Видеокарта в нагрузку: обзор графических ускорителей Intel HD Graphics 4000 и Intel HD Graphics 2500

Процессоры Ivy Bridge произвели на нас не слишком сильное впечатление, потому что оказались не намного лучше своих предшественников. Но до сих пор мы обходили вниманием их графическое ядро, которое на самом деле затронули существенные изменения. Пора устранить этот пробел и протестировать их графику, вдруг по результатам такого исследования новые интеловские CPU получат совсем другую итоговую оценку?

Ещё несколько лет тому назад разговор о производительности встроенных графических ядер не имел практически никакого смысла. Полагаться на такие решения можно было лишь в тех случаях, когда работа с трёхмерной графикой не входила в число возможных применений компьютера, потому что встроенные графические ядра по сравнению с дискретными видеоакселераторами обладали минималистичной функциональностью в 3D-режимах. Однако к сегодняшнему дню эта ситуация в корне изменилась. Начиная с 2007 года зачинщик основной массы изменений на компьютерном рынке, компания Intel считает наращивание возможностей и производительности собственной интегрированной графики одной из важнейших задач. И её успехи впечатляют: встроенные графические ядра не только более чем на порядок увеличили своё быстродействие, но и стали неотъемлемой составной частью современных процессоров. Причём на достигнутом компания явно останавливаться не собирается и вынашивает амбициозные планы по увеличению скорости встраиваемой графики ещё на порядок к 2015 году.

Внезапно появившийся у разработчиков процессоров интерес к совершенствованию графических ядер стал отражением желания пользователей иметь в своём распоряжении достаточно компактные, но при этом вполне производительные вычислительные системы. Казалось бы, совсем недавно термин «мобильный компьютер» ассоциировался с системой, которую можно просто перенести с места на место одной рукой, а вопрос её размеров и веса волновал мало кого. Сегодня же, даже глядя на достаточно небольшие двухкилограммовые ноутбуки, многие потребители недовольно морщат нос. Тренд повернулся в сторону планшетных компьютеров и ультракомпактных решений, которые Intel величает ультрабуками. И именно такое стремление к легкости и миниатюрности стало основной движущей силой в интеграции графики в центральные процессоры и в увеличении её производительности. Один чип, полноценно заменяющий собой и CPU, и GPU и имеющий при этом невысокое тепловыделение — это именно тот базис, который необходим для создания прельщающих современных пользователей мобильных решений. Поэтому мы и наблюдаем бурное развитие гибридных процессоров, с существованием которых мириться приходится и приверженцам настольных систем. Последние, надо сказать, от такого прогресса тоже получают определённые дивиденды.
Процессоры Ivy Bridge — это уже второй вариант интеловской микроархитектуры, характеризующейся гибридным дизайном, объединяющим в одном полупроводниковом кристалле вычислительные ядра с графическим. По сравнению с предыдущей версией микроархитектуры, Sandy Bridge, изменения произошли кардинальные, причём касаются они в первую очередь именно графического ядра. Intel даже пришлось давать специальные разъяснения по поводу нарушения принципа «тик-так»: Ivy Bridge должен был стать результатом переноса предыдущего дизайна на новый, 22-нм технологический процесс, но, по факту, с точки зрения графических возможностей произошёл очень существенный шаг вперёд. Именно поэтому рассмотрение нового видеоядра, входящего в Ivy Bridge, мы сделали в виде отдельного материала — количество всевозможных нововведений чрезвычайно велико, да и улучшение 3D-производительности носит совсем нешуточный характер.
Отличное представление о том, насколько существенны произошедшие изменения, можно получить, просто сопоставляя полупроводниковые кристаллы Ivy Bridge и Sandy Bridge.

