Новая версия DirectX 12, прямо скажем, подзадержалась. DirectX 11 был представлен еще в октябре 2009 года — более четырех лет назад. Для сравнения: путь от DirectX 10 к DirectX 11 занял около трех лет. Сразу отметим: DirectX 12 на Game Developers Conference в Сан-Франциско был всего лишь анонсирован — первые игры на основе DX 12 появятся не раньше конца 2015 года. К этому времени Microsoft может успеть с выпуском Windows 9, какое бы имя эта ОС ни получила в конечном счете.
В общем, на вопрос «Где я могу скачать DirectX 12?» пока нет ответа. Есть только определенные перспективы относительно того, что новая версия API принесет разработчикам и нам, геймерам. А пока что анонс DirectX 12 следует рассматривать как сигнал, что активная работа по развитию DirectX продолжается. Ранее отсутствие видимой активности со стороны Microsoft довело до того, что некоторые уже вообще поставили под сомнение выход новых версий DirectX. Речь идет о прошлогоднем интервью Роя Тейлора, вице-президента AMD по продажам в «канале» (Roy Taylor, Vice President of Global Channel Sales), ресурсу heise.de . Хотя такие заявления следует принимать, как говорится, «со щепоткой соли», особенно в свете собственной инициативы AMD — Mantle (подробнее о ней в нашем обзоре и тестировании AMD Mantle). Как бы то ни было, Microsoft решила напомнить о DirectX и действовать.
В отличие от предыдущих итераций, новый релиз сосредоточен не на графических эффектах и поддержке новых аппаратных функций GPU, а на оптимизации программного стека DirectX под уже существующее железо. AMD убедительно продемонстрировала, что в некоторых отношениях DirectX 11 является бутылочным горлышком, ограничивающим производительность системы. Конкретно: DirectX 11 неэффективен при большом количестве draw calls. Мы исследовали эту проблему в обзоре AMD Mantle, который продемонстрировал весьма впечатляющие результаты в подобных условиях.
Ожидается, что благодаря DirectX 12 эффективность использования CPU увеличится на 50% по сравнению с показателями DX11. По крайней мере такой результат получен с помощью закрытой версии 3DMark 2011, портированной на DX12. Microsoft называет несколько факторов, благодаря которым это стало возможным.
⇡ Многопоточное исполнение инструкций драйвера
Результаты профилирования того же бенчмарка демонстрируют более эффективное распределение нагрузки на CPU между несколькими потоками. На диаграмме видно, что на четыре потока теперь распределяются операции не только самой программы 3DMark, но и драйвера графической карты — речь о компоненте, исполняемом в User Mode.
Кроме того, если присмотреться к диаграмме, то можно заметить, что при использовании DirectX 12 пропадает компонент графического драйвера в Kernel Mode. Речь идет о низкоуровневой подсистеме Direct3D, которая включает менеджер видеопамяти, планировщик GPU, а также miniport driver, который производитель GPU должен предоставить для непосредственного доступа к функциям железа.
|
|
|
Таким образом, вся кухня Direct3D теперь полностью переместилась в User Mode. Сам по себе такой шаг негативно отразится на производительности, но, по идее, он должен быть скомпенсирован за счет более эффективной многопоточности, а также отсутствия смены контекста между User Mode и Kernel Mode.
⇡ Pipeline State Objects
Кроме того, Microsoft непосредственно поработала над проблемой draw calls, которую столь успешно решает Mantle. Для этого потребовалась основательная переделка графического конвейера Direct3D. Здесь необходим небольшой ликбез относительно того, как выполняется рендеринг в Direct3D. Существует несколько стадий (stages) конвейера, которые на абстрактном уровне олицетворяют этапы подготовки изображения. Важно то, что стадии, вопреки тому, как это может показаться, не выполняются одна за другой в реальном времени. От runtime-компонента DirectX требуется определить состояние конвейера (pipeline state), представляющее собой совокупность состояний каждой из стадий, то есть параметры операций, которые выполняет GPU в процессе рендеринга, и ресурсы — данные, над которыми будут произведены операции (текстуры, вершины и так далее). Только когда все это собрано вместе, делается draw call — вызов, запускающий рендеринг объекта. И вот тогда miniport driver графического процессора, в свою очередь, транслирует pipeline state в набор инструкций для GPU на понятном ему языке (hardware state).
Последний этап вносит свой вклад в общее время отрисовки объекта (напомним, эта и все вышеупомянутые процедуры все еще выполняются на CPU). А если объектов на экране много, то возникает пресловутая проблема draw calls, когда производительность CPU становится бутылочным горлышком. AMD Mantle, будучи низкоуровневым API, уменьшает время подготовки конвейера к отдаче draw call просто за счет отсутствия этапа трансляции pipeline state в hardware state . Хотя кто знает, какие еще оптимизации в Mantle включила AMD. Mantle SDK вместе с подробной документацией пока не распространяется публично.
