании Canopus. Качество изображения сходное, текст чуть менее резок.

Matrox MGA TVO - чип, используемый в продуктах серии G400. Разрешение до 1024х768, благодаря возможностям G400 частота и разрешение видеовыхода и монитора могут произвольно варьироваться. Лучшее качество передачи цвета и полное отсутствие мерцания. Впечатление портят слабо заметные горизонтальные полоски, зоны неравномерной передачи цвета. Они простительны в играх, но бросаются в глаза во время ярких сцен DVD-фильмов и при демонстрации презентаций. Обидный недостаток.

Входит и выходит

Не забудем упомянуть еще об одном выходе - видео. Базовая поддержка этой возможности интегрируется практически в любой ускоритель, производителям остается лишь снабдить свой продукт специальным разъемом и небольшим интерфейсным чипом. Подобный видеовыход можно применять как для сброса на любительское видео, так и для подключения телевизора или видеопроектора. Всего, заметьте, за 15 долларов. Чуть более солидные решения из разряда "видеокомбайнов" - Matrox Marvel, ATI All-in-wonder или Voodoo 3500TV - все равно не способны выйти из категории любительского монтажа. Эти платы позволяют оцифровать поток с приемлемым для VHS качеством, но любое сжатие и обработка видео полностью ложится на процессор. Читателю, заинтересовавшемуся возможностями недорогого видеовыхода, необходимо приглядеться к врезке "Современные видеоинтерфейсные чипы". Напомню, что ограниченное разрешение распространенных видеостандартов (NTSC, PAL, SECAM) позволяет адекватно отображать только режим 640х480 точек. Дальнейшее увеличение разрешения не приводит к улучшению видеоизображения и даже, наоборот, может затруднить восприятие. Теоретически выход в стандарте S-Video приемлем для четкого отображения 800х600, но не стоит забывать, что внутри вашего телевизора (скорее всего) или проектора (часто) сигнал все равно преобразуется в менее детальный формат.

Одна голова хорошо, а два дисплея лучше

Довершая нашу беседу о выходах, упомянем известную фирму Matrox и ее новую технологию, позволяющую подключать два монитора к одной карте. Независимое разрешение и частота развертки у каждого! Впрочем, подобные продукты уже разрабатывались (не вышедший RRedline имел два независимых, встроенных в чип RAMDAC) и выпускались (некоторые профессиональные ускорители для работы с CAD), но Matrox первой предложила и выпустила действительно массовый продукт с подобной возможностью: чип G400 имеет два контроллера отображения и один встроенный RAMDAC. Второй контроллер с помощью специального цифрового выхода может быть подключен к:

- чипу видеовыхода;
- чипу дополнительного RAMDAC;
- интерфейсному чипу P&D, DFP или DVI.

Названа эта возможность DualHead, и некоторые карты на базе G400 имеют и встроенный видеовыход, и выход на второй монитор. Правда, разрешение на дополнительном мониторе ограничено величиной 1280х1024, да и качество дополнительного RAMDAC значительно ниже основного. Это не столько проблема, сколько разумная трата денег на интерфейсный чип, содержащий дополнительный RAMDAC. Более того, уже анонсированы игры с поддержкой отображения информации одновременно на двух мониторах; не стоит забывать и о возможности Windows 98 работать с несколькими видеокартами одновременно. По мне, так очень удобно смотреть краем глаза DVD- или MPEG-кино по телевизору и одновременно, скажем, набирать текст на мониторе (только вот набирается почему-то всякая чушь.)

Процессор: главный орган хорошего акселератора

После столь многочисленных выходов логично обратить внимание на вход. Главным источником информации является центральный процессор. И вот беда: процессор не успевает за ускорителем - он не в состоянии подготовить достаточное число параметров примитивов. В конце концов, его можно понять: мастер на все руки не может тягаться с узким специалистом по трехмерной графике. В такой ситуации вопрос "кто кого ускоряет" перестает быть каламбуром и становится достаточно насущным. Купите более мощный процессор, и вы существенно ускорите работу ускорителя. Компьютерная графика работает с большими объемами данных, производя над ними одни и те же операции, и производители процессоров могут обойтись малой кровью, реализуя (вместо астрономического повышения тактовой частоты) SIMD-расширения, специальные наборы команд для работы с плавающей арифметикой. Окрыленный подобной возможностью процессор способен за один такт оперировать с двумя или четырьмя плавающими числами одновременно, совершая геометрические преобразования в несколько раз быстрее. Выполняя, кроме того, специальные вычислительные команды, оптимизированные для связанных с графикой алгоритмов. Я искренне верю, что рекламные ролики об ускоряющем Интернет процессоре Pentium III "есть отшен карашо", но нам не помешает и некая дополнительная информация, расположенная во врезке "SIMD-расширения".

