О влиянии процессора на производительность встроенной графики AMD 780G

Недавно я обзавелся платой на чипсете AMD 780G, про который рассказывают много хорошего за его передовой техпроцесс, низкое энергопотребление и высокую по чипсетным меркам графическую производительность. Все эти похвалы в полной мере относятся и к родственным чипсетам - бюджетным 760G и 780V, разогнанному 790GX и рестайлинговому 785G образца лето-2009. Впрочем, похвалы похвалами, а при поиске более конкретных сведений не удалось сделать однозначный вывод о производительности этих чипсетов - по одним тестам, они уверенно отправляют в отставку low-end видеокарты, а по другим - значительно уступают им, отставая даже от конкурентных чипсетов NVidia GeForce 9300 и 9400. Единственно, в чем сходятся тестеры - так это в том, что у чипсетов AMD действительно низкое энергопотребление, на уровне 8-12W под нагрузкой и около 1W в простое. Чтобы узнать истину и установить причины заблуждений, я провел серию тестов в паре с процессором Phenom II X3 710.

1. Тестовая система

Ну вот, скажете Вы - где это видано - тестировать хилую интегрированную графику в паре с мощным 3-ядерным процессором? На нем ведь еще и 4-е ядро включат и разгонят до топовых частот? Определенно, да . А для полноты картины тесты при разгоне мы дополним тестами при торможении, так что по их результатам Вы сами подберете себе оптимальный процессор. Наша же тестовая система изначально создавалась для других - расчетных целей.

Вот тестовая система:
CASE Asus Ascot 6AR/2
PSU Ascot 360W ATX 2.0
MB ASUS M4A78-AM rev 2.01G, BIOS 1001
CPU Phenom II X3 710 AM2+ BOX (13x, 2600 MHz, L3 6M) HDX710WFK3DGI, 0909 - 9 неделя 2009 года
RAM 2*2G Kingston KVR800D2E5/2G CL5 с чипами Elpida 5.0-5-5-5-18-23 ECC
HDD Seagate 250G
OS Windows 7 32-bit с нативными драйверами 8.56.1.15

Подробно тестовая система описана в моей предыдущей статье Эксперименты с отказоустойчивостью и разгоном Phenom II на материнской плате ASUS M4A78-AM micro-ATX.

2. Обзор графической подсистемы

 Чипсет AMD 780G был представлен на CeBIT весной 2008 года. Это первый чипсет, изготовленный по по передовому 55-нм техпроцессу. Микросхема содержит более 205 миллионов транзисторов, большая часть которых приходится на интегрированное видеоядро Radeon HD 3200, поддерживающее DirectX 10.0, видео высокой четкости и все современные видеоинтерфейсы (D-sub, DVI, HDMI, Display Port). Графическое ядро RV610 содержит 40 универсальных шейдерных процессоров, 4 блока текстурирования и 4 ROPs, как в low-end видеокартах Radeon HD серий 2400 и 3400. Интересно, что именно c этими однотипными видеокартами 780G "дружит" в режиме Hybrid CrossFire, что позволяет немного поднять производительность (но конечно же, не до уровня Mainstream - см. /blog/KrAzY). При установке более мощной внешней видеокарты интегрированное графическое ядро отключается, либо с помощью опции BIOS переводится в режим Surround View для работы с дополнительным монитором.

   
 (кликните по картинке для увеличения)
AMD 780G Architecture

Аналогично устроены чипсеты 760G, 780V, 790GX, а также чипсеты 785G, 880G и 890GX на обновленном ядре RV620, которое поддерживает Direct X 10.1 и аппаратное транскодирование видео с применением ATI Stream. Чипсеты 890GX и 880G могут работать в режиме Hybrid Cross Fire с паре с более мощной видеокартой Radeon HD 5450, которая имеет вдвое большее число исполнительных блоков. Бюджетные чипсеты 760G и 780V не поддерживают декодирование HD video. Вот сводная таблица характеристик, составленная по весьма противоречивым материалам из сети:    