Direct3D 12 по-прежнему является высокоуровневым API, относительно безразличным к железу, на котором выполняется рендеринг (GPU только сообщает о поддерживаемых им функциях). В нем проблема решается по-другому. Вместо того чтобы передавать драйверу pipeline state целиком в момент draw call, состояния множества отдельных стадий конвейера объединены в несколько более крупных объектов — PSO (Pipeline State Objects), которые формируются незавимисо и отдаются драйверу немедленно. Таким образом, не дожидаясь draw call, драйвер может сразу конвертировать PSO в аппаратные инструкции и чуть ли не отправить последние в регистры GPU (в источнике на MSDN этот момент не совсем понятен). Кроме того, укрупнение объектов, олицетворяющих состояния стадий конвейера, позволяет драйверу быстрее разрешать зависимости между последними. Если в процессе подготовки к draw call какой-либо из PSO поменялся, также требуется пересчитать только соответствующие инструкции, а не hardware state целиком.
Также не совсем ясно, почему именно раздельная репрезентация pipeline state должна привести к драматическому уменьшению времени подготовки к draw call. Так или иначе, на трансляцию pipeline state в hardware state все равно расходуется процессорное время. Возможно, ранняя подготовка отдельных PSO как-то поможет быстрее разрешать зависимости при подготовке hardware state, о чем пишут на MSDN. Может быть, преимущество будет получено за счет исполнения runtime-компонента Direct3D и драйвера GPU на разных потоках.
⇡ Command lists, bundles
DirectX 12 также представляет новую модель управления нагрузкой GPU с помощью списков команд (command lists). В модели DirectX 11 уже существует этот термин. API предоставляет два типа контекста устройства (device context): immediate context и deferred context. В первом случае команды непосредственно отправляются на драйвер GPU, во втором — записываются списки команд, которые затем могут воспроизводиться в immediate context. Нововведение DX12 состоит в том, что драйвер GPU в модели Direct3D 11 может заранее просчитывать низкоуровневые инструкции на основе различных списков команд.
В дополнение к спискам команд в Direct3D 12 появилась еще одна сущность — bundles. Bundle представляет собой набор команд, которые могут быть исполнены неоднократно в сочетании с различными ресурсами — к примеру, для рендеринга идентичных объектов с разной текстурой. В этом случае от драйвера требуется только один раз подготовить инструкции для GPU.
⇡ Совместимость, выводы
В отличие от предшествующих версий, DirectX 12 не потеряет совместимости с уже существующими GPU, поддерживающими DirectX 11. NVIDIA уже заявила, что DX12 будет принят процессорами на архитектуре Fermi, Kepler и Maxwell. AMD гарантирует совместимость для GPU на архитектуре GCN, Intel — для графики Iris и Iris Pro в чипах Haswell. DirectX 12 также ожидает портирование на Xbox One.
Впрочем, появилась информация о некоторых дополнительных функциях DirectX 12, которые все-таки потребуют аппаратных модификаций GPU. В целом эту неопределенность, вместе с долгим временем ожидания первых игр с поддержкой DirectX 12, можно рассматривать как знак того, что разработка API пока находится на весьма ранней стадии. В пользу данного предположения говорит и тематика оптимизации использования CPU, которая объединяет DX12 и AMD Mantle, представленный относительно недавно — осенью прошлого года.
Естественно, что DirectX 12 бросает тень на будущее инициативы AMD, которая довольно успешно стартовала и набирает обороты, получая поддержку в популярных игровых движках (Frostbite 3, следующая версия CryEngine). Возможно, именно AMD мотивировала Microsoft тем, что привлекла внимание к недостаткам DirectX 11, но Mantle через полтора-два года уже перестанет быть единственным API, который дает возможность их избежать. При этом совместимость DirectX 12 не ограничивается видеоадаптерами на базе архитектуры GCN. И все же хоронить Mantle рано, ведь у AMD есть много времени, чтобы завоевать лояльность разработчиков. Кроме того, нет никаких гарантий, что DirectX 12 в конце концов будет столь же эффективным, как и Mantle. Как ни крути, DX12 по-прежнему не является низкоуровневым API, в отличие от Mantle, что автоматически дает последнему преимущество в производительности. В этом вопросе рано делать предположения, пока не появились первые результаты публично доступных бенчмарков.
Уже 29 числа, с выходом Windows 10 , станет доступна новая версия DirectX , которая обещает увеличить производительность в играх и не только. В отличие от DirectX 11, вам не потребуется покупать новую видеокарту, и это не может не радовать. DirectX 12 обещает работу на многих устройствах: на смартфонах, планшетах, ноутбуках, персональных компьютерах и Xbox One . Для последнего сама Microsoft предрекает увеличение производительности, даже по сравнению с PS4 .
Что такое DirectX?
«DirectX (от англ. direct - прямой, непосредственный) - это набор API, разработанных для решения задач, связанных с программированием под Windows . Наиболее широко используется при написании компьютерных игр. Пакет средств разработки DirectX под Windows бесплатно доступен на сайте Microsoft . Зачастую обновленные версии DirectX поставляются вместе с игровыми приложениями.» (с) Wikipedia
Нововведения в DirectX 12
Низкоуровневый доступ
Поскольку ранее DirectX
завоевывал рынок, Microsoft
была нацелена на универсальность программного обеспечения и не давала разработчикам прямого доступа к низкоуровневым функциям видеокарты. Но теперь, благодаря новым процедурам вызова, доступ к ним открыт. Но если разработчики не используют новшества, то драйверы смогут автоматически оптимизировать их использование для решения стандартных задач.