SIMD-расширения

MMX - SIMD-расширение от Intel для работы с целыми числами. Применяется для обработки текстур или звука, но для нормальных геометрических преобразований целые числа не подходят. Использует набор регистров сопроцессора, в результате чего они не могут применяться совместно и требуется большое число тактов для переключения. Реализовано в процессорах Pentium MMX, Pentium II и III, AMD K6, K6-2, K6-III, Cyrix 6x86MX и M-II и других.

3DNow! - SIMD-расширение от AMD, хронологически первое, способное работать с плавающей арифметикой. 21 векторная команда, включая инверсный корень и некоторые другие эффективные в цифровой сигнальной обработке и компьютерной графике команды. Используются все те же регистры арифметического сопроцессора, что позволяет поочередно применять 3Dnow- и MMX-инструкции к одним и тем же операндам. Недостатки: одна команда обрабатывает только два числа одинарной точности, хотя и возможно одновременное исполнение двух команд (четыре операции за такт), удовлетворяющих определенным ограничениям; малое число команд (бедный набор команд преобразования типов данных); невысокая поточная производительность, обусловленная архитектурными особенностями сопроцессоров в изделиях AMD. Достоинства: относительно обкатанный набор команд, поддерживается многими библиотеками и программами. Процессоры K6-2, K6-III, Athlon, Gobi.

SSE - новое расширение от Intel. Известное также как KNI-расширение (MMX2), способное в полном объеме работать с плавающей арифметикой. Являет собою единственное кардинальное отличие нынешних моделей Pentium III от Pentium II, если не считать новой конструкции корпуса и тактовых частот. Это 70 новых команд, оперирующих с восемью новыми 128-битными регистрами, способными вмещать по четыре плавающих числа каждый. В течение такта выполняется одна команда над четырьмя числами одновременно, без каких-либо ограничений. Преимущества: множество специальных команд и команд преобразования типов данных; отдельный набор регистров, способный вместить одновременно 32 плавающих числа, можно параллельно выполнять SSE-операции с любыми операциями процессора и сопроцессора (инициатива признанного законодателя мод - "самой-любимой-компании"). Недостатки: относительно молодое и сложное для реализации начинание - пока существует только один поддерживающий SSE процессор, Pentium III.

AltiVec - сюрприз от IBM. Мощное SIMD-решение для процессоров серии PowerPC, обладающее рядом несравненных достоинств и значительно превосходящее все вышеупомянутые расширения. Главный и единственный недостаток (в рамках темы этой статьи) - не совместимая с Intel платформа. Преимущества: трехоперандные команды, в которых результат может быть помещен в третий регистр; большое количество регистров, тридцать два 128-битных регистра, способных хранить различное число целых или плавающих чисел (например, четыре плавающих одинарной точности или 16 целочисленных байтовых); возможность комбинации форматов и произвольной перестановки чисел во время операций. Идеально подходит для реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов. Но в силу его главного недостатка описание AltiVec приведено лишь для сравнения.

Огромный выигрыш может быть получен благодаря правильной организации взаимодействия процессора и ускорителя. Сейчас широко применяются различные буферы команд и параметров, размещаемые в основной памяти компьютера, данные и команды из которых ускоритель самостоятельно выбирает и выполняет. В новых чипах используется несколько параллельно работающих асинхронных буферов. Это еще не все: современные чипы физически оптимизированы под конкретные структуры данных популярных API. Как правило, они способны принимать данные в формате списков Direct3D без каких либо промежуточных преобразований на уровне драйверов. Вот пара наиболее вероятных вариантов взаимодействия ускорителя и процессора:

Процессор:	Работает	Работает	Ждет	Работает	Ждет	Работает
Ускоритель:	Работает	Работает		Работает		Работает

Используется буферизация, мощность ускорителя недостаточна (характерно для слабых ускорителей: ATI Rage Pro, Trident Blade3D, i740). Высокая зависимость суммарной производительности от разрешения сцены.