Sandy Bridge — площадь 216 кв.мм; Ivy Bridge — площадь 160 кв.мм

Оба они выполнены по различным технологическим процессам и имеют различную площадь. Но, обратите внимание, в то время как в дизайне Sandy Bridge на долю графического ядра было отведено примерно 19 процентов площади кристалла, в Ivy Bridge эта доля возросла до 28 процентов. А это значит, что сложность входящей в состав процессора графики увеличилась более чем вдвое: со 189 до 392 млн транзисторов. Совершенно очевидно, что такой заметный рост транзисторного бюджета впустую уйти не мог.
Необходимо подчеркнуть, что политика Intel в отношении объединения вычислительных и графического ядер и наращивания мощности последнего несколько расходится с концепцией APU, предложенной компанией AMD. Интеловский конкурент рассматривает внутрипроцессорное графическое ядро в качестве дополнения к вычислительным, рассчитывая, что гибкие программируемые шейдерные процессоры смогут стать подспорьем в деле увеличения общей производительности решения. Intel же возможность широкого использования графики для вычислений в расчет не берет: с традиционно процессорным быстродействием у Ivу Bridge всё в порядке и так. При этом первоочередная роль графического ядра — совершенно традиционная, а борьба разработчиков за приумножение его мощности обусловлена желанием максимально снизить число случаев, когда дискретная видеокарта выступает необходимым системным компонентом, особенно в мобильных компьютерах.
Впрочем, что подход AMD, что Intel — результат оказывается один и тот же. Рыночная доля дискретной графики неуклонно сокращается, уступая место интегрированной графике новых поколений, которая к настоящему времени приобрела поддержку DirectX 11 и получила производительность выше, чем у целого ряда бюджетных видеокарт. В данном материале мы посмотрим на реализованные в Ivy Bridge графические акселераторы Intel HD Graphics 4000 и Intel HD Graphics 2500 и попробуем оценить, использование каких дискретные видеокарт потеряло свой смысл с появлением интеловской графики нового поколения.

Графическая архитектура Intel HD Graphics 4000/2500: что нового

Увеличение производительности интегрированных графических ядер — далеко не такая простая задача. И то, что Intel смогла поднять её за несколько лет более чем на порядок — на самом деле результат серьёзной инженерной работы. Основная проблема здесь заключается в том, что интегрированные графические акселераторы не могут воспользоваться выделенной высокоскоростной видеопамятью, а делят с вычислительными ядрами обычную системную память с достаточно низкой по меркам современных 3D-приложений пропускной способностью. Поэтому оптимизация работы с памятью — это самый первый шаг, который необходимо сделать при проектировании быстродействующей встраиваемой графики.
И этот важный шаг компания Intel осуществила в прошлом варианте микроархитектуры — Sandy Bridge. Внедрение кольцевой внутрипроцессорной шины, связывающей воедино все компоненты CPU (вычислительные ядра, кеш третьего уровня, графику, системный агент с контроллером памяти), открыло для встроенного видеоядра короткий и прогрессивный маршрут для обращений в память — через быстродействующий кеш третьего уровня. Иными словами, интегрированное графическое ядро наряду с вычислительными процессорными ядрами стало равноправным пользователем L3-кеша и контроллера памяти, что существенно уменьшило простои, обусловленные ожиданием графических данных для обработки. Кольцевая шина оказалась до того удачной находкой прошлого дизайна, что в новую микроархитектуру Ivy Bridge она перекочевала без каких бы то ни было изменений.

Что же касается внутреннего строения графического ядра Ivy Bridge, то в целом его можно считать дальнейшим развитием идей, заложенных в акселераторах HD Graphics предыдущих поколений. Архитектура актуального интеловского графического ядра уходит своими корнями к представленным в 2010 году процессорам Clarkdale и Arrandale, но каждая новая её реинкарнация представляет собой не простое копирование предыдущего дизайна, а его совершенствование.