Многопоточная оптимизация и разгрузка CPU
В марте 2014 года свет увидела большая (на то время) о новой версии API. Главной темой была оптимизация использования CPU
, и в качестве примера были показаны результаты теста скорости вывода кадра в бенчмарке 3DMark
. На скриншоте ниже можно увидеть сокращение скорости отображеня кадра в два (!) раза из-за оптимизации использования лишь CPU
и более «умного» распределения ресурсов по ядрам.
Также оптимизирована работа процессоров, имеющих более четырех ядер. Если раньше не имело смысла переплачивать за лишние ядра, если процессор покупался для игр, то теперь все поменялось.
DirectX 11:
DirectX 12:
Использование нескольких GPU
Настал праздник для геймеров, имеющих встроенное видео ядро в своих процессорах, но не слишком мощную дискретную видеокарту. DirectX 12 позволит работать одновременно не только видеокартам с технологиями SLI или CrossFire , но и связкам «дискретная + интегрированная».
Ходят слухи об объединении дискретных видеокарт разных производителей в связки, но подтверждений этому нет, да и мы знаем, как Nvidia не любит подобные решения.
Но и для владельцев известных связок есть приятная новость. Видеокарты работают одновременно, а не поочередности, а видеопамять ваших видеокарт суммируется. Теперь multi GPU системы имеют раздельный буфер, где доступна вся память видеоадаптера, а не общий, как раньше.
DirectX 12 и встраиваемые low-end GPU
Улучшение производительности, как и сам DirectX 12 , будет доступно не только на суперсовременных игровых станциях, но и для относительно слабых встраиваемых решений. По тестам, проведенным на Surface Pro 3 с процессором Core i5 , имеющим встроенное видео ядро Intel HD Graphics 4400 , производительность увеличилась на 50%. Все благодаря более рациональному использованию GPU .
Использование всего потенциала eSRAM (только Xbox One)
eSRAM – особая высокоскоростная память, используемая в GPU Xbox One . Ранее использовалось специальное API для управления, но сейчас, с выходом DirectX 12 , всем управляет одно API – DirectX. Данное улучшение обещает увеличение быстродействия памяти и более рациональное ее использование. Вероятно это поможет сократить, а может и вовсе избавиться, от отставания от PS4 .
Обратная совместимость с DirectX 11 видеокартами
Большинство современных видеокарт, которые поддерживают DirectX 11 , полностью совместимы с DirectX 12 . Но, к сожалению, далеко не все смогут использовать все нововведения в новом API.
Обязательные требования для DirectX 12:
- Windows 10;
- Видеокарта, совместимая с DirectX 12 API;
- Видео драйвер, поддерживающий DirectX 12 API;
Имея этот набор, вам останется лишь дождаться выхода игр с поддержкой DirectX 12, чтобы проверить все самому.
Моя видеокарта поддерживает DirectX 12?
Список видеокарт с поддержкой DirectX 12 API:
*В этом списке предоставлены видеокарты, поддерживающие DirectX 12 API, но далеко не все из них поддерживают DirectX 12_0 и DirectX 12_1.
- AMD Radeon™ R9 Series graphics
- AMD Radeon™ R7 Series graphics
- AMD Radeon™ R5 240 graphics
- AMD Radeon™ HD 8000 Series graphics for OEM systems (HD 8570 и выше)
- AMD Radeon™ HD 8000M Series graphics for notebooks
- AMD Radeon™ HD 7000 Series graphics (HD 7730 и выше)
- AMD Radeon™ HD 7000M Series graphics for notebooks (HD 7730M и выше)
- AMD A4/A6/A8/A10-7000 Series APUs (“Kaveri”)
- AMD A6/A8/A10 PRO-7000 Series APUs (“Kaveri”)
- AMD E1/A4/A10 Micro-6000 Series APUs (“Mullins”)
- AMD E1/E2/A4/A6/A8-6000 Series APUs (“Beema”)
- Nvidia Fermi (GTX 400, GTX 500)
- Nvidia Kepler (GTX 600, GTX 700)
- Nvidia Maxwell (GTX 700, GTX 900)
- Intel Haswell (HD 5000, 4600, 4400 и 4200; Iris 5200 и 5100)
- Intel Broadwell (HD 6000, 5600, 5500 и 5300; Iris 6200 и 6100)
AMD
- AMD Radeon™ R9 285, 290/290X, 295X2, M295X
- AMD Radeon™ R7 260/260X
- AMD Radeon™ HD 8770
- AMD Radeon™ HD 7790
- GeForce, GTX Titan X
- GTX 980, GTX 980Ti
- GTX 970
- GTX 960
Nvidia
- GeForce, GTX Titan X
- GTX 980, GTX 980Ti
- GTX 970
- GTX 960
DirectX 12_0
Только GPU или архитектуры, специально разработанные для поддержки DirectX 12, будут поддерживать уровень функций DirectX 12_0, который содержит ряд новых технологий. Среди них – тайловые ресурсы Tiled Resources. В принципе, тайловые ресурсы известны ещё по DirectX 11, они отличаются высокой эффективностью по используемой памяти, а также могут значительно улучшить уровень детализации. С помощью мелких текстур в многократных ориентациях можно симулировать крупные текстуры. Кроме того, существенно экономится память. А качество картинки приносить в жертву не придётся.
