Ближайшее будущее видеокарт

JohnHenry89 17 марта в 18:52 49k
Он вспомнил одного специалиста по народному хозяйству, который даже защитил докторскую диссертацию, причем использовал в качестве источников для нее телефонную книгу да несколько старинных народных песен.
— М. Ларни


В этой статье я, используя Википедию да несколько картинок из интернета, попытаюсь оценить ближайшее будущее графических ускорителей.

Давайте посмотрим на актуальную 20 лет назад видеокарту серии S3 Trio.

image

Серьезно, давайте оценим ее.
1. Минимальная электрическая мощность порядка ватт.

2. Из п.1. следует отсутствие системы питания ядра, плата очень компактна.

3. Из п.1 следует также и отсутствие необходимости мощной системы охлаждения. Не нужно громадного радиатора, как и вентиляторов. Полная тишина.

4. Модульная память. Каждый может купить видеопамяти сколько ему нужно, а потом установить на видеокарту. Можно докупить видеопамять, когда будут деньги или, когда потребуется расширить ее объем.

5. Вывод видеосигнала осуществляется через VGA, который тогда был стандартным. Один тип передачи сигнала, один вывод и т.д.

6. Подключение видеокарты осуществляется через распространенный даже сейчас разъем PCI. Эту видеокарту можно подключить к любому компьютеру с таким разъемом даже сейчас и работать она будет.

7. На плате почти отсутствуют радиодетали, подверженные порче или вызывающие проблемы. Нету мощных дросселей, которые могут начать свистеть, конденсаторов всего несколько — и те с минимальной емкостью.
Давайте теперь посмотрим на один из текущих топов, а именно на MSI GTX 1080 Ti Lightning Z.
Длина видеокарты составляет 32см

image

Она занимает 3 слота, что в целом стало уже явлением, не вызывающим удивления на данный момент

image

Видеокарта использует три стандартных разъема питания PCI-E

image

и по идее потребляет лишь 250Вт, что вызывает определенные сомнения, судя по системе питания и охлаждения. О системе охлаждения, конечно, нужно упомянуть в отдельности

image

Всего 5 тепловых трубок не кажутся чем-то исключительным. Ну, 3 вентилятора вы уже видели.

Если у кого-то завалялись S3 Trio и GTX1080ti, предлагаю провести простой эксперимент – сотрите с первой пыль, выровняйте смятые за время лежания видеокарты в мусоре конденсаторы. Ознакомьте с обеими видеокартами человека, абсолютно далекого от компьютеров, какого-нибудь пенсионера. А потом поинтересуйтесь, какая видеокарта, по его мнению, новее. Если ржавчина на планке S3 Trio вас не подведет, ответ будет в ее пользу.

Как же мы до такого докатились?

Очевидно, что к столь критическому росту размеров платы и тепловыделения привел процесс роста электрической мощности видеокарты. Ядро требует большей мощности, для ее обеспечения необходимо конструировать все более сложную подсистему питания, т.к. напряжение на ядре очень мало. Кроме того, выделяющееся тепло приходится еще и рассеивать, что в свою очередь требует повышения эффективности системы охлаждения. Т.к. рассеяние сотни-другой ватт (вспоминаем паяльник на 60Вт), да еще и в ограниченном пространстве гипотетического корпуса, уже непростая задача, приходится увеличивать воздушный поток (рост числа вентиляторов), площадь теплообмена и теплопроводность самого радиатора (рост числа и размеров тепловых трубок). Когда это началось? Первые поколения распространенных графических ускорителей обходились даже без радиаторов, как мы видим на примере S3 Trio. При дальнейшем развитии видеокарт понадобилась установка небольших радиаторов

image
ATI Rage 128 Pro 32Mб

Почему радиатор черный?
Безусловно, занятна тенденция тех времен окрашивать радиаторы черной или темной краской, вместо более привычного нам сейчас чистого алюминия. Казалось бы, зачем, ведь краска будет снижать теплопроводность? Упор тут делался на закон излучения Кирхгофа, по которому отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково. Т.о. предполагалось, что раз черный радиатор хорошо поглощает излучение, то и излучать его же он должен лучше блестящего.