Архитектура графического ядра HD Graphics поколения Ivy Bridge

Так, при переходе от микроархитектуры Sandy Bridge к Ivy Bridge рост производительности графики достигается в первую очередь за счёт увеличения количества исполнительных устройств, тем более что внутреннее строение HD Graphics изначально подразумевало техническую возможность их простейшего добавления. В то время как в старшем варианте графики из Sandy Bridge, HD Graphics 3000, было реализовано 12 устройств, наиболее производительная модификация встраиваемого в Ivy Bridge видеоядра, HD Graphics 4000, получила 16 исполнительных устройств. Однако только лишь этим дело не ограничилось, сами устройства тоже были улучшены. В них добавился второй текстурный сэмплер, а пропускная способность возросла до трёх инструкций за такт.
Увеличение скорости обработки данных графическим ядром потребовало от разработчиков вновь задуматься и об их своевременной доставке. Поэтому в графическом ядре Ivy Bridge появилась и своя собственная кеш-память. Объём её не разглашается, однако, судя по всему, речь идёт о небольшом, но высокоскоростном внутреннем буфере.
Хотя нововведения в микроархитектуре графического ядра и кажутся на первый взгляд не слишком значительными, в сумме они выливаются в хорошо заметный невооружённым глазом прирост 3D-производительности, оцениваемый самой компанией Intel как двукратный. Кстати, примерно такой же прирост должно будет предложить и следующее поколение акселераторов HD Graphics, которые будут встраиваться в процессоры семейства Haswell. В них количество исполнительных устройств вырастет до 20, а в борьбу за уменьшение латентностей при работе графического ядра с памятью включится кеш четвёртого уровня.
Что же касается графики Ivy Bridge, то наращивание её быстродействия было далеко не единственной целью инженеров. Параллельно с ним в соответствие современным требованиям приведены и формальные спецификации нового графического ядра. Это означает, что в HD Graphics 4000 наконец появилась полная поддержка Shader Model 5.0 и аппаратной тесселяции. То есть теперь интеловская графика полностью совместима «в железе» с программными интерфейсами DirectX 11 и OpenGL 3.1. Ну и конечно, не станет проблемой работа HD Graphics 4000 в грядущей операционной системе Windows 8 — необходимые драйверы уже доступны на сайте Intel.
Также Intel добавила в новое графическое ядро и возможность выполнения его средствами вычислительной работы, для этого в новом поколении HD Graphics появилась поддержка DirectCompute 5.0 и OpenCL. В процессорах Sandy Bridge эти программные интерфейсы также поддерживались, но на уровне драйвера, который переадресовывал соответствующую нагрузку на вычислительные ядра. С выходом Ivy Bridge полноценные вычисления на GPU стали доступными и в системах с интеловской графикой.
В свете современных реалий инженеры Intel уделили внимание и поддержке становящихся всё более популярными многомониторных конфигураций. Графическое ядро HD Graphics 4000 стало первым интеловским интегрированным решением, способным работать с тремя независимыми дисплеями. Но имейте в виду, для реализации этой функции потребовалось увеличение ширины шины FDI, по которой изображение передаётся из процессора в набор системной логики. Так что поддержка трёх мониторов возможна только с новыми материнками, использующими чипсеты седьмой серии.

Кроме того, существуют некоторые ограничения в разрешениях и способах подключения мониторов. В настольной платформе, базирующейся на процессорах семейства Ivy Bridge, теоретически можно получить три выхода: первый — универсальный (HDMI, DVI, VGA или DisplayPort) с максимальным разрешением 1920x1200, второй — DisplayPort, HDMI или DVI с разрешением до 1920x1200 и третий — DisplayPort с поддержкой высоких разрешений вплоть до 2560x1600. То есть популярный вариант с подключением WQXGA-мониторов через Dual-Link DVI с Intel HD Graphics 4000 реализовать всё ещё невозможно. Зато версия протокола HDMI доведена до 1.4а, а протокола DisplayPort — до 1.1а, что в первом случае означает поддержку 3D, а во втором — способность интерфейса к передаче аудиопотока.
Инновации затронули и другие составные части графического ядра процессоров Ivy Bridge, в том числе и их мультимедийные возможности. Качественное аппаратное декодирование форматов AVC/H.264, VC-1 и MPEG-2 было успешно реализовано ещё в прошлом поколении HD Graphics, но в графике Ivy Bridge алгоритмы AVC-декодирования были скорректированы. За счёт нового дизайна модуля, отвечающего за контекстно-адаптивное кодирование, выросла производительность аппаратного декодера, что вылилось в теоретическую возможность одновременного воспроизведения нескольких потоков с высоким разрешением, вплоть до 4096x4096.

Немалый прогресс затронул и технологию Quick Sync, предназначенную для быстрого аппаратного кодирования видео в формат AVC/H.264. Введённая в строй в Sandy Bridge, она была признана колоссальным прорывом ещё полтора года назад. Благодаря ей процессоры Intel выдвинулись на первые места в скорости транскодирования видео высокого разрешения, для выполнения которого теперь отводится отдельный аппаратный блок, являющийся частью графического ядра. В рамках HD Graphics 4000 технология Quick Sync стала ещё лучше и получила усовершенствованный медиасэмплер. В результате обновлённый движок Quick Sync обеспечивает по сравнению с его прошлой Sandy Bridge-версией примерно двукратное преимущество в скорости перекодирования в формат H.264. При этом в рамках технологии улучшилось и качество выдаваемого кодеком видео, а также стали поддерживаться сверхвысокие разрешения видеоконтента, вплоть до 4096х4096.

