nVidia Optimus: přepínání grafiky bez kompromisů

0

Hezky od začátku

Trnitá cesta přepínatelné grafiky

Uživatelé, kteří chtěli na svém notebooku hrát 3D hry, měli odjakživa na výběr mezi vysokým výkonem samostatného akcelerátoru a dlouhou výdrží na baterie s integrovaným grafickým jádrem. Dohromady to nikdy nešlo. Proto Sony před lety u svých notebooků Vaio nabídlo možnost samostatný a integrovaný akcelerátor přepínat. Toto řešení ovšem vyžadovalo restart systému, tudíž bylo zdlouhavé a nepohodlné.

Později přišla řešení, která dokáží mezi grafickými adaptéry přepínat za chodu (s těmi se můžete dnes setkat poměrně běžně). Zdálo by se, že něco takového už musí každému vyhovovat, ale opak je pravdou. Notebooky s takovouto schopností „switchable graphics“ totiž vyžadují přítomnost dalších čipů – multiplexerů. Pro každý obrazový výstup je potřeba jeden. Ruku v ruce s tím jde složitější návrh tištěného spoje a výrobní náklady nepříjemně rostou. Alternativou mohou být řešení vyžadující kombinaci grafické karty a čipsetu Nvidie (Hybrid SLI, Hybrid Power), případně ATI a AMD (Xpress Power). Nvidia ale přestává čipsety vyrábět a AMD má v noteboocích tristně malý podíl. A hlavně ani tyto technologie neřeší nejzásadnější problém, kterým přepínání grafik trpí, a který se nachází mezi židlí a klávesnicí.

Uživatel totiž musí přepínání ovládat manuálně, samotné přepínání trvá několik sekund za zběsilého blikání displeje a přepínání nefunguje, dokud uživatel nezavře všechny aplikace využívající byť jednoduchou 2D akceleraci (webový prohlížeč, Solitaire‚Ķ). Údajně bylo zjištěno, že pouhé jedno procento majitelů notebooků s touto schopností grafiku opravdu přepíná. Zbytek o této možnosti nemá ani tušení a pokud ji náhodou objeví, obtěžují technickou podporu s problémy pramenícími z neznalosti výše zmíněných vlastností. Jiní zapomenou přepnout zpět na integrovanou grafiku a snaží se reklamovat baterii, která je najednou prázdná za zlomek výrobcem deklarované doby.

Bylo tedy potřeba vyvinout řešení, které by fungovalo automaticky, bez zásahu uživatele. Nvidia přijala tuto výzvu a na konci jejího snažení je technologie pojmenovaná Optimus, na počest hrdiny z filmu Transformers. Malou ochutnávku jsme vám přinesli už před měsícem, kdy společnost o Optimu prozradila první střípky. Až nyní je ale technologie oficiálně vydána a my vám můžeme říct vše, o co se Nvidia podělila s novináři.

Optimus: přepínání bez mrknutí oka

Pro účely předváděček a pro recenzenty připravila Nvidia jednoduchou aplikaci, která v malém okénku zobrazuje, je-li samostatné GPU zapnuté, nebo ne. Jinak to totiž lze zjistit pouze prostřednictvím Control Panelu ovladačů Nvidia. Běžný Franta uživatel ale netuší vůbec nic: Optimus nevyžaduje vůbec žádnou interakci a grafika se přepíná bez jediného bliknutí obrazovky!

Pro kancelářskou práci postačí integrované grafické jádro Intelu. Samostatná karta Nvidie je úplně odpojena od napájení.

Spustíte-li 3D hru, aplikaci využívající CUDA nebo video akcelerované skrze funkce DirectX, ovladač probudí samostatný akcelerátor, který náročnou práci zvládne lépe. Jak je napsáno v obrázku, Optimus používá obrazové výstupy integrovaného grafického jádra, nejsou tedy potřeba multiplexery a dvojí vedení těchto rozhraní skrz tištěný spoj. Technickým detailům se ale budu věnovat dále – zde jsem chtěl především ilustrovat, jak jednoduchý je Optimus z hlediska uživatele.