В примере приводится классическая текстура Texture 3D под DirectX 11 с разрешением 1.200 x 600 x 600 пикселей с 32-битным цветом – она занимает 1,6 Гбайт. С тем же качеством можно использовать тайловую текстуру Tiled Texture 3D через многократные повторения – она будет иметь разрешение 32 x 32 x 16 пикселей с 32-битным цветом. Размер при этом будет составлять 156 Мбайт. В одном из примеров приведена сцена рендеринга, в которой тайловая 3D-текстура используется 2.500 раз. Для создания и симуляции некоторых материалов в 3D добавляется ещё одно информационное поле. Им может быть, например, значение прозрачности или вязкости. Такой подход позволяет лучше симулировать жидкости и газы.
Ещё один тип тайловых ресрусов – объёмные тайловые ресурсы (Volume Tiles Resources), однако они относятся к уровню функций уже не DirectX 12_0, а 12_1.
К уровню DirectX 12_0 относится Typed UAV и новая модель Bind, которые ориентируют API на большее число ядер CPU, что обеспечивает более широкую параллелизацию и производительность.
DirectX 12_1
Ещё на шаг дальше Microsoft и разработчики GPU пошли с DirectX 12_1. Но данный урвоень функций поддерживают только самые новейшие GPU. К ним относятся все GPU на основе 2-го поколения "Mawell". Одна из новых технологий – консервативная растеризация (Conservative Rasterization). Она используется для фильтра динамического суперразрешения (Dynamic Super Resolution) и сглаживания Multiframe Sampled Anti-Aliasing.
При растеризации небольшого объекта/пикселя в некоторых случаях лучше учитывать все покрытые точки семплирования, пусть даже частично. Также консервативная растеризация важна при вокселизации VXGI. Улучшенная методика наиболее заметна и при расчете теней.
Интерфейсы прикладного программирования (API) долгое время оставались самым консервативным компонентом 3D-графики. Стандарт Direct3D 11 был представлен еще в 2008 году, и до сих пор основная масса новых игр на ПК использует его в качестве основного и в подавляющем большинстве случаев единственного API. Этот островок стабильности в чрезвычайно быстро развивающейся индустрии, какой являются компьютерные игры, образовался отнюдь не из-за традиционализма разработчиков ПО или производителей железа. Напротив, единый стандарт Microsoft, который вытеснил из большой игры некогда могущественного соперника (OpenGL), дал возможность всем участникам рынка сконцентрировать усилия на своих прямых задачах без необходимости оптимизировать драйверы, архитектуру GPU и игровые движки под несколько API одновременно (как в былинные времена под Glide и популярный OpenGL).
Недавние потрясения в этой сфере, связанные с названиями DirectX 12 и Vulkan, вызваны, по сути, усилиями единственной компании - AMD, которая в 2013 году выпустила собственный интерфейс программирования в сотрудничестве с DICE, автором игровой серии Battlefield. В данный момент работа над Mantle прекращена, но оба универсальных API нового поколения заимствовали идеи AMD и преследуют ту же цель - более эффективно использовать вычислительные ресурсы, которые имеются в распоряжении современных GPU.
Несмотря на столь привлекательную идею Direct3D 12 (здесь и далее мы будем говорить именно о графической библиотеке в составе DirectX) и Vulkan, темп внедрения новых API оставляет желать лучшего даже по сравнению с Direct3D 11, которому потребовался чрезвычайно долгий срок, чтобы целиком переманить разработчиков с Direct3D 9. И все же создатели значительного числа громких и высокобюджетных проектов последних двух лет внедрили поддержку Direct3D 12 или Vulkan по крайней мере в виде экспериментальной или побочной функции. В конце концов, методика тестирования GPU на 3DNews уже по большей части состоит из игр с поддержкой этих API. Подходящее время для того, чтобы провести исследование и сделать промежуточные выводы о том, насколько в действительности полезны DirectX 12 и Vulkan для производительности современного железа.
⇡ Новые функции Direct3D 12 и Vulkan
О принципах, лежащих в основе Direct3D 12, и его отличиях от предыдущей версии API Microsoft, мы в 2014 году, когда стандарт находился на ранней стадии разработки и многие из его особенностей еще не были финализированы. Главное, что изменилось в облике Direct3D 12 с тех пор, - это набор дополнительных функций рендеринга, открытых для графических процессоров с теми или иными аппаратными возможностями.
Оставим за кадром строение конвейера рендеринга и некоторые особенности программирования под Direct3D 12, которые описаны в нашей давнишней статье. Есть лишь несколько отличительных черт нового API, которые должны волновать широкую публику. Начнем обзор с универсально значимых пунктов и закончим той самой функцией Direct3D 12 (и Vulkan), которая породила много споров, непонимания и завышенных ожиданий на страницах публикаций и форумов, - асинхронными вычислениями.
Самой привлекательной чертой Direct3D 12 и Vulkan является быстрая подготовка т. н. draw call. В то время, когда AMD стремилась популяризировать Mantle, множество людей, ранее далеких от программирования компьютерной графики, были вынуждены познакомиться с этим термином. В 3D-рендеринге так называется команда, требующая создать единственную полигональную сетку (mesh). В играх каждая модель персонажа, юнита и практически любого независимого объекта представляет собой mesh. Следовательно, чем больше таких объектов присутствует на экране, тем больше draw calls должен отдать центральный процессор. Короткая подготовка draw call в Direct3D 12 при прочих равных условиях снижает нагрузку на CPU, сокращает время бездействия графического процессора и в результате дает возможность выводить больше объектов на экран. Помогает и распределение нагрузки в многоядерной системе, которое в Direct3D 12 происходит более эффективно.