К самому началу текущего столетия уже многие видеокарты в линейке оснащались не просто радиатором, а уже и радиатором с маленьким вентилятором

image
ATI Radeon 8500LE 64Мб

Если кто-то экспериментировал с установкой маленьких вентиляторов куда-либо, то он отлично знает об их крайне низкой эффективности. Воздушный поток из-за размера их лопастей ничтожен, а шума такой вентилятор создает очень много за счет порядочной скорости вращения. Т.к. при этом энергопотребление видеокарт продолжало расти, даже в референсных (образцовых) видеокартах пришлось перейти к турбинам. Примерно после 2010 охлаждение типа турбины стало стандартным для образцовых видеокарт, и хотя мы живьем видим его все реже и реже, сами разработчики видеочипов представляют свои видеокарты по умолчанию с ним. Небезынтересно отметить, что в начале текущего столетия турбина, как тип охлаждения, могла продаваться отдельно для желающих проапгрейдить свою видеокарту с обычным маленьким радиатором. Сейчас их, конечно, уже не продают. Собственно, почему турбина?

image
Типичная система охлаждения типа турбины со снятым кожухом на GTX670

Как видно, сама турбина захватывает воздух сверху, перенаправляет его в стороны, после чего воздух проходит через радиатор и охлаждает его. В идеале горячий воздух полностью выбрасывается за пределы корпуса. Нельзя не отметить, что со снятым кожухом турбина работать едва ли будет. Теоретический предел рассеиваемой мощности турбиной весьма велик – достаточно увеличить число ребер радиатора, приделать к нему пару тепловых трубок, и можно будет добиться рассеяния даже 450Вт тепла (HD6990). Однако, главным недостатком турбин является шум, т.к. сама турбина должна вращаться на больших скоростях. Поэтому примерно с 2008 года начался выпуск уже ставших привычными сейчас систем воздушного охлаждения, состоящих из тепловых трубок, относительно компактного радиатора и нескольких полноразмерных вентиляторов, дующих в направлении видеокарты через радиатор. Типичный пример, одна из первых ласточек

image
Thermalright HR-03 на 8800GT

На данный же момент этот тип охлаждения стал уже вполне стандартным – странно покупать видеокарту с турбиной, на самом деле. Так что ситуация повторяется. Первоначально турбины продавались в качестве кастомного варианта охлаждения, затем стали стандартом. Затем радиаторы на тепловых трубках с вентилятором повторили их судьбу и стали фактическим стандартом. Остается надеяться, что дело не дойдет до компактной СВО на каждой видеокарте по умолчанию.

Это лишь примерная оценка роста мощности видеокарт, что называется «на глаз». Теперь предлагаю сделать оценку по более строгим критериям, а именно по графикам. Для построения этого и следующих графиков я пользовался по больше части данными из Вики по видеокартам AMD и NVIDIA, однако, некоторые данные я заполнял сам на основе сохранявшихся в интернете данных. К большому сожалению, TDP старых видеокарт выпуска до 2007 года неизвестен. В графики включены почти все серии GeForce и Radeon примерно за 10 лет, кроме 100-й и 300-й серии GTX и 8000-й серии HD Radeon. Точки на графиках принадлежат видеокартам, по оси абсцисс отложена дата выхода видеокарты, по оси ординат – изменение тех или иных значений.
Итак, давайте внимательно изучим график изменения теплот, выделяемых видеокартами в работе примерно за последние 10 лет.

image

Напрашиваются следующие выводы:
1. Уменьшение техпроцесса не произвело ожидаемой революции в тепловыделении графических ускорителей.

2. Несмотря на крупный техпроцесс, самые холодные видеокарты выпускались до 2007 года. Первый крупный скачок тепловыделения произошел ок. середины 2006 – начала 2007. Это однозначно указывает, что тепловыделение в первую очередь задается требованием рынка. Когда видеокарты сами по себе уже плохо тянут игры, производителям приходится завышать частоты и напряжение, что приводит к очень сильному росту тепловыделения.

3. Выход максимального тепловыделения на плато произошел ок. 2009 года, плюс минус.

4. Плато максимального тепловыделения мощных моделей стойко держится с тех пор ок. 250Вт. Это, видимо, максимум, который позволяют объективные свойства видеокарты как устройства в современном его виде. Если бы можно было и дальше повышать тепловыделение, то, вне сомнений, производители видеочипов и дальше бы повышали частоту и напряжение. Однако, охлаждение видеокарты с тепловыделением выше 300Вт уже трудная задача, и в плохом корпусе она зажарится, да и шум вентиляторов либо турбины будет выше всяких норм.