GPU   Core           Core  UMA SidePort  UVD DirectX PCI   Hybrid Surround Power  HDMI Display ATI
                     Clock max  memory             Express  Cross   View   XPress HDCP Port  Stream
                      MHz  MB                        2.0     Fire
----------------------------------------------------------------------------------------------------
760G  Radeon    3000  350  512? option    -?   10.0  x16       1     2-4+    -    MB design     -
780V  Radeon    3100  350  512?   -       -    10.0  x16       -      -      -    1.2a   -      -
780G  Radeon HD 3200  500 1024  option  UVD 1  10.0  x16       1     2-4+    -    1.2a   +      -
790GX Radeon HD 3300  700 1024  option  UVD 1  10.0  x16/2x8  1-2    2-6+    -    1.2a   +      -
785G  Radeon HD 4200  500 1024  option  UVD 2  10.1  x16       1     2-4+    +    1.3a   +      +
880G  Radeon HD 4250  560 1024  option  UVD 2  10.1  x16       1     2-4+    ?    1.3a   +      +
890GX Radeon HD 4290  700 1024  option  UVD 2  10.1  x16/2x8  1-2    2-6+    ?    1.3a   +      +

Штатная рабочая частота видеоядер составляет от 350 до 700 MHz. Надо сказать, что различия в частоте непринципиальны, т.к. чипсеты хорошо разгоняются. Поэтому в BIOS материнской платы можно выставить желаемую частоту вместо штатной. Наиболее близкими аналогами по частоте ядра и, как мы увидим дальше, пропускной способности (ПС) памяти, являются Radeon HD 2400 Pro (525 MHz) и Radeon HD 3450 (600 MHz). Т.е. можно ожидать, что производительность и параметры разгона интегрированного видеоядра 780G будут примерно такими же, как у этих видеокарт. Фактически, она может быть даже выше, т.к. low-end видеокарты часто комплектуются недостаточным для современных игр объемом памяти в 256 Мбайт. Отметим, что чипсеты 890GX и 790GX позволяют объединять в Hybrid CrossFire аж две low-end видеокарты.

Интегрированное видеоядро работает с оперативной памятью через интерфейс Hyper Transport, связывающий северный мост чипсета с процессором. Из оперативной памяти берется до 1024 Мбайт (в зависимости от настроек BIOS на плате). Вместо оперативной памяти или в дополнение к ней допускается использование буфера SidePort в виде 1-2 микросхем DDR2 или GDDR3 объемом от 32 до 256 Mбайт, распаиваемых на материнской плате и подключаемых к графическому ядру по шине шириной 32 или 64 бита (но на платах с 780G данная память встречается редко). Сложность состоит в том, что производители плат не указывают ширину шины. Штатно поддерживается память до GDDR3/1333, соответственно максимальная ПС памяти SidePort составляет до 64/8 * 1333 = 10667 MB/s. Как утверждается в статье "AMD 790GX и память Side-Port: тесты производительности", наиболее производительным решением является совместное использование памяти SidePort и максимального 512 Mбайт буфера в оперативной памяти. Впрочем, столь большой буфер дает эффект только в особо требовательных к памяти играх, а иначе вполне хватит 256 Mбайт. Память SidePort полезна и для уменьшения энергопотребления, т.к. позволяет переводить процессор вместо с контроллером памяти в режим простоя C1E.

Интерфейс HyperTransport состоит из двух однонаправленных каналов, по 16 бит каждый. Рабочая частота каналов HT зависит от применяемой модели процессора - 800-1000 MHz для процессоров поколения AM2 и 1600-2200 MHz для процессоров поколений AM2+ и AM3 (см. System Bus на amdcompare.com, где указана удвоенная эффективная частота в MT). Отметим, что спецификация HyperTransport 3.0, которой соответствует северный мост чипсета, предполагает работу на частоте до 2600 MHz, которая может быть достигнута при разгоне процессора AM2+/AM3 по шине. Некоторые процессоры поколения AM2 могут разгонять HT до 2000 MHz, т.е. до номинала AM2+/AM3 (/blog/KrAzY). Но это при условии, что материнская плата держит удвоенную частоту FSB, а иначе результаты будут скромнее. За каждый такт по интерфейсу передаются два 16-битных числа в прямом направлении и столько же - в обратном направлении. Т.е. пиковая пропускная способность (ПС) составляет 2 * 2 * 16/8 = 8 байт за такт, при максимальной частоте 2600 MHz это будет 8 * 2600 = 20800 MB/s, по 10400 MB/s в каждом направлении.