Процессор:	Работает	Работает		Работает		Работает
Ускоритель:	Работает	Работает	Ждет	Работает	Ждет	Работает

Используется буферизация, мощность процессора недостаточна (характерно для производительных ускорителей: TNT2, Voodoo3). Высокая зависимость суммарной производительности от процессора.

Вторая диаграмма побудила создателей процессоров принять меры для повышения валовой производительности своих детищ (см. врезку "SIMD-расширения"). Но по меркам современного 3D-рынка разработчики процессоров слишком неторопливы. И если гора не желает бежать к Магомету, необходимо...

Ускорить все, что еще можно ускорить

Если процессор недостаточно быстро рассчитывает координаты треугольников и освещение, часть работы нужно переложить на плечи ускорителя. Давайте внимательно присмотримся к недавно вышедшему в свет MS DirectX 7.0 (на момент написания статьи - вторая бета). Там есть нечто, названное Transformation & Lighting API и призванное переложить самые тяжелые задачи (преобразование координат, отсечение невидимых граней, расчет освещения и привязку текстур) на способное их выполнять оборудование. И, поверьте, K-6 2 с 3DNow! и Pentium III с его SSE - отнюдь не единственное оборудование, которое имела в виду Microsoft. Большинство ускорителей способно выполнять две примитивные задачи - удаление обратных граней (подмножество полной процедуры удаления невидимых граней) и округление плавающих координат. Но это только цветочки. Ягодки появятся в продаже уже осенью и будут включать в себя блок аппаратного расчета геометрии и освещения (отмеченный на схеме пациента пунктиром). Подобный блок будет полностью выполнять операции по преобразованию координат, определению видимости примитивов и освещенности их вершин точечными источниками света; задачи, занимающие более половины процессорного времени. В сентябре увидел свет первый снабженный подобным блоком чип - NV10, официально названый GeForce 256 ("Джи-сила" в контексте силы геометрии, а не известного кино Лукаса). Заявленные цифры потрясают: 15 миллионов полностью обработанных треугольников в секунду, восемь аппаратных источников света и другие бенефисы, например, интерполяция вершин, необходимая для расчета гладких поверхностей и сложных деформаций моделей. Вот кадр из программы, демонстрирующей возможности GeForce 256 (см. рис.), каждый листик этого дерева - отдельный объект, динамически освещаемый несколькими источниками света.

width=200

Тот же Pentium III 600 способен максимум на 3 млн. треугольников, и это теоретический предел с учетом оптимального использования SSE. Подобное положение дел, кстати, очень невыгодно производителям процессоров. Разумеется, ускоритель продолжает нуждаться в процессоре, но Pentium II 300 МГц прекрасно справляется с оставшейся для него работой. А ведь 600-мегагерцовые процессоры тоже надо продавать. Обидно?

Новый чип от S3 - Savage 2000 - также будет включать аппаратный ускоритель геометрии и освещения, первые карты на его основе появятся в конце этого года. Следующий ход 3dfx - Voodoo4 - будет поддерживать геометрический процессор в виде отдельного чипа, разработанного сторонней компанией [1]. Подобное решение позволит картам на основе Voodoo4 перекрыть более широкий ценовой диапазон (как с геометрическим процессором, так и без него), но будет более дорогим в максимальной конфигурации. Возможно на картах 3dfx появится Geometry Socket, который позволит пользователю докупить и установить этот чип позже.

Между тем, очевидная аналогия с центральными процессорами рисует в моем воображении футуристическую видеоплату недалекого будущего. Снабженную, кроме всего прочего, специальным разъемом Video-Socket, в который можно вставлять чипы ускорителей различных фирм, и несколькими разъемами для видеопамяти, например, на базе Rambus. Что ж, вперед в магазин, чтобы поменять свою Riva II 266 МГц на успешно разгоняемую до 450 МГц Riva II 300A c кэш-памятью второго уровня для текстур. Хм... Где-то я это уже видел.

Продолжение следует

1 (обратно к тексту) - Не исключено, что этот чип поступит в продажу несколько позже самого Voodoo4.