5. Средние и слабые модели тоже медленно, но верно повышают свое тепловыделение. Если, правда, старшие модели уперлись в максимум (плато) около 2009 года, то средние уперлись в примерно 150-180Вт еще раньше. Слабые идут той же дорогой.

6. Наблюдается уменьшение числа представленных моделей с 2012 года. Особенно это заметно относительно моделей с низким тепловыделением. Их становится все меньше.

7. Списать последний довольно долгий застой на внимание к рынку мобильных решений, как это делали раньше, конечно же нельзя. Более того, как раз на момент максимальной популярности планшетов наблюдается достаточно высокая частота выпуска новых видеокарт.

8. Не менее парадоксальным и кажется то, что в годы мирового экономического кризиса выпуск новых моделей происходил значительно чаще, чем сейчас.

9. Последние два вывода снова нас приводят к главенствующей роли требований рынка перед объективными возможностями видеокарт.
Ну может, мы не зря терпим повышение тепловыделения, наверняка это оправдывается повышением вычислительной мощи? Попробуем это проверить. Конечно, нету способа однозначного найти точную производительность видеокарты, а потому я обратился к максимальной теоретической производительности для вычислений с одинарной точностью.

image

Тут довольно приятно видеть вполне экспоненциальный рост. Лично для меня оказалось неожиданностью заметно более высокая теоретическая производительность у видеокарт Radeon. Что ж, вероятно старая шутка про отсутствие драйвера

image

оказалась правдой. Не исключено, что дело и в оптимизации самих игр.

Теперь давайте сопоставим график изменения TDP и производительности. Тут несложно прийти к выводу, подтверждающему п.2:
10 Рынок требует экспоненциального роста производительности, при том, что производители видеочипов за этим требованием, очевидно, еле-еле поспевают. На это указывает рост TDP.
Теперь почему бы нам не соотнести производительность к мощности.

image

Сказать точно, какая тут функция задает кривую, трудновато. С одной стороны, у GeForce вроде видна степенная функция, а Radeon кривая имеет S-образную форму. Если мы отбросим оптимизацию драйвера и игр, то найдем, что AMD ок. 2009 достигла хорошей по эффективности архитектуры, которую использовала на протяжении многих лет и последние модели которой вышли еще в начале 2016. Это плато на S-образной кривой. Хорошо ориентируясь в выходивших видеокартах, несложно понять, примерно о каких моделях идет речь. У NVIDIA же скачок эффективности наблюдается с 2012 – скорее всего, принятие некой полностью новой архитектуры. За GeForce следует и экспоненциальный скачок у Radeon с 2015 года.

Предлагаю теперь обратиться к росту числа транзисторов. Попробуем проверить закон Мура.

image

Нелишним, кстати, будет упомянуть, что т.н. закон Мура — это лишь наблюдение, которое было сделано в 1965, т.е. на заре современной электронной промышленности. Причем наблюдение делалось на процессорах Intel. Сам закон гласит:
Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
Проблематика при длительном прогнозировании по закону Мура в точке отсчета, а именно, какое число транзисторов брать. Я взял 110 млн. для средней-слабой видеокарты. Как видно, закон Мура выполняется, число транзисторов растет, как и должно. Но тут уместно будет задать вопрос – а не за счет ли площади кристалла оно растет? Смотрим на размер кристалла (или их суммы, если речь идет о двухпроцессорных решениях)

image

В данном случае мы видим приятное глазу постоянство. Производителям банально невыгодно увеличивать площадь кристалла. Но хотелось бы напомнить, что при прогрессе желательно было бы видеть уменьшение площади кристалла. Попробуем сформулировать выводы:
11. Отношение производительности к TDP зависит почти полностью от текущей архитектуры (либо от каких-либо еще не очевидных факторов).

12. Архитектуры, вопреки маркетинговым сменам названий из поколение в поколение, на самом деле в реальности меняются принципиально редко. Не чаще чем раз в 6-7 лет.

13. Использование той или иной архитектуры очень хорошо видно по кривой, описывающей отношение производительности к TDP.

14. Большая часть изменений отношения производительности к TDP не могут быть описаны степенными функциями. Увы, эти изменения не имеют вида линейной функции и вообще годами могут стоять на месте почти без изменений.