Процессор, в свою очередь, работает с двумя каналами памяти DDR2 или DDR3. Эти каналы шире - каждый по 64 бита - но медленнее каналов HT. Двухканальная память DDR2 обеспечивает передачу 2 * 2 * 64/8 = 32 байта за такт, в режиме DDR2/1200 c рабочей частотой 600 MHz это будет 32 * 1200/2 = 19200 MB/s.

На первый взгляд, каналы HT и памяти сбалансированы по пропускной способности - но надо учитывать, что оба канала памяти двунаправленные, т.е. могут распределить свою ПС для чтения или записи в любой пропорции. А каналы HT однонаправленные, один работает только при чтении, другой - только при записи. Поскольку чтение из памяти проводится чаще, чем запись в память, то канал процессор->чипсет оказывается теоретически узким местом. Кроме того, ПС каналов HT зависит от частоты, на которой с ними может работать процессор (см. выше). Штатная ПС в одну сторону составляет 3200 - 4000 MB/s для процессоров AM2 и 6400 - 8800 MB/s для процессоров AM2+ и AM3. Для сравнения, ПС памяти DDR2 в Radeon HD 2400 Pro составляет 6400 MB/s, в Radeon HD 3450 - 8000 MB/s (см. Сравнительная таблица графических карт серии Radeon). В следующем разделе мы увидим, как ПС каналов HT влияют на производительность встроенной графики.

3. Результаты тестирования

В моих тестах разгон графического ядра сопровождался разгоном процессора, памяти и каналов HT в различных соотношениях. Контроллер памяти работал в режиме Unganged, который в данном случае дает несколько лучшие результаты, впрочем, всего на доли процента. В этом режиме модули памяти работают независимо друг от друга, что (в теории) вдвое снижает скорость последовательного чтения/записи - но зато появляется возможность чтения/записи в два потока. Контроль ошибок в памяти (ECC) был отключен, т.к. он снижает производительность графической подсистемы на несколько процентов. Cool'n'Quiet также был отключен (его влияние на результат - порядка десятых долей процента). Размер видеобуфера в оперативной памяти - 256 Mбайт. Показания 3DMark 2001 SE, 2003 3.6, 2005 1.2 снимались с настройками по умолчанию при разрешении 1024x768. Тест 3DMark 2006 я проводить не стал, поскольку мне не были нужны результаты процессорных тестов (эти результаты включены в общую оценку 3DMark 2006, в отличие от предыдущих тестов). Не проводились и тесты для DirectX 10, которые в low-end классе не актуальны.

                                                      3DMark scores      Установки
GPU  Core  CPU              Core/NB     HT   DDR2     2001  2003  2005   FSB/HT/DDR2/CPU
---------------------------------------------------------------------------------------------
780G  500  Phenom II X3 710 2600/2000  1000  2x800   10323  3324  3056   200/ 5x/800/13x   (1
780G  500  Phenom II X3 710 2600/2000  2000  2x800   13146  4247  3743   200/10x/800/13x   (2
780G  670  Phenom II X3 710 2600/2000  2000  2x800   14542  4755  4205   200/10x/800/13x   (3
780G  670  Phenom II X3 710 2594/2470  1976  2x823   15062  4969  4342   247/ 8x/667/10.5x (4
780G  670  Phenom II X3 710 3211/2470  1976  2x823   15417  4989  4430   247/ 8x/667/13x   (5
780G  670  Phenom II X3 710 3211/2470  2470  2x823   16263  5214  4619   247/10x/667/13x   (6
780G  670  Phenom II X3 710 3211/2470  2470  2x988   16842  5459  4812   247/10x/800/13x   (7
---------------------------------------------------------------------------------------------
780G  790  Phenom II X3 710 3315/2550  2550  2x1020  18206  5994  5238   255/10x/800/13x   (8
780G  790  Phenom II X4 710 3315/2550  2550  2x1020  18176  5991  5234   255/10x/800/13x   (9
---------------------------------------------------------------------------------------------

1. Эмулируется процессор поколения AM2 в той части, которая касается работы HyperTransport. Для этого искусственно занижаем частоту HT в 2 раза до 1000 MHz. Пропускная способность каждого канала падает в 2 раза - с 8000 MB/s до 4000 MB/s и становится на 25% ниже пропускной способности одного модуля DDR2 (6400 MB/s). В результате оценка уменьшается на 27% в 3DMark 2001-2003 и на 22% в 3D Mark 2005.

2. Тест на номинале с штатной частотой HT.

