Архитектура Turing и особенности новых видеокарт GeForce RTX

Трассировка лучей

Также технологии нейронных сетей нужны для очистки изображения от шумов при рендеринге с использованием трассировки лучей. И тут мы подбираемся к главной особенности Turing — поддержке трассировки лучей в реальном времени. По сути, мы имеем первое поколение видеокарт, которое поддерживает новый метод рендеринга. Сейчас используется метод растеризации: объекты проецируются на плоскость экрана с последующей обработкой пикселей с учетом расстояния до плоскости проекции и наложения текстур. Поскольку индустрия развивалась много лет, то эффективность современных методов визуализации на актуальных GPU достаточно высокая. Трассировка лучей использует метод построения изображения, приближенный к реальному, имитируя прохождение лучей света в окружающей среде. При трассировке для каждого пикселя строится луч, определяющий его видимость. Далее строятся вторичные лучи от точки пересечения к источнику света для определения освещенности точки.

Архитектура NVIDIA Turing

При трассировке можно корректно просчитывать не только освещенность каждой точки, но и взаимное влияние объектов друг на друга с учетом их материалов. При стандартных методах рендеринга мы видим качественную симуляцию, где правильное затенение или какие-то особенности освещения воссоздаются с использованием определенных упрощений, используются заранее подготовленные отражения, карты теней и разные методы симуляции глобального затенения. Трассировка лучей позволяет сделать все это более достоверным, лучше учитывая особенности окружающей среды и материалов объектов. И чем сложнее сцена, тем более очевидны будут преимущества трассировки.

Архитектура NVIDIA Turing

К примеру, с трассировкой можно создавать корректные отражения с учетом всего окружения. При обычных методах лишние объекты вне зоны кадра просто отсекаются. Также лучше учитываются особенности преломленного и отраженного света, который определяется взаимным влияниеем объектов. Проще воссоздавать полупрозрачные объекты. Сейчас это неплохо симулируется, но не всегда картинка выглядит корректно во всех нюансах.

Трассировка позволяет воссоздавать реалистичные тени, учитывая направленность света и его рассеянность. Мы получим более точные контуры тени и реалистичное размытие по мере удаленности от источника освещения. Кстати, похожий эффект работает с технологией мягких теней NVIDIA HFTS.

Архитектура NVIDIA Turing
Архитектура NVIDIA Turing

Ну и ключевым моментом является воссоздание реалистичного объемного освещения и затенения. Многие преимущества рендеринга с использованием трассировки хорошо показаны в нижнем видеоролике.

Главным препятствием по внедрению трассировки были высокие требования к производительности системы, ведь еще недавно для этого требовались мощные графические фермы. С момента разработки этого алгоритма прошли десятки лет. Сейчас трассировка активно используется в киноиндустрии, а с выходом Turing начинается путь по внедрению данной технологии в игровую индустрию. Все понимают, что это первые шаги в данном направлении. Поэтому о полноценной трассировке пока речь не идет. NVIDIA внедряет гибридный метод рендеринга, который позволяет совмещать растеризацию с трассировкой для некоторых эффектов.

Архитектура NVIDIA Turing

И среди новых игр, где уже заявлена поддержка трассировки, мы видим упоминание лишь некоторых эффектов. Так, в Shadow of the Tomb Raider будут реализованы реалистичные тени, в Battlefield V более качественные отражения, а в Metro Exodus реалистичное глобальное затенение.

Проект Atomic Heart обещает сразу несколько эффектов. Тут будет как реалистичное затенение, так и корректные отражения. Обратите внимание на рекурсию отражений в зеркальной поверхности в конце ролика — выглядит действительно круто.

И это лишь первая волна игр и первое поколение ускорителей GeForce RTX, которые могут обрабатывать трассировку в реальном времени.

Подробнее поговорим о технической реализации гибридного рендеринга. Процессоры Turing могут одновременно сочетать работу конвейера растеризации и трассировки. Растеризация быстрее для определения видимости объекта. Вторичные лучи при трассировке могут уже использоваться для создания качественных отражений, теней и прочих эффектов. Разработчики получат возможность регулировать степень покрытия отраженными лучами нужной поверхности. В целом же количество первичных и вторичных лучей зависит от сложности сцены и многих иных параметров.