Впрочем, у Quick Sync остаются и слабые стороны. На данный момент эта технология задействуется лишь в коммерческих приложениях для транскодирования видео. Популярных свободно распространяемых утилит, работающих с этой технологией, на горизонте не видно. Ещё один недостаток технологии — это её тесная совмещённость с графическим ядром. Если в системе используется внешняя графическая карта, отключающая в общем случае интегрированную графику, использовать Quick Sync невозможно. Правда, решение этой проблемы может предложить сторонняя компания LucidLogix, разработавшая технологию графической виртуализации Virtu.
И тем не менее Quick Sync остаётся уникальной технологией для рынка. Реализованный в её рамках узкоспециализированный аппаратный кодек оказывается существенно лучше по всем показателям, чем кодирование с использованием мощностей шейдерных процессоров современных видеокарт. Реализацию же аналогичного утилитарного аппаратного решения для кодирования вслед за Intel смогла осилить лишь NVIDIA. И то специализированное средство этой компании, NVEnc, появилось лишь совсем недавно — в ускорителях поколения Kepler.

Intel HD Graphics 4000 против Intel HD Graphics 2500: в чём же разница?

Как и раньше, Intel интегрирует в Ivy Bridge два варианта графического ядра. На этот раз это HD Graphics 4000 и HD Graphics 2500. Старшая и высокопроизводительная модификация, про которую в первую очередь шла речь в предыдущем разделе, впитала в себя все заложенные в микроархитектуре улучшения. Младшая же версия графики направлена не на установление новых стандартов быстродействия для интегрированных решений, а на простое обеспечение для современных процессоров минимально необходимого уровня графической функциональности.
Разница между HD Graphics 4000 и HD Graphics 2500 кардинальная. Быстрая версия видеоядра обладает шестнадцатью исполнительными устройствами, в младшей же их количество урезано до шести. В результате, в то время как HD Graphics 4000 обеспечивает примерно двукратное превосходство в теоретической 3D-производительности над видеоакселератором прошлого поколения HD Graphics 3000, преимущество HD Graphics 2500 перед HD Graphics 2000 прогнозируется на уровне 10-20 процентов. То же самое касается и скорости работы Quick Sync — двукратный рост скорости по сравнению с предшественниками обещан лишь только применительно к старшим версиям видеоядра.

Intel HD Graphics 4000	Intel HD Graphics 2500

«Полноценное» ядро HD Graphics 4000 при этом можно встретить далеко не во всех представителях поколения Ivy Bridge, а главным образом лишь в мобильных, где интегрированная в CPU графика наиболее востребована. В десктопных же моделях HD Graphics 4000 присутствует либо в процессорах серии Core i7, либо в оверклокерских Core i5 (с суффиксом K в модельном номере) с единственным исключением из этого правила — процессором Core i5-3475S. Во всех же остальных случаях пользователям настольных систем приходится либо иметь дело с HD Graphics 2500, либо прибегать к услугам внешних графических ускорителей.
К счастью, увеличение разрыва между старшими и младшими модификациями интеловской графики произошло исключительно в производительности. Функциональность HD Graphics 2500 нисколько не пострадала. Так же как и в HD Graphics 4000, в младшей версии есть поддержка DirectX 11 и трёхмониторных конфигураций.
Следует отметить, что, как и ранее, в разных процессорах Core третьего поколения графическое ядро может функционировать на различных частотах. Например, производительность встроенной графики заботит Intel больше, когда речь идёт о мобильных решениях, и это отражается на частотах. В целом мобильные процессоры Ivy Bridge имеют ядро HD Graphics 4000, работающее на слегка более высокой частоте, чем в случае их десктопных модификаций. Кроме того, разница в частоте встроенной графики может быть обусловлена и ограничениями в тепловыделении разных моделей CPU.
К тому же частота работы графики — величина переменная. В процессорах Ivy Bridge реализована специальная технология Intel HD Graphics Dynamic Frequency, которая интерактивно управляет частотой видеоядра в зависимости от нагрузки на вычислительные ядра процессора и их текущего энергопотребления и тепловыделения.

Поэтому в числе характеристик конкретных реализаций HD Graphics указывается две частоты: минимальная и максимальная. Первая характерна для состояния простоя, вторая же — это целевая частота, до которой графическое ядро стремится разогнаться, если это позволяет текущее энергопотребление и тепловыделение, под нагрузкой.