Многоядерные CPU в Direct3D 12
В целом прослойка API в стеке ПО, управляющем графическим процессором, стала тоньше по сравнению с Direct3D 11 за счет того, что многие функции, которые в Direct3D 11 выполняются в той или иной степени автоматически (такие как управление памятью, синхронизация между очередями инструкций, поддержание параллелизма нагрузки на GPU и пр.), теперь полностью принадлежат игровому движку. С одной стороны, открываются широкие возможности для оптимизации быстродействия, но с другой - программист должен иметь в виду особенности архитектуры различных GPU, чтобы избежать падения производительности.
Direct3D 12 принес массу функций рендеринга, описанных в рамках feature levels 12_0 и 12_1. Но в отличие от предыдущих итераций Direct3D, 12-я версия предназначена не для того, чтобы явить миру нечто ранее невиданное (как это было с шейдерами в Direct3D 8 и тесселяцией полигонов в Direct3D 11). Действительно, некоторые возможности feature levels 12_0 и 12_1 повышают качество определенных эффектов (к примеру, связанных с прозрачными текстурами), а иные используются в перспективных алгоритмах рендеринга (см. описание VXGI в нашем ). И все же большинство пунктов feature levels 12_0 и 12_1 служит для того, чтобы графический процессор выполнял быстрее ряд уже известных задач, которые в противном случае создают большую нагрузку на пропускную способность блоков наложения текстур, шину памяти и пр.
В принципе, дополнительная вычислительная мощность, которую высвобождает новая версия API, сама по себе позволяет обогатить игровую графику более детализированными текстурами и объектами. Более того, в некоторых играх под Direct3D 12 и Vulkan геймплей тесно связан с выбором API (как в Ashes of the Singularity, которая за счет множества юнитов на экране создает огромное количество draw calls). Но если поставить вопрос в формулировке «Станет ли игра выглядеть лучше, если включить в ней Direct3D 12 или Vulkan?», то на данный момент ответ будет в подавляющем большинстве случаев отрицательным. Масштаб внедрения новых API все еще слишком мал, а железо на руках пользователей слишком разнообразно, чтобы разработчики игр открыли для видеокарт, хорошо работающих под Ditect3D 12 и Vulkan, эксклюзивный доступ к заметной части визуального контента.
При этом от графического процессора не требуется совместимость с feature level 12_0 и 12_1 для работы под Direct3D 12. В действительности GPU с возможностями на уровне feature level 11_0 и 11_1, созданные в ту пору, когда Direct3D 12 не было и в помине (архитектуры Femi и Kepler от NVIDIA и GCN первого поколения от AMD), могут воспользоваться всеми преимуществами runtime-библиотеки Direct3D 12 и, потенциально, получить выигрыш в быстродействии. У AMD и NVIDIA поддержка Direct3D 12 в драйвере начинается с серий Radeon HD 7000 и GeForce GTX 400 соответственно.
⇡ Асинхронные вычисления в Direct3D 11 и Direct3D 12
Современные GPU лишь в силу привычки называются графическими процессорами. Архитектура, состоящая из большого количества исполнительных блоков (ALU, потоковых процессоров или CUDA-ядер, в терминологии различных производителей), подходит для исполнения любых программ, легко разделяющихся на независимые друг от друга цепочки операций (GP-GPU, General Purpose GPU) - будь то промышленные задачи, майнинг криптовалюты, машинное обучение и т. д.
Методы GP-GPU применяются и в играх (по меньшей мере с того времени, когда NVIDIA купила компанию - создателя «физического ускорителя» Ageia и адаптировала ее API PhysX для работы на графических процессорах), но ни одна из коммерческих игр еще не может похвастаться тем, что раскрыла потенциал неграфических расчетов в такой степени, как «демки» PhysX, которые периодически демонстрирует NVIDIA. Причина лежит на поверхности: даже лучшие GPU не обладают избытком ресурсов для того, чтобы действительно масштабные вычисления игровой физики не уничтожили частоту смены кадров. Тем более в то время, как перед разработчиками ПО и железа открылись более заманчивые перспективы - разрешение сверхвысокой четкости и VR.
Однако актуальные и потенциальные функции вычислений общего назначения в современных играх не ограничиваются физикой. SSAO (Screen-Space Ambient Occlusion), локальные отражения в экранном пространстве (Screen-Space Reflections), генерация карт теней, различные модели глобального освещения и пр. могут быть реализованы в качестве методов GP-GPU. Нетрудно заметить, что в данном случае отсутствует принципиальная граница между задачами двух типов. Она существует лишь на уровне архитектуры приложения и API, когда графика и вычисления представляют собой отдельные очереди инструкций. Именно одновременное исполнение множественных очередей инструкций лежит в основе того, что называют (не вполне корректно, но об этом позже) асинхронными вычислениями .