Архитектура NVIDIA Turing

Сама трассировка не является некоей эксклюзивной особенностью NVIDIA. Компания Microsoft уже приняла расширение DirectX Raytracing (DXR) для DirectX 12. API определяет команды на выполнение, не ограничивая аппаратное устройство в методах их исполнения. Технология NVIDIA RTX предлагает сочетание программных алгоритмов и аппаратных возможностей для реализации трассировки. Естественно, что NVIDIA RTX работает в среде DirectX 12, но также NVIDIA работает над стандартизацией и внедрением технологии в Vulkan API. По слухам трассировку в среде Vulkan добавят в Final Fantasy XV: Windows Edition.

Одним из методов ускорения трассировки является применение алгоритма Bounding Volume Hierarchy (BVH). Он предполагает разбиение сцены на структуру иерархически связанных блоков, в которые входят разные геометрические примитивы. Каждый луч тестируется, проходя по этому дереву, пока не встретит на своем пути примитив. Создание иерархической структуры BVH избавляет от лишних тестов для луча.

Архитектура NVIDIA Turing

Специальные RT-ядра берут на себя аппаратные расчеты по алгоритму BVH. Без этих блоков процессор вынужден выполнять тысячи лишних операций и расчетов.

Архитектура NVIDIA Turing

Архитектура NVIDIA Turing

Pascal не имеет таких блоков и его производительность в трассировке значительно ниже. Для GeForce GTX 1080 Ti озвучивается цифра в 1,1 гигалучей в секунду (Giga Rays/s). GeForce RTX 2080 Ti с RT-блоками обрабатывает 10 гигалучей в секунду. Разница огромная.

При использовании трассировки лучей на изображении образуется шум, который убирается специальными фильтрами. У Turing используется аппаратное шумоподавление на основе интеллектуальных алгоритмов с использованием глубокого обучения, обеспечивая работой тензорные блоки.

С переходом к гибридному рендерингу получается разная нагрузка на определенные блоки GPU. Нижняя схема показывает примерное распределение нагрузки для вывода одного кадра. При использовании DLSS около 20% времени кадра нужно для тензорных вычислений, а 80% — для обычного рендеринга с использованием ядер CUDA. При этом трассировка требует примерно половину времени от обработки шейдеров FP32, т.е. ядра RT занимают 40% времени кадра. И еще 28% уходит на операции INT32.

Архитектура NVIDIA Turing

Из этого всего NVIDIA выводит новую метрику измерения комбинированной производительности в гибридном рендеринге:

RTX-OPS = TENSOR * 20% + FP32 * 80% + RTOPS * 40% + INT32 * 28% (Tera-OPS)

Для GeForce RTX 2080 Ti это 76–78 Tera-OPS, для GeForce RTX 2080 это 57–60 Tera-OPS, а для старого флагмана GeForce GTX 1080 Ti лишь 11,3 Tera-OPS.

Для наглядности приведем таблицу, в которой сведены вместе данные по скорости выполнения разных вычислений. Это пиковые показатели, с учетом небольшого различия в частотах Boost Clock.

  GeForce RTX 2080 Ti GeForce RTX 2080 GeForce RTX 2070 GeForce GTX 1080 Ti
RTX-OPS (Tera-OPS) 76–78 57–60 42–45 11,3
Rays Cast (Giga Rays/s) 10 8 6 1,1
FP32 TFLOPS 13,4–14,2 10–10,6 7,5–7,9 16,3
INT32 TIPS 13,4–14,2 10–10,6 7,5–7,9 н/д
FP16 TFLOPS 26,9–28,5 20,1–21,2 14,9–15,8 н/д
FP16 Tensor TFLOPS совместно с FP16 107,6–113,8 80,5–84,8 59,7–63 н/д
FP16 Tensor TFLOPS совместно с FP32 53,8-56,9 40,3–42,4 29,9–31,5 н/д
INT8 Tensor TOPS 215,2–227,7 161,1–169,6 119,4–126 н/д
INT4 Tensor TOPS 430,3–455,4 322,2–339,1 238,9–252,1 н/д

Виртуальная реальность

Ускорители Turing станут самым быстрым решением для виртуальной реальности VR. Поддерживается технология Multi-View Rendering, которая является развитием Simultaneous Multi-Projection (Pascal). Это метод отрисовки изображения для разных проекций (вплоть до 32) с просчетом геометрии одновременно для нескольких проекций. Новый метод предусматривает возможность большего смещения точек обзора, позволяя работать в VR с большим углом обзора, вплоть до 200 градусов.