Optimus podrobně

Pod pokličkou aneb jak to funguje

Připomeňme ještě snímek z prezentace Intelu k procesorům Core i3/i5 s jádrem Clarkdale/Arrandale:

Na základě tohoto slajdu byste se mohli domnívat, že se Nvidia chlubí cizím peřím a dává vlastní logo na technologii, na jejímž vývoji se nejvíce nadřel Intel. Pravdou je, že Optimus funguje pouze na platformách Intelu, ale vedle nových Core i3/i5 i se staršími Core 2 (tedy čipsetem GM45) a s novým Atomem Pine Trail*. Nvidia tvrdí, že vývoj Optimu trval přibližně deset měsíců.

*) Ion 2 ještě nebyl oficiálně vydán, ale už nějakou dobu se domníváme, že půjde o grafický čip GT218 připojený k jižnímu můstku NM10. Informace o technologii Optimus takovému řešení také nasvědčují.

Hlavním pilířem jsou pochopitelně ovladače, konkrétně část, kterou Nvidia nazvala „Optimus Routing“. Ty hlídají, zdali nějaký program volá funkce Direct3D, DXVA (DirectX Video Acceleration, včetně flashových videí s Adobe Flash Playerem 10.1) nebo CUDA a jakmile takové volání zachytí, aktivuje samostatné grafické jádro. Zřejmě to ale samo o sobě není tak spolehlivé, a tak Optimus podobně jako SLI používá profily pro aplikace.

Stejně jako v případě SLI bude zkušenému uživateli umožněno profily vytvářet a případně vynutit běh pouze na integrovaném grafickém jádře; plošně je tato možnost dostupná pouze výrobcům notebooků, kteří chtějí implementovat super-duper-úsporný režim se vším všudy. V Moskvě má Nvidia středisko, kde stovky zaměstnanců na stovkách počítačů testují funkčnost a výkon mobilních GeForce s Optimem. V budoucnu budou uživatelé dostávat nové profily pro hry formou automatických updatů, jak je znázorněno na následujícím „rekapitulačním“ diagramu:


Klikněte pro zvětšení

Nyní se podívejme, jak Optimus funguje po hardwarové stránce.


Multiplexery a přebytečné cesty na PCB zmizely

Jak jsem již nakousl, grafické jádro Nvidie u Optimu nepoužívá své vlastní obrazové výstupy, nýbrž výstupy integrovaného grafického jádra Intel. A to tak, že zapisuje vykreslený obraz do hlavní paměti, do framebufferu integrovaného akcelerátoru. Zde narazila Nvidia na problém. Když grafické jádro provádí DMA (direct memory access) přenos, nemůže provádět jiné úlohy, zřejmě aby mezitím obraz ve své paměti nepřepsalo. Toto čekání má samozřejmě neblahý vliv na výsledný 3D výkon. A tak Nvidia vymyslela takzvaný „Copy Engine“.

Copy Engine není, jak jsme se původně domnívali, redakční systém nejmenovaného konkurenčního magazínu, nýbrž specializovaná jednotka v čipu, která se o DMA přenosy stará, zatímco samotné grafické jádro může pracovat na dalším snímku. Původně Nvidia vůbec nechtěla o existenci Copy Engine hovořit, prý aby tím neusnadňovala konkurenci okopírování jejich technologie. Nakonec se Copy Engine do dokumentace přístupné novinářům dostal, nicméně podrobnosti o jeho fungování si kalifornská společnost nechává pro sebe.

Pod hrncem aneb kdy to nefunguje

Na samostatnou pasáž jsem si nechal omezení, která Optimus má. Nejdříve ta hardwarová. Jak bylo zmíněno v předchozím textu, s Optimem se musí počítat při návrhu tištěného spoje. Na starších noteboocích, byť obsahují podporovanou kombinaci procesoru Core 2, čipsetu GM/GL4x a grafické karty Nvidia, tedy Optimus fungovat nebude – šikovné přepínání grafik tedy naleznete pouze u nových modelů.