В рамках Direct3D 11 существует единственная очередь инструкций для рендеринга графики. И как бы тщательно ни была оптимизирована архитектура GPU, в процессе рендеринга неизбежно возникают «пузыри», когда шейдерные ALU простаивают, в то время как свою работу выполняют другие компоненты процессора - блоки наложения текстур, ROP, шина памяти и т. д.
В свою очередь, Direct3D 12 и Vulkan позволяют создать две отдельные очереди - для графики и вычислений соответственно (не считая очереди для передачи данных по шине PCI Express), а задача распределения ресурсов GPU между ними ложится на сам процессор и его драйвер, которые следят за возникновением «пузырей» в той или иной очереди и эффективно их закрывают за счет инструкций из соседней очереди. В общих чертах подход аналогичен функции Hyper-Threading центральных процессоров.
Прим.: н а самом деле в Direct3D 12 и Vulkan можно создавать множественные очереди всех трех типов - в зависимости от того, сколько поддерживает GPU.
Осталось пояснить, почему термин «асинхронность» не лучшим образом описывает то, что происходит в процессе рендеринга с двумя очередями инструкций, которые мы осторожно назвали отдельными, но не независимыми. Корректный (и официальный для Direct3D 12) термин - Multi-Engine. Дело в том, что те процедуры, которые исполняются в «графической» и «вычислительных» очередях Direct3D 12 или Vulkan, как правило, содержат взаимные зависимости данных: исполнение инструкций в одной очереди должно быть остановлено, пока не будет получен результат определенной инструкции из другой очереди.
В таком случае можно говорить лишь об одновременном (concurrent), но не асинхронном (независимом по времени завершения) исполнении. Примером истинной асинхронности является фоновый процесс с низким приоритетом, протекающий одновременно с рендерингом кадра, - такой, как декомпрессия ресурсов, обновление карт теней в моделях глобального освещения и пр. (см. слайд AMD выше). Таким образом, термин «асинхронные вычисления» применим к узкому кругу задач, в то время как понятие Multi-Engine описывает одновременное исполнение нескольких очередей вычислительных инструкций безотносительно к структуре зависимостей между ними.
⇡ Multi-Engine на GPU различной архитектуры: AMD GCN
Рассмотрим животрепещущий вопрос практической реализации Multi-Engine. Популярное мнение гласит, что а) графические процессоры AMD выигрывают от применения Multi-Engine, в то время как чипы NVIDIA (включая Pascal) не могут столь же эффективно использовать его в силу архитектурных ограничений, б) среди архитектур NVIDIA только Pascal поддерживает Multi-Engine. Как нам предстоит убедиться, оба утверждения в целом верны, но полная картина далеко не столь однозначна.
Самый простой для анализа случай - это архитектура GCN (Graphics Core Next), на которой основаны все графические процессоры AMD последних лет, начиная с Tahiti ( /) и заканчивая Vega 10 ( /). Как достоинства, так и недостатки чипов AMD в действительности располагают к применению Multi-Engine. GCN в своей основе ориентирована на вычисления GP-GPU в не меньшей степени, чем на рендеринг графики, и устроена таким образом, что добрая часть задачи насыщения GPU параллелизмом решается на уровне «железа», а не драйвера или приложения. Даже самые ранние чипы GCN обеспечивают одновременное исполнение нескольких очередей «вычислительных» команд одновременно с очередью рендеринга графики за счет командных процессоров двух типов - GCP (Graphics Command Processor) и ACE (Advanced Compute Engine). А начиная с третьего поколения архитектуры (чипы и ), GCN также включает раздельные планировщики для шейдерных и «вычислительных» инструкций. В результате процессор может динамически передавать вычислительные ресурсы отдельных CU (Compute Unit - блок, содержащий 64 ALU) между несколькими очередями инструкций.
Кроме того, GCN допускает сравнительно безболезненную смену контекста CU. Смена контекста в данном случае означает, что CU, находящийся в ожидании данных от длительной операции, которой занимаются другие блоки GPU, получает от командного процессора другую работу, сохранив содержимое своих регистров в каком-либо внешнем хранилище. В GCN этим хранилищем является высокоскоростной интегрированный кеш, и процессор может пользоваться сменой контекста весьма свободно.
Таким образом, управляющая логика GCN способна эффективно загружать исполнительные блоки GPU за счет инструкций из отдельных очередей, заполняя даже сравнительно небольшие «пузыри» конвейера. Итоговый прирост быстродействия зависит от того, насколько часто «пузыри» возникают в режиме одной очереди. Но ведь правда, графические процессоры AMD существенно недогружены в большинстве игр по сравнению с чипами NVIDIA, и с каждым новым поколением ситуация усугубляется. Достаточно взглянуть на Radeon RX Vega 64, которая в задачах GP-GPU по меньшей мере не уступает , но в играх едва справляется с . GCN - «широкая» архитектура, требующая высокого параллелизма для полной нагрузки. Поэтому да, возможности Multi-Engine, которые открывают современные API, могут стать большим подспорьем для AMD - с большой оговоркой о том, что разработчики игр начнут их активно использовать.
