Как использовать процессор вместо видеокарты
Почему видеокарта и процессор не могут заменить друг друга.
Не так давно на сайте был материал в котором мы смотрели на то как процессор сам ядрами отрисовывает игры. При этом процессор потреблял огромное количество энергии, выдавая почти ничего. В тоже время даже встроенная графика в этот процессор потребляя полтора десятка ватт смогла бы выдать производительности раз в пять больше.
Исходя из этого возникает вопрос — «почему так происходит и почему есть и процессор и видеокарта?». Ведь по данному материалу может показаться, что видеокарта не слабо так мощнее процессора. И встаёт вопрос — зачем тогда нужен процессор.
Поэтому предлагаю разобраться в чём причина наличия обоих вычислителей в компьютере и ещё ещё рассмотрим историю одного проекта intel, который как раз был направлен на сочетание всех положительных сторон этих вычислителей и уменьшении отрицательных.
С устройством ядер процессора я уже вас знакомил в некоторых прошлых материалах, есть статья и про архитектуру современных Intel процессоров и про AMD, но основные моменты напомню ещё раз.
Между Intel и AMD местами есть довольно большая разница, но если разделить работу на 4-5 этапов, то есть максимально обобщить суть работы — то в целом — суть у них одна и та же. И для удобства остановимся на схеме из статьи про Intel.
Нажмите для увеличения
Условно можно сказать что есть некоторая центральная часть — это исполнительные блоки, в которых и происходит вычисление. И к этой основной части должно прийти две важные вещи. Первая это — «что делать», а вторая — «с чем делать». Чтобы это всё было поставлено в исполнительные блоки точно вовремя есть очереди и регистры в которых эти очереди реализованы. И все эти сложности направлены на то, чтобы каждый такт процессора подобрать такие комбинации различных задач чтобы занять наибольшее количество исполнительных блоков.
То есть не так сложно выполнить вычисления, сложно сделать так, чтобы различные задачи можно было выполнить без лишних простоев, связанных с постоянным изменением задачи. Именно поэтому растут и объёмы кеша, да и размеры регистров очередей, чтобы как можно больше поблизости с ядрами хранить «что делать» и «с чем делать», и также хранить что было сделано ранее, чтобы временами на основе этого делать что-то похожее в будущем, затрачивая меньше ресурсов, или делать что-то, когда новых ресурсов ещё нет, проверяя правильность выполнения работы уже постфактум, когда ресурсы появятся в доступе.
Дополнительная большая проблема заключается в том, что современные процессоры наследуют совместимость с довольно старыми решениями. Архитектуре x86 уже не мало лет и в процессе её развития в определенный момент она так сильно усложнилась, что сделать адекватные по составу, и требованиям к количеству транзисторов исполнительные блоки, стало сложно. И с переходом на Pentium III классическая CISC архитектура предполагающая высокую гибкость по возможным командам стала уже мешать дальнейшему развитию процессоров. И Intel пошли на смелый шаг — сделать внутри процессора — аппаратно-программный комплекс по переводу в режиме реального времени разнообразных CISC команд в более узкие по возможностям команды, но с которыми было бы легче работать и выстраивать из них очереди и выполнять. AMD пошли по тому же пути.
То есть возникла матрёшка имеющая внешнюю оболочку, внутри которой уже настоящее ядро.
Но все внешние общения процессора производятся так, как буд-то внутренней части нет. И это создаёт немало сложностей из-за которых внутренние адресации процессора не совпадают с внешними, возникает и ещё куча проблем связанных с тем, что внутри ядра происходит очень сильное переопределение порядка как выполнения самих операций изначальных, так и частей уже разбитых на микрооперации внутренних решаемых ядром задач. Но на выходе процессор должен собрать всю очередь обратно так как буд-то ничего не перемешивалось.
И все эти сложности направлены на то чтобы обеспечить индивидуальный подход к каждой задачи и получить максимальную производительность.