Архитектура NVIDIA Turing

Из-за особенностей линз в очках виртуальной реальности на периферии качество изображения ниже, и тут можно снизить качество рендеринга. Для ускорения можно применить Foveated Rendering. Также важную роль в виртуальной среде играет правильное позиционирование звука. Качество объемного звука улучшит технология NVIDIA VRWorks Audio, которая использует метод трассировки для просчета пути звуковой волны. А поскольку теперь есть специальные блоки трассировки, то такие вычисления заметно ускорились.

Архитектура NVIDIA Turing

Среди прочих достоинств новые видеокарты NVIDIA поддерживают VirtualLink USB Type-C для коммутации устройств VR через один интерфейс без лишних проводов.

Блок вывода изображения

Turing получил новый блок вывода изображения с интегрированной поддержкой HDR и более высоких разрешений. Появилась поддержка DisplayPort 1.4a с возможностью передавать картинку 8K при 60 Гц, плюс технология сжатия данных без потерь VESA Display Stream Compression (DSC) 1.2. Turing могут управлять двумя дисплеями 8K при частоте 60 Гц с HDR. Для сохранения оригинальных цветов рекомендуется подключать HDR-мониторы стандарта BT.2100. Всего же у видеокарт три порта DisplayPort. Еще есть один HDMI 2.0b с поддержкой HDCP 2.2.

Архитектура NVIDIA Turing

Упомянутый VirtualLink тоже позволяет подключать 8K-мониторы. Физически он выполнен в виде порта USB Type-C. Изначально интерфейс разработан для простого подключения гарнитур VR.

В процессорах Turing улучшен блок кодирования видео NVENC. Появилась поддержка кодирования H.265 8K при 30 кадрах. Заявлена некая экономия битрейта до 25% для HEVC и до 15% для H.264, что, вероятно, стоит понимать, как повышение качества кодирования относительно прошлого поколения видеокарт. При этом аппаратный кодер работает заметно быстрее программного x264, обеспечивая минимальную нагрузку на CPU при стриминге даже в 4K. Кроме качественного стриминга можно ожидать и новые возможности для обычного захвата видео. При наличии аппаратного 8K-кодировщика функция захвата в 8K должна появиться и в Shadowplay, хотя пока она не заявлена.

Архитектура NVIDIA Turing

Обновлен и декодер видео для воспроизведения видеоконтента: поддерживается декодирование HEVC YUV444 10/12b HDR с частотой 30 кадров в секунду, H.264 8K и VP9 10/12b HDR.

Технология SLI

В поколении Pascal была улучшена пропускная способность в SLI-режиме благодаря использованию двух разъемов MIO с парой соответствующих мостиков. В новых процессорах Turing TU102 и TU104 используется интерфейс NVLink второго поколения для обмена данными между GPU. В TU102 реализовано две линии x8 второго поколения NVLink, а в TU104 одна линия x8. Двунаправленная пропускная способность одной такой линии составляет 50 Гбайт/с. Благодаря новому интерфейсу SLI поддерживаются новые высокие разрешения. Для GeForce GTX 2080 в SLI доступен режим 8K, 4K Surround 144 Гц или 5K при 75 Гц. GeForce GTX 2080 Ti поддерживает даже 8K Surround.

Архитектура NVIDIA Turing

SLI позволяет объединять только две видеокарты. И сам этот режим доступен лишь на GeForce GTX 2080 Ti и GeForce GTX 2080. Стоимость нового мостика SLI на официальном сайте 79 долларов.

Новые возможности GeForce Experience

Появление новых аппаратных возможностей позволило расширить функциональность программного приложения GeForce Experience. В частности, владельцам новых видеокарт будет доступен Ansel RTX.

Архитектура NVIDIA Turing

В новом Ansel можно создавать скриншоты с трассировкой лучей. Причем в режиме паузы качество трассировки будет выше, чем в игре в режиме реального времени.

Архитектура NVIDIA Turing

Технология нейронных сетей позволит делать скриншоты повышенного разрешения с лучшим качеством и проработкой.