Multi-Engine на GPU различной архитектуры: NVIDIA Kepler, Maxwell и Pascal
Ситуация с поддержкой Multi-Engine в графических процессорах NVIDIA далеко не столь прозрачна, как в случае с AMD. Материалы NVIDIA, находящиеся в широком доступе, не дают ясного ответа на все вопросы. С полной уверенностью можно говорить лишь о том, каким именно из GPU архитектур Kepler, Maxwell и Pascal вообще разрешено иметь дело со смешанной нагрузкой (графика/вычисления) под управлением Direct3D 12 и Vulkan. А наше представление о том, почему это так, а не иначе, основано по большей части на сторонних источниках и не претендует на истину в последней инстанции. Что поделать, такова политика этой компании, особенно когда речь идет о недостатках их продуктов.
В отличие от AMD, NVIDIA решила разделить свои GPU на преимущественно потребительские либо профессиональные модели, начиная с архитектуры Kepler. Первые изначально лишены массы вычислительных функций, бесполезных в игровых задачах (таких как быстрое исполнение расчетов двойной точности). Кроме того, на пути от архитектуры Fermi (GeForce 400/500) к Kepler, а затем Maxwell разработчики последовательно сокращали управляющую логику GPU, переложив часть функций на драйвер.
Тем не менее поддержка смешанной нагрузки даже в массовых чипах NVIDIA значительно расширилась со времен Kepler. «Мелкие» чипы архитектуры Kepler (GK10X, GeForce GTX 680 и ниже, а также GeForce GTX 770) способны работать с единственной очередью команд, будь то графика или чисто вычислительная задача (ни о каком Multi-Engine речи не идет). В «большом» Кеплере (GK110/210, / и ) и чипах Maxwell первого поколения (GK107, GeForce GTX 750/) внедрили отдельный блок для приема «вычислительных» очередей Hyper-Q, но отдельная «вычислительная» нагрузка одновременно с графикой возможна только под проприетарным API CUDA. Кроме того, «вычислительная» очередь может задействовать один и только один из 32 слотов блока CWD (CUDA Work Distributor), распределяющего цепочки операций между отдельными SM.
Динамическое распределение мощностей между графической и «вычислительной» очередями появилось только в Maxwell второго поколения (серия GeForce 900), но существует критически важное ограничение: перераспределение происходит лишь на границе draw call, а значит, драйверу нужно выделить необходимую для той или иной задачи группу SM (Streaming Multiprocessor, блок, в который организованы CUDA-ядра) заранее. Отсюда возникают ошибки планирования, которые невозможно устранить на лету, и даже при идеальном предсказании эвристики драйвера Maxwell будет пропускать мелкие «пузыри» конвейера. Кроме того, Maxwell несет тяжелые потери от смены контекста, т. к. промежуточные результаты вычислений сохраняются в (обладающей сравнительно высокой латентностью) оперативной памяти, при этом происходит полная очистка кеша L1 и разделяемой памяти GPU. В таких условиях быстродействию не настолько сильно вредит достаточно короткий простой отдельных SM, как смена контекста.
Похоже, именно эти архитектурные ограничения побудили NVIDIA заблокировать Multi-Engine в драйвере для Kepler и Maxwell. Приложение может создать сколько угодно «вычислительных» очередей, но драйвер все равно объединит их с графической очередью. По-прежнему единственная лазейка для разработчиков - это использовать CUDA, хотя на ситуацию с распределением ресурсов и смену контекста API никак не влияет.
Среди «зеленых» GPU только семейство Pascal допущено к функции Multi-Engine в Direct3D 12 и Vulkan, ибо Pascal, в отличие от Maxwell, умеет передавать ресурсы SM между очередями графики и «вычислений» динамически, не дожидаясь завершения draw call. При этом цена смены контекста осталась высокой (вплоть до 0,1 мс или 170 тыс. циклов GPU в случае /1080!), а значит, Pascal по-прежнему ограничен в гибкости при работе с несколькими очередями команд по сравнению с GCN.
В итоге NVIDIA довольно сильно усложнила жизнь разработчикам приложений, желающим использовать Multi-Engine. GCN неприхотлива и предсказуема в плане смешанной нагрузки, но ускорители Radeon на рынке в меньшинстве. С другой стороны, видеокарты с графическими процессорами NVIDIA стоят во множестве игровых ПК и вдобавок принадлежат к нескольким поколениям с различным уровнем поддержки Multi-Engine и методами его использования. Но, к счастью для NVIDIA, ее продукты и без того не испытывают недостатка в быстродействии. Чипы Maxwell и Pascal в сравнении с процессорами GCN соответствующего класса имеют более «узкую» архитектуру с меньшим числом шейдерных ALU, а значит - не требуют столь же высокого параллелизма для полной загрузки.