Как вы понимаете — при отрисовки игр — мы имеем дело с кучей однотипных задач. Но процессор по другому решать задачи не умеет, и с индивидуальным подходом массовые задачи решать сложно. Вернее процессоры массово выполнять что-то умеют, но не всегда. Существуют специальные инструкции, которые собирают ряд однотипных задач над неким набором данных для совместного выполнения.
Расширение поддерживаемых инструкций
Например AVX инструкции. Благодаря этому компонованию — внешний слой матрёшки надо проходить не для каждого действия отдельно — а блоком целиком. Что уже сильно ускоряет весь процесс по решению задачи, кроме того — процессор знает, что некоторые используемые данные и операции будут применяться в ближайшее время по несколько раз, что упрощает очереди и меньше надо туда-сюда между регистрами лишний раз перебрасывать информацию. Но всё равно — производительность будет ограничиваться числом портов на исполнительные блоки у Intel и числом исполнительных блоков у AMD в самом радужном раскладе, который на практике недостижим.
В видеокартах же всё происходит совсем иначе.
Во первых — современный вариант видеокарт, в которых появились вычислительные блоки, общего назначения — появился гораздо позже архитектуры x86, и сложность в выполнении широкого круга разных операций уже была понятна, так что делать CISC ядра никто и не думал. И никакие обратные совместимости не требовали делать какие-то мартёшочные костыли. Поэтому процессоры в видеокартах умеют работать с малым числом инструкций, но зато работать с ними они могут непосредственно не переделывая, и от этого — эффективно.
Из этого сразу можно сделать вывод, что заменить процессор для привычных нам сред работы видеокарты не могут просто в силу архитектурных ограничений, они просто не могут работать с тем разнообразием задач и команд без предварительной трансляции их в понятный для видеокарт вид.
Ну и собственно процесс работы с видеокартами вообще бывает разный. И как раз чтобы работа с видеокартами была максимально без посредников существуют API на которых работают игры и прочие средства для разработчиков, которые позволяют работать с аппаратными ресурсами видеокарт непосредственно для какого-то прикладного софта.
Но это только половина дела. Особенность задач для видеокарт заключается в том, что им надо повторить одни и те же действия для кучи данных. То есть задача совершенно иная, в отличие от центрального процессора, который должен максимально оперативно подстраиваться под разные задачи.
Соответственно и архитектурные особенности видеокарт были созданы так, чтобы именно такие задачи и решать.
В процессорах планировщик, который ведает всеми очередями и решает когда и кто из них выйдет — занимается очень сложной задачей, потому что всё разное и надо это всё разное как-то скомпоновать в разные исполнительные блоки.
В видеокартах тоже есть планировщики, но задачи у них проще. Надо взять кучу чего-то однотипного и раскидать это по всему что есть. Именно поэтому в процессорах планировщик ведает малым числом исполнительных устройств. В видеокартах — каждый планировщик отвечает за целые большие кластеры исполнительных устройств, которые называют ядрами видеокарт или потоковыми процессорами видеокарт.
И то, количество задач, которое центральному процессору потребовалось бы распределять на доступные ему вычислительные средства на несколько тактов работы, в видеокартах планировщики делают за один такт. То есть передают команды целой армии исполнителей, которые тоже максимально упрощены под узкий круг решаемых задач.
При этом для видеокарт однотипных задач так много, что там решая целые кучи вычислений — всё равно эти задачи разбиваются на много тактов, смены задач происходят редко, так что и хранить что-то не так важно, и удельный объём кешей на каждый исполнительный блок на порядки меньше, чем у центральных процессоров. В общем — вся обвязка и всё обеспечение инструкциями и данными для видеокарт сильно проще, чем у центральных процессоров, и занимает куда меньше места. А значит — на равную площадь можно запихать очень много вычислительных блоков.