15. Техпроцесс не влияет на отношение производительности к мощности, т.к. уменьшение размера транзистора сопровождается лишь занятием его места новыми транзисторами. Это связано с п.10, т.е. с завышенными требованиями рынка.

16. Площади кристаллов не меняются.

17. Увеличение числа транзисторов продолжает соответствовать закону Мура.
А теперь давайте посмотрим на самое интересное, а именно на цену. Т.к. в Википедии данных о релизной цене было в обрез, мне пришлось искать их в интернете, но это все равно не большой секрет. Т.к. цена — штука весьма размытая (релизная цена может отличаться от вскоре установившейся рыночной, сами релизные цены не всегда доступны и т.д.), ее неточность требует применения и более размытого маркера.

image

Подводим итоги и тут:
18 Цена медленно растет.

19. Общую тенденцию роста цен можно соотнести с инфляцией американского доллара (спасибо американским и британским экономистам). Для массы моделей это можно объяснить очень просто – компании-разработчики чипов родом из Силиконовой долины. Инфляция американской национальной валюты, естественно, будет отражаться на них.

20. Однако, отдельные плато образуют высшие модели видеокарт. В частности, для NVIDIA мы видим несколько S-образных подъемов цен — цены на топы поднимались в начале 2012 и к лету 2016. У AMD, перешедшей в пред-топовый модельный ряд с эпохи HD7970, таких скачков нет.

21. Стоящие особняком точки цен на двухчиповые решения отдельного рассмотрения не заслуживают сами по себе. Однако же, в конце к ним впервые присоединилось и одночиповое решение — NVIDIA TITAN V.
Подводя итог сказанному, попробуем создать прогноз на ближайшее будущее графических ускорителей. Да, только глупец может лезть в будущее, и любой мало-мальски уважающий себя человек никогда не опускается до прогнозов (ибо обязательно ошибется в них, так или иначе). Ну а если и делает их, то крайне размытыми, чтобы попасть, как говориться, пальцем в небо. Однако же, я готов рискнуть:

1. TDP видеокарт будет продолжать увеличиваться для слабых и средних моделей. Это будет очень медленный процесс, но, скорее всего, неизбежный.

2. Для старших и старше-средних моделей TDP останется ок. 250Вт – объективный предел для современных систем охлаждения. Дальнейшее повышение тепловыделения попросту потребует установки неоправданно дорогой системы охлаждения, да и снизит срок жизни устройств.


Влияние температуры на срок службы
Из химии мы знаем, что на каждые 10 градусов скорость химической реакции повышается в 2-3 раза. Предполагая, что процессы деградации техники, скорее всего, имеют химическую природу или хотя бы связаны с кинетическими свойствами молекул, то можно ожидать сокращения срока службы техники вдвое при повышении средней ее температуры на означенные 10 град. Это безусловно очень сложная и интересная тема, требующая отдельной статьи. Как бы то ни было, производителю крайне нежелательно повышение рабочей температуры видеокарты даже на 10 град. Быстрый выход из строя видеокарт при майнинге, происходящий задолго до истечения гарантийного срока, подтверждает эти выводы.

3 В производительности видеокарт первичным оказываются требования рынка. Так или иначе, а видеокарты им не удовлетворяют или удовлетворяют, но с трудом. Если мы предположим, что рынок не сократит свои требования, то и ожидать уменьшения TDP, сокращения размера чипа и т.п. нельзя.

Победили ли 1920х1080 видеокарты?
Многие утверждают, что для игр в разрешении 1920х1080 вполне достаточно видеокарт уровня GTX1050 – GTX1050ti, а если верить Ютуб-обзорщикам чуть ли не GT1030. В таком случае, критический момент был бы пройден, и раз следующие поколения видеокарт будут лучше, то можно было бы ожидать уменьшения их TDP.

Однако, заявления о достаточности ядра GP107-300/400 неверны, эти видеокарты лишь демонстрируют более-менее удовлетворительную производительность в ряде игр, да еще и при наличии мощного ЦП. И то не на текущий момент, а лишь на время выпуска. Ситуация, на самом деле, не новая, так бывало почти каждое поколение видеокарт, когда при поверхностном взгляде казалось, что средней-слабой видеокарты достаточно для всех игр. Но на практике они всегда очень быстро устаревали. Дело в том