3. Разгон графического ядра на 34% дает прирост 10-12%. Это предел, до которого мой чипсет разгоняется без повышения напряжения.

4. Разгон контроллера памяти и кэша L3 на 23.5% дает прирост 3-5%. В этом тесте снижены множители ядер процессора, HT и памяти, чтобы их скоростной режим оставался примерно прежним.

5. Разгон ядер процессора на 23.5% дает прирост 2% в тестах 3DMark 2001 и 2005.

6. Разгон HyperTransport на 23.5% дает прирост 4-5%.

7. Разгон памяти на 23.5% дает прирост 4-5%.

8. А это предельный разгон, при котором система проходит тесты 3DMark. Ради этого результата пришлось завысить все доступные на моей плате напряжения - так что имейте в виду возможные последствия, если сами захотите получить нечто подобное.

9. Такой же предельный разгон, но, как было обещано, с включенным 4-м ядром. Эффект отсутствует. Оно и понятно - однопоточным тестам на самом деле хватает двух ядер, одно из которых обслуживает операционную систему, а другое - сам тест. Здесь и третье ядро - лишнее, а четвертое - тем более.

Как мы видим, число и частота ядер процессора не являются определяющими факторами, а наилучшие результаты получаются при синхронном разгоне подсистемы памяти - контроллера, модулей DDR2 и каналов HT. Синхронный разгон памяти дает суммарный прирост 12-14% при повышении частоты на 23.5%. Аналогичный эффект наблюдается при разгоне графического ядра на треть. Ну а совместный разгон графического ядра и памяти дает почти пропорциональный рост производительности. Это говорит о хорошей сбалансированности нашей тестовой системы AM2+ в той части, которая касается взаимодействия графического ядра и памяти. Но если на плате будет стоять процессор поколения AM2, то появится "узкое место" в канале HT и графическая производительность упадет.

4. Другие тесты

Посмотрим теперь, как на самом деле обстоит дело с процессорами поколения AM2. Для этого приведем результаты тестов, доступный в сети Интернет. Разумеется, некорректно сравнивать результаты, полученные на разных материнских платах, с разными операционными системами и драйверами. Но мы не будем этим заниматься - просто посмотрим на разброс результатов.

                                                      3DMark scores      Установки
GPU  Core  CPU              Core/NB     HT   DDR2     2001  2003  2005   FSB/HT/DDR2/CPU
------------------------------------------------------------------------------------------
780G  500  Athlon X2 5000+  2600       1000  2x742    8197        2368   200/ 5x/800/13x
790GX 700  Athlon X2 5000+  2600       1000  2x742   10177        2739   200/ 5x/800/13x
------------------------------------------------------------------------------------------
780G  500  Athlon X2 4400+  2300       1000  2x657          2719  2292   200/ 5x/667/11.5x
790GX 700  Phenom X4 9600   2300/2000  1800  2x667          3820  3089   200/ 9x/667/11.5x
------------------------------------------------------------------------------------------
780G  500  Phenom X4 9500   2200/2000  1800  2x800                3255   200/ 9x/800/11x
------------------------------------------------------------------------------------------

Первые два теста с процессором поколения AM2 взяты из статьи "Графические возможности современных чипсетов".

Следующие два теста проведены в nix на одной материнской плате с процессорами поколений AM2 и AM2+ "Особенности работы чипсетов geForce 8200 и AMD 780G с процессорами Athlon и Phenom". Разница в результатах, при одинаковых частотах процессора, графического ядра и памяти составляет 35-40%, что выше нашего "теоретического" результата в 22-27%. Это не может объясняться эффектом 2-3-4-x ядер, т.к. все тесты - однопоточные. Скорее всего, дополнительные 15% следует отнести за счет наличия кэша L3 и архитектурных улучшений, которые сделаны в контроллере памяти Phenom - о них можно прочитать в статье "Детальное исследование платформ с помощью тестового пакета RightMark Memory Analyzer. Часть 15: процессоры AMD Phenom X4".

Затем идут данные из официальной презентации AMD.