Однако стоит отметить, что архитектуры видеокарт для универсальных вычислений появились тоже уже довольно давно. Так что концепция — объединения вычислительных потоков под простые планировщики, которые почти ничего не должны уметь — устаревает.
Вычислительный потенциал карт не даёт покоя никому, ни игроделам, ни другим программистам работающим над каким-то прикладным софтом. Поэтому всё более сложные работы начинают передавать для вычислений видеокартами. Естественно это отражается и в эволюции API и SDK для работы с ресурсами видеокарт, но так же это требует и модернизации самой концепции видеокарт.
И карты от AMD и от Nvidia, с горем пополам, если сравнивать с центральными процессорами, уже могут выдавать разные задачи на разные блоки видеокарты, а не так чтобы у всех одно и тоже, а если нужно что-то другое, то надо ждать следующих тактов.
То есть видеокарты идут в сторону усложнения, что, скорее всего лишит их по меньшей мере энергоэффективности. Будет падать и удельная площадь кристалла занятого ядрами (на схеме выше вы можете увидеть, что на Тюринге уже стоит планировщик на каждые 16 ядер, а не 32, как было ранее), то есть будет больше транзисторного бюджета уходить на обвязку ядер и оставаться меньше места для того чтобы разместить больше ядер.
Итого подведем итоги и ответим на вопрос о том: почему есть и процессор и видекарта. Ответ — вполне прост. Видеокарта хороша тогда, когда есть очень много однотипных задач, она энергоэффективна, она имеет высокую вычислительную производительность, но видеокарты не могут эффективно работать в условиях постоянного изменения задач и лишены тех костылей, идущих из прошлого, для обеспечения совместимости со стандартами, которые стали неотъемлемыми для персональных компьютеров.
Центральный процессор может адаптироваться к постоянно меняющимся задачам, имеет много удельного кеша на ядро, и может выполнять более широкий спектр инструкций, но имеет очень большую обвязку для ядер, так что много ядер делать дорого, и из-за костылей имеет низкую энергоэффективность, которая также ограничивает возможности процессоров.
Но и тот и другой тип вычислителей сейчас идут друг к другу на встречу. Центральные процессоры уже могут в одну 512 битную инструкцию запихивать больше десятка операций, выполняя их максимально приближенно к единому блоку, видеокарты, в свою очередь, учатся выполнять одновременно разнородные задачи без значительных простоев потоковых процессоров.
Можно предположить, что должно появиться такое решение, которое будет гибридом этих двух вариантов. То есть будет гибким при выполнении разнородных задач, но при этом иметь много потоков и хорошо справляться с управлением этими потоками.
И попытка сделать такое устройство уже была сделана, но, к счастью или сожалению — устройство оказалось не столь удачным как хотелось бы.
Intel с середины 00-х до середины 10-х годов уже почти выпустили новый для себя и вообще для всего мира продукт Larrabee.
Это не должно было заменить центральный процессор, но и не должно было стать и просто видеокартой. Суть в том что Intel хотели объединить порядка 50 слабых процессоров, в единый вычислительный кластер.
Оно должно было сохранить x86 совместимую архитектуру, собственные планировщики и много кеша, но при этом ядра не умели бы переупорядочивать выполнение микроопераций и просто должны были рассчитывать на большой кеш для уменьшения простоев в работе. Но зато они бы были намного меньше по площади.
Кроме того в ядра должны были быть добавлены специальные вычислительные блоки для работы с текстурами. То есть оно могло бы работать и как видеокарта. Ещё в этих гибридных процессорах должна была быть очень широкая шина связи ядер, а аналог HT выдавать не 2 потока на ядро, а 4, что с одной стороны увеличило бы сумятицу, без переопределений очередей и потребовало бы больший кеш, с другой стороны — в части задач могло бы увеличить пиковую производительность на такт за счёт более плотного задействования исполнительных блоков.