| Графика + вычисления, макс. N очередей | Вычисления, макс. N очередей | Распределение CU/SM в смешанном режиме | |
| AMD GCN 1.4 (Vega) | 1 + | Динамическое | |
| AMD GCN 1.3 (Polaris) | 1 + | Динамическое | |
| AMD GCN 1.2 (Tonga, Fiji) | 1 + | Динамическое | |
| AMD GCN 1.1 (Hawaii) | 1 + 64 | 64 | Динамическое |
| AMD GCN 1.1 (Bonaire) | 1 + 16 | 16 | Динамическое |
| AMD GCN 1.0 (Cape Verde, Bonaire, Pitcair, Tahiti) | 1 + 8 | 2 | Динамическое |
| NVIDIA Pascal (GP10X) | 1 + 31 | 32 | Динамическое |
| NVIDIA Maxwell 2 (GM20X) | 1 + 31 (CUDA) | 32 | Статическое |
| NVIDIA Maxwell 1 (GM107) | 1 + 31 (CUDA) | 32 | Статическое |
| NVIDIA Kepler (GK110) | 1 + 31 (CUDA) | 32 | Статическое |
| NVIDIA Kepler (GK10X) | 1 | 1 | - |
Юрген Катсман (Jurjen Katsman), исполнительный директор разработчика игр Nixxes, рассказал о ряде проблем, с которыми столкнулась его компания при переходе с DirectX 11 на DirectX 12. Он сказал, что это вовсе не тривиальная задача, а весьма сложный процесс - создание кода, оптимизированного для DirectX 12, занимает много времени. Особенно в начале 2016, когда Nixxes стала одним из первых разработчиков игр, решивших реализовать поддержку DirectX 12, и столкнулась со множеством трудностей: отсутствующие инструменты отладки, неполная документация, а также проблемы с драйверами привела к задержке публикации обновлений с поддержкой DirectX 12 для обеих игр.
Даже сейчас, когда ситуация по всем перечисленным выше пунктам существенно улучшилась, всё равно осталось много моментов, которые негативно влияют на производительность и сложность. Например, управление памятью - особо проблемная область. Для DirectX 12 требуется больше памяти, чем DirectX 11, и превышение физического объема памяти видеоадаптера вызывает проблемы. Так как DirectX 12 - низкоуровневый API, то код необходимо тестировать на множестве аппаратных конфигураций, поскольку встречаются случаи падения производительности на некоторых конфигурациях (отличных от использовавшихся при разработке - разных ценовых категорий). Более того, выигрыш от использования DX12 может быть не так заметен при использовании высоких настроек, быстрых процессоров, или игре на высоких разрешениях.
Катсман также сказал, что будущее - определённо за асинхронными вычислениями, но на данный момент их использование даёт наиболее заметный результат на игровых консолях.
В другой презентации, разработчик из Ubisoft (Assassin"s Creed) тоже упомянул, что разработка под DX 12 - тяжёлый труд. Только лишь переход на эту версию API, без какой-либо оптимизации, приведёт к существенному падению производительности (в их случае - 200%, как указано на слайде).
Положительный эффект от DirectX 12 есть в случае SLI или Crossfire
Возможность использования нескольких графических адаптеров (Multi GPU) - одно из ключевых преимуществ DX12. Разработчики в целом довольны возможностями прямого управления в конфигурациях с несколькими адаптерами. Режим AFR (alternate frame rate) в драйвере (SLI и CrossFire в DirectX 11) приводит к непредсказуемым результатам, неэффективному расходу ресурсов основного процессора, а также слабо контролируем, уточнил Катсман. Более того, он сказал, что объединение памяти (memory stacking, использование всей памяти обоих видеоадаптеров, без повторения данных) не будет реализовано. Это непростая задача, а рынок не так велик, чтобы оправдать инвестиции (время и деньги) в решение этой проблемы.
Рост производительности до 10 %
Другой большой проблемой DirectX 12 является надутый пузырь ожиданий. Катсман говорит, что многие пользователи рассчитывают на приличный рост производительности, в то время как реальный рост не превысит 10%. Именно это, в сочетании с высокой трудоёмкостью создания качественно оптимизированного кода для DirectX 12, ставит вопрос ребром - а стоит ли DirectX 12 того? "Это хороший вопрос", отвечает Катсман, хотя он видит ответ скорее положительным. В конечном итоге, ожидания к DirectX 12 немного завышены. Создание кода для этого низкоуровневого API требует больших трудозатрат, а пользователям не стоит рассчитывать на существенный рост производительности.
Список игр, поддерживающих DirectX 12, заметно увеличился. В этом материале мы рассмотрим HITMAN, Rise of the Tomb Raider и Ashes of the Singularity. Эти игры поддерживают и DirectX 11, и DirectX 12. Две из них вышли совсем недавно. Ashes of the Singularity все еще находится на стадии beta-тестирования. Эксклюзивно для Windows 10 вышла ремастеринг-версия культовой Gears of War. Совсем скоро появятся игры ААА-класса: Deus Ex: Mankind Divided, Forza Motorsport 6 Apex и Quantum Break. На только что прошедшей выставке GDC представили движок CryEngine V. Отныне все Xbox-эксклюзивы будут выходить в том числе и на ПК. Но только исключительно под Windows 10. Спасибо новой стратегии Microsoft .
Качество
Как я уже говорил, DirectX 12 разработан для более качественной оптимизации под современное железо. Технологии Tiled Resources, Typed UAV и Bind, входящие в состав этого API, существенно (на бумаге) экономят ресурс видеопамяти и ориентируют API на использование большего числа ядер центрального процессора. Принцип консервативной растеризации ускоряет расчет теней и фильтра MSAA. Логично, что оптимизация приведет и к улучшению качества графики, но самое главное - это все же увеличение стабильности и быстродействия.
Давайте сравним графику DirectX 11 и DirectX 12 в HITMAN и Rise of the Tomb Raider. Ниже прикреплено несколько скриншотов в разрешении Ultra HD (осторожно, каждый файл весит 8-10 Мбайт!). Настройки качества - .