Архитектура NVIDIA Turing

Плюс возможность обрабатывать снимки, накладывая разные изображения друг на друга, добавлять стикеры. Будут новые фильтры. Интеграцию Ansel получат многие новые игры, хотя не везде доступны абсолютно все функции. Среди громких релизов осени с Ansel подружатся Battlefield V, Hitman 2, некоторые функции будут в Metro: Exodus.

GPU Boost 4.0 и разгон

В видеоадаптерах NVIDIA давно применяется технология GPU Boost, которая регулирует и повышает частоты ядра. Это ускорение со множеством промежуточных значений, где ключевым является удержать видеокарту в определенных рамках мощности и температур. В очередной раз напомним, что NVIDIA указывает базовое (минимальное) значение частоты и среднее значение Boost Clock. При определенных условиях в игровой нагрузке частоты будут выше заявленного Boost. При хорошем охлаждении так зачастую и происходит. И это отличается от системы обозначений частот у видеокарт AMD, где вплоть до семейства Vega указывалось максимальное значение частоты ядра.

Алгоритм работы GPU Boost постоянно совершенствуется. В прошлом поколении был реализован GPU Boost 3.0, где впервые ппользователь получил возможность настроить кривую частот через через программные настройки специальных утилит. В новом GPU Boost 4.0 пользователю доступно еще больше возможностей для тонкой настройки, где можно контролировать вторую точку целевой температуры и определять время работы при достижении температурных лимитов.

Архитектура NVIDIA Turing

Новые функции настройки Boost с гибким подбором параметров температурной кривой доступны в утилите EVGA Precision X1.

Архитектура NVIDIA Turing

Также в Turing появилась функция автоматического подбора частот для разгона. NVIDIA Scanner запускает специальный тест для проверки на стабильность при постепенном повышении частот. Такое сканирование и тест занимают 20 минут, но довольно точно определяют потолок максимальных частот, избавляя пользователя от лишних тестов. Очень удобно, особенно, для тех, кто слабо разбирается в этой теме. Поддержка NVIDIA Scanner есть в новой версии MSI Afterburner и EVGA Precision X1.

Архитектура NVIDIA Turing

Если производитель дает некие возможности для ускорения видеокарт, то он уверен в качественной реализации питания и дополнительном потенциале охлаждения для таких манипуляций.

Архитектура NVIDIA Turing

Не случайно установлены столь высокие цены на версии Founders Edition. Если в прошлом поколении это казалось переплатой исключительно за раннюю доступность на рынке и эксклюзивность, то теперь чувствуется серьезный основательный подход. Видеоадаптеры Turing получили новое охлаждение с большим радиатором, испарительной камерой и двумя вентиляторами. Даже по весу чувствуется, что это качественный продукт с мощным охлаждением.

Архитектура NVIDIA Turing

Впервые референсные карты от NVIDIA не требуют компромиссов, а сразу обеспечивают отличные температурно-шумовые характеристики. Плюс изначально прошиты более высокие частоты Boost, и есть все возможности для реализации разгона без замены охлаждения.

Подробнее о конкретных экземплярах GeForce RTX мы поговорим в будущих обзорах.

Выводы

NVIDIA Turing — передовая графическая архитектура, которая расширяет возможности привычного рендеринга, добавляя трассировку лучей в реальном времени и возможность использовать нейронные сети для вспомогательных функций. Новые аппаратные возможности обеспечивают поддержку совершенно новых технологий и графических эффектов. Появление Turing стало знаковым событием, которое обозначает старт новой эры и постепенную интеграцию трассировки в игровую индустрию. Уже есть первые проекты, где будет поддержка эффектов на базе трассировки NVIDIA RTX. Еще больше игр получат поддержку нового сглаживания NVIDIA DLSS. Также в Turing есть много улучшений для ускорения традиционного рендеринга. Даже без учета трассировки вы изначально получаете самые быстрые игровые видеокарты с потенциалом для наращивания производительности после внедрения новых технологий.

Наряду со своей технологичностью новое поколение радует качественным подходом к проектированию конечных устройств. Референсные ускорители GeForce RTX перешли на новое охлаждение, есть функции для более простого разгона. Все сделано для того, чтобы удовлетворить запросы самого требовательного пользователя и оправдать высокую стоимость видеокарт.

О производительности GeForce RTX 2080 и GeForce RTX 2080 Ti в существующих играх мы поговорим в следующих обзорах, которые выйдут в ближайшие дни. Оставайтесь с нами и следите за новостями!

Теперь есть на что посмотреть