В конечном итоге данный проект как нечто напоминающее видеокарту не появились, часть всяких лишних для вычислителя возможностей было вырезано и всё это превратилось в процессоры Xeon Phi, а появившиеся впервые предпосылки к 512 битным инструкциям, которые могут вместить в себя до 16 операций с плавающей точкой уже дошли и до обычной архитектуры intel Тигер лейк.
В общим — отдельные фрагменты этих гибридов оказались жизнеспособными и успешно внедряются в различные решения от intel.
Но скорее всего соединяя процессор и видекоарту вместе, достоинства обоих методов видно будет не так хорошо, как суммирующиеся недостатки обоих методов.
Именно поэтому существует по отдельности процессор и видеокарта и друг друга они заменить, по крайней мере сейчас — не могут.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Нюансы подбора железа без видеокарты
Предположим, что вы подобрали себе сборку мечты и готовитесь заказать очиститель стёкол без разводов и микрофибру для ежедневного ухода за прозрачной боковой стенкой. Но что если есть пара неочевидных нюансов, которые помогут вам повысить производительность, сохранить нервы или сэкономить падающие рубли? Вот как раз о таких моментах в подборе комплектующих и будет эта статья, летс-гоу.
Процессор
Отказаться от видеочипа полностью не получится. Более того, вам нужен кусок кремния с интегрированным графическим ядром, а не многоядерное серверное решение. Выбирать вы тут вольны что хотите, но учтите, что без видеокарты загрузка CPU будет максимальным, внимательно смотрите на заявленный параметр тепловыделения.
Старенькие Haswell-ы от Intel спокойно выходили за 100 Ватт нагревания окружающей среды. Знаменитый i7-4790K адекватно трудится лишь с водяным охлаждением, которое в готовом варианте стоит в 2 раза дороже топовой медной башни. Если же вспомнить про AMD, то старые чипы с крупным тех. процессом также сильно грелись, а нам же не яичницу нужно готовить…
Вдобавок те же Haswell-ы в основном дружат только с DDR3, а это устаревший стандарт оперативной памяти. Так что не поскупитесь на современный камень с тепловыделением до 70 Ватт, тогда вы сможете обойтись обычной башней с парой вентиляторов. Сэкономите время и выиграете в стабильности системы. А если ещё докупить водянку (СЖО), то можно думать в сторону разгона, но об этом мы ещё вспомним далее.
Мать в доме хозяйка
Материнская плата частенько становится второй по счёту после процессора деталькой в подборе комплектующих. В её прямые обязанности входит связать все подключенные к ней элементы в единую систему и тут можно как сэкономить, так и выиграть ФПС-ы. Главное, чтобы у платы был выход HDMI, иначе придётся пользоваться VGA…
Небось вы уже слышали про сокет, который определяет посадочное гнездо под процессор. Но им выбор материнской платы относительно процессора не ограничивается, ведь есть ещё чипсет, который во времена динозавров означал конфигурацию северного моста. Сейчас же всё просто, ваш процессор просто не будет работать, если не поддерживается нужный ему чипсет.
Вот так мы смотрим спецификации процессора. В данном случае термопакет = сокет
Совместимость проверить легко: смотрим на спецификации процессора и материнской платы. Там и там указывается поддерживаемый чипсет. Опасность заключается в том, что производитель материнской платы может обновить BIOS и заявить о поддержке процессора, а вы купите плату старой ревизии и не сможете обновить BIOS, так как ваш новый процессор не заведётся. От такой фигни никто не застрахован…
В разделе поддержки на оф. сайте производителя указываются поддерживаемые процессоры, их ревизии и версии BIOS-а материнской платы
Если неизбежное произошло, то нужно искать поддерживаемый процессор или программатор. Самый редкий вариант, когда материнская плата поддерживает обновление BIOS-а с флешки.