     
(кликните по картинке для увеличения)
AMD 780G 3DMark

 5. Результаты в ORB и hwbot

Результаты из базы ORB получены для чипсета 780G и процессоров AM2+/AM3. Тест Sempron 140 позволяет судить о работе 780G с процессором AM2+, который имеет одно ядро c кэшем L2 объемом 1024M. Следующий тест - с процессором, который имеет два ядра с кэшем L2 512K и кэш L3 размером 2048M. Оба процессора слабее нашего, но на результатах это особо сильно не отражается. По тесту Phenom II X3 можно судить о разгонных способностях чипсета 780G. Еще лучше результаты у чипсетов 790GX и 785G с памятью SidePort.    

                                                      3DMark scores      Установки
GPU  Core  CPU              Core/NB     HT   DDR2     2001  2003  2005   FSB/HT/DDR2/CPU
------------------------------------------------------------------------------------------
780G  701  Sempron 140      2700/2000  2000  2*800   13636  4255  3469   200/10x/800/13.5x
780G  500  Athlon X2 7750   2700/2000  1800  2*800   13074  4102  3472   200/ 9x/800/13.5x
780G  959  Phenom II X3 720 3626/2340  2340  2x936          6064  5114   234/10x/800/15.5x
------------------------------------------------------------------------------------------

Статистику разгона удобно изучать по базам hwbot для 780G, 790GX и 785G.

6. О производительности в играх

Тесты 3DMark помогли нам отследить влияние различных характеристик процессора и подсистемы памяти на графическую производительность. Конечно, результаты этих тестов нельзя напрямую распространять на производительность в играх. Разные игры по-разному задействуют аппаратуру - одни нагружают в основном графическое ядро, другие "по полной" задействуют все имеющиеся ядра процессора вкупе с подсистемой памяти. Поэтому вопрос о производительности изучается индивидуально для каждой конкретной игры - на эту тему в сети есть много различных материалов, в том числе и по интересующему нас графическому ядру.

Понятно, что результаты упомянутых игровых тестов зависят не только от самого чипсета, но и от его окружения - процессора, памяти, операционной системы, драйверов и т.п. Как говорится, "короля играет свита". И проведенные нами тесты 3DMark показывают, что ее влияние на итоговый результат может быть значительным. Можно ожидать, хотя это не обязательно всегда так, что при использовании процессора "старого" поколения AM2 производительность в играх будет занижена - не более чем наполовину, скорее всего, на треть или четверть. А чтобы получить хорошие результаты, надо проводить тесты с процессорами поколения AM2+ или AM3.

Вот пример "правильного" теста из официальной презентации AMD:

(кликните по картинке для увеличения
AMD 780G Gaming    

Заключение

По основным техническим характеристикам встроенная графика AMD 780G аналогична low-end графике Radeon HD 2400/3400. Особенностью является более сложная, чем у дискретных чипов, подсистема памяти, в которую вовлечен центральный процессор. Производительность этой связки в графике зависит от пропускной способности шины HyperTransport, поэтому для полного раскрытия потенциала чипсета 780G необходим процессор поколения не ниже AM2+. Графическое ядро потребляет мало энергии и отлично разгоняется - отдельные экземпляры чипсета позволяют поднимать частоту ядра до 1000 MHz и выше. А разгон процессора следует проводить по шине без занижения частоты HT. Если процессор загружен в 1-2 потока, то для получения сбалансированной системы достаточна разогнанная оперативная память стандарта DDR2/800 в двух каналах или более производительная. Как показано в статье "Тестирование Radeon HD IGP и Intel HD Graphics", наибольший эффект в играх дает память SidePort, распаянная на материнской плате в сочетании с 256 Мбайт буфером в основной памяти.

А вот вывод для неспециалистов - 40 графических процессоров 780G + 2 ядра Athlon II или Phenom - этого может хватить для игры, по крайней мере до тех пор, пока число графических процессоров в High-End картах не перевалит за тысячу.                              

Сведения об изменениях
8 октября 2009 года - публикация
10 октября 2009 года - поправлена таблица для 785G и 790GX
17 октября 2009 года - небольшая правка выводов и ссылки на hwbot в разделе 5
28 октября 2009 года - ссылки на запись KrAzY про CrossFire и разгон HT на AM2
3 марта 2010 года - сведения про чипсет 890GX
29 августа 2010 года - сведения про чипсет 880G и ссылка на статью "Тестирование Radeon HD IGP..."

Благодарности
Спасибо IdeaFix, omnitrio и KrAzY за важные замечания.
Обсудить статью, оставить свои комментарии и высказать пожелания можно в этой ветке конференции.