Nedílnou součástí technologie Optimus je Copy Engine, a jak mnozí z vás jistě tuší, ten je přítomen pouze u novějších čipů. V současné době to znamená 40nm čipy s podporou Direct3D 10.1 (GT218, GT216, GT215). Ačkoliv je v materiálech uváděna podpora řad GeForce 200M, 300M a příští generace na bázi architektury Fermi, GeForce GTX 260M a 280M postavené na starém čipu G92b podporovány nejsou. U herních notebooků s těmito výkonnými kartami tedy Optimus nebude k dispozici. Nvidia má ovšem dobrý protiargument: tyto notebooky budou osazeny čtyřjádrovými procesory, které integrované grafické jádro neobsahují, a o kombinaci GeForce GTX 260M/280M s dvoujádrem prý žádný z výrobců neprojevil zájem.

Optimus má i několik omezení ze strany software. Podpora operačních systémů je omezena na Windows 7. Windows Vista, přestože jsou uvedeny na jednom z obrázků výše, podporovány nejsou; neumožňují totiž běh dvou různých grafických ovladačů současně a Optimus se právě o tuto schopnost opírá. Podporovány nejsou ani Windows XP. O tento letitý operační systém by stále mohli mít zájem výrobci/uživatelé netbooků s Atomem, kam Optimus s Ionem 2 míří také.

Jak bylo zmíněno, ovladač pro Optimus sleduje volání Direct3D, DXVA a CUDA. „Konkurenční“ rozhraní OpenGL podporováno není, to však může být pouze dočasný stav.

Světlá budoucnost

U plotny aneb všichni mají radost

V porovnání se systémem manuálního přepínání integrované a samostatné grafiky je Nvidia Optimus pro výrobce notebooku levnější. Vybavit notebook výkonným 3D akcelerátorem také už není na úkor výdrže na baterie, takže samostatné GPU mohou dostat i modely, které se dosud tradičně spoléhaly na integrované řešení od Intelu. To pro Nvidii pochopitelně znamená obrovskou příležitost. Budeme-li věřit prognózám našeho oblíbeného PR manažera Igora Staňka, pak Optimus prakticky vytlačí Mobility Radeony z kategorie ohrožených druhů do téměř vyhynulých.

Mimochodem má Optimus ještě jeden vedlejší efekt. Notebooky, jejichž základní deska bude navržena pro Optimus, tedy kde samostatné grafické jádro nebude mít vyvedeno vlastní obrazové výstupy, nebude možné osadit kartou jiného výrobce. Nvidia tak má větší šanci stát se exkluzivním dodavatelem GPU pro celé modelové řady.

Technologie Optimus udělala radost i Intelu, který jinak Nvidii nemá příliš v lásce. Narozdíl od situace, kdy mu Nvidia konkurovala svými čipsety s výkonnější integrovanou grafikou, Optimus a Ion 2 mu do prodejů jeho čipových sad vůbec nezasahují, naopak jim propůjčují konkurenční výhodu vůči platformám AMD + ATI. Že by se tedy dva kohouti na jednom smetišti konečně smířili?

U stolu aneb hotové notebooky

Notebook vybavený technologií Optimus poznáte podle tohoto štítku:

Optimus evidentně okouzlil firmu Asus, na jejíchž noteboocích nám technologie byla předváděna.

Mezi prvními Optimus notebooky, které se objeví v obchodech, bude Asus UL50Vf založený na starší platformě Centrino Montevina s procesorem Core 2 Duo SU7300.

Zanedlouho budou ale dostupné také nové modely na platformě Calpella, tedy s procesory Core i3/i5 Arrandale. Dohromady má prý Nvidia více než padesát „design wins“, tedy modelů, u kterých se Optimus objeví.

Nakonec vás možná bude zajímat, zdali se Optimus rozšíří i do desktopu. Momentálně se uvažuje pouze o nettopech a all-in-one počítačích, teoreticky tato možnost ale zůstává otevřená.

Závěrem

Nemám srovnání spotřeby/výdrže notebooku s Optimem a notebooku s grafickým akcelerátorem ATI, proto nad touto technologií nechci vynášet ukvapené soudy. Ostatně, postupy pro snižování spotřeby GPU v nečinnosti se stále zlepšují a nelze vyloučit ani tu možnost, že ATI bude proti Optimu bojovat právě touto cestou. Dostanou ale neznalí kupující podobnou záruku, jakou představuje samolepka Optimus?

Článek byl napsán s použitím informací z předváděčky Nvidie, prezentace a whitepaperu k Optimu.