Гнаться за космическим чипсетом не стоит, достаточно взять один из совместимых. Но учтите, что на платформе Intel буквы Z или X в название чипсета означают разгон процессора и оперативной памяти. Логично, что переплачивать за Z/X-чипсет с процессором без K или X в конце названия (что означает открытый множитель, то есть можно гнать!) практически бессмысленно, если только вы не будете разгонять память. Но об этом мы поговорим позже.
В случае с AMD, большинство плат поддерживают разгон CPU и ОЗУ, убедитесь в этом в характеристиках и не забывайте про запас в производительности системы охлаждения. Обычно такие фишки называют CPU-Z, CPU-POWER-ON, CPU-МЕГАРАЗГОН и так далее. Тут каждый производитель материнских плат называет разгон как хочет.
Планируете ставить видеокарту? Тогда примерьте какую, ибо для неё понадобится место в корпусе, пины от блока питания и разъём на материнской плате. Учтите свои пожелания один раз и это спасёт вас от переплаты потом. Потому что отдавать 30+ тысяч за видеокарту и менять корпус ещё за 3-5 — болезненно. А финиш хим, это когда у вас не стыкуется версия PCI-E… Материнская плата имеет 2.0/3.0, видеокарта 3.0/4.0. При таком апдейте вы не добьётесь максимальной производительности.
Тут же вспомним про тех, кто работает, а не играет. Если в постоянной памяти хранятся огромные проекты, то подумайте о M.2 SSD и проверьте, чтобы материнская плата имела соответствующий разъём.
Аналогичное правило работает при попытке сэкономить. Видите поддержку M.2, понимаете, что вам это не нужно. И присматриваетесь к аналогичным платам без ненужного разъёма.
Подробнее про типы и подборы дисков читаем в отдельной статье.
RAMсы с памятью
После внимательного разбора с материнской платой, нужно уделить внимание оперативной памяти. Сразу стоит предостеречь вас от покупки одного модуля, скажем на 8 или 16 ГБ. Так как в таком случае он будет работать в одноканальном режиме и это хуже, чем два модуля по 4/8/16 ГБ, которые смогут трудиться параллельно. И здесь неважно даже разбираться в топологиях плат. Две плашки лучше, чем одна, запомните это.
Если вы не раскошелились на материнскую плату с разгоном памяти, а об этом мы говорили выше, то брать дорогущую память с частотой 3200/4000/10 000 (шутка) МГц бессмысленно.
К примеру, сокет 1200 у Intel представлен в 3 “неразгоняемых” чипсетах и они не умеют работать с памятью быстрее 2933 МГц. Хотите больше? Ищите плату с буквами Z или X в начале чипсета. А если интернет вам не нужен вам это не нужно, то не тратьте лишние деньги.
Ещё раз отметим, что в случае с AMD большинство плат поддерживают разгон и ограничений не будет, а если и будут, то как и у разгоняемых Intel около 4500+ МГц, точнее смотрим на сайте производителя материнской платы. Естественно, бюджетные варианты ограничиваются земными значениями в 3200-3600 МГц.
Но башлять круглую сумму за лучшую материнскую плату тоже не стоит. Ведь в этих же спецификациях будет сказано, что максимальная частота разная для разных поддерживаемых процессоров. И платить за поддержку материнской платой 4000+ МГц, когда ваш процессор не сможет потянуть больше 3600 МГц — бессмысленно. Повторяем это слово по мере чтения материала, как мантру, потому что всё нужно делать с умом.
Не советуем смотреть на характеристики процессоров, так как там указаны рекомендуемые параметры для контроля памяти. Лучше всего, как и писалось ранее, смотреть на характеристики материнской платы.
Заводские профили разгона модуля памяти Kingston HX430C15FB3/8
Чуть-чуть сэкономить поможет профиль разгона. Для этого достаточно взять оперативную память с частотой 3200 МГц и разогнать её до 3800-4000 МГц. Если хотите разгонять самостоятельно, то здесь вам стоит изучить теорию про тайминги и субтайминги.
Потому что разница между 1800 и 3200 МГц сравнима с камнем и пистолетом, а чем дальше, тем менее существенный прирост вы получите. В сети полно тестов и в целом они сводятся к приросту в 3-10% вне зависимости от платформы. Подробнее про методику разгона мы рассказывали ранее.
В остальных случаях достаточно убедиться в наличии заводского профиля разгона XMP. Об этом часто пишут в продвинутых тестах и характеристиках. Просто включаем в BIOS-е нужный профиль и радуемся.
Если же вы сравниваете между собой две планки оперативной памяти с одинаковой или разной частотой, то вот вам универсальное правило: с технической точки зрения, лучше та оперативка, у которой ниже показатели тайминга.
Эти цифры означают то, какая задержка будет между командами. Фактически высокая частота ещё не значит, что процессор быстрее получит данные. Так что пользуемся небольшой формулой:
К примеру, мы сравниваем две планки памяти: Kingston Valueram KVR26N19S6 на 4ГБ и частотой 2666 МГц при таймингах 19-19-19 / HyperX Fury HX424C15FB3 на 4 ГБ и с частотой 2400 МГц при таймингах 15-15-15.
Подобрали, что дальше?
Уже на стадии написания статьи чувствуется скепсис наших читателей и не зря. Разогнанная память в большинстве случаев даёт пару дополнительных кадров в секунду, SSD повышает скорость загрузки системы, но при отсутствии дискретной графики вы не сможете разгуляться, хотя один совет чуть ниже мы вам дадим.
Тем не менее подбор комплектующих без видеокарты сводится к тому, что вы не играете в игры, или же у вас нет возможности прямо здесь и сейчас отдать пару десятков тысяч, кровно заработанных, как за процессор, так и за видеокарту.
В таком контексте возможно собрать рабочую станцию для браузинга, Photoshop-ов и прочих лайтрумов, где вам куда важнее будет стабильный процессор и большое количество ОЗУ. Заодно основательно подготовитесь к дополнительным тратам при покупке видеокарты. Хочется заметить, что без процессора комп не включится, так что его докупку мы не рассматриваем :).
К примеру, связка Intel Core i5 10400 + 1050 TI обойдётся вам в 32 тысячи рублей. GTA V в такой конфигурации работает с 50-60 кадрами в секунду на высоких и очень высоких настройках. А подождав месяц и раскошелившись ещё на 5 000р (37 000 рублей в сумме) вы позволяете себе докупить видеокарту GTX 1650. Средний ФПС подрастает до 70-80 кадров в секунду.
Сложнее в такой ситуации школьникам людям без постоянного заработка. Так как материализовать дополнительные 5-15К на более мощный процессор и следующую ступеньку по видеокарте для них сложно.
Тогда в рамках бюджетной сборки подходит AMD RYZEN 5 4650G, который за 19 000 рублей подарит вам 80-120 кадров в секунду при игре в CS:GO на низких и средних, а также 50-60 кадров в GTA V, на аналогичных низких-средних настройках. Пользовательские тесты можно найти на YouTube.
К слову, в качестве ОЗУ использовалась отнюдь не бюджетный комплект HyperX Fury DDR4 RGB, а всё потому, что встроенная в процессор графика Vega 8 использует оперативную память в качестве видеопамяти.
Для взрослых дяденек уже должно стать очевидно — на компьютере не только играют, и если он позарез нужен, то первое время удастся обойтись без видеокарты, спросите ”как” у владельцев ультрабуков.
Но программистам бэкэндерам не ужиться с 8 ГБ ОЗУ, минимум 16 ГБ, лучше 32/64 ГБ. Дизайнерам жизненно важно вложиться в профессиональный 10 битный монитор. Но каждый из них от всей души благодарен высокому спросу на видеокарты за то, что не может за один присест собрать сборку мечты.
Для получения дополнительной информации о продуктах Kingston и HyperX обращайтесь на официальный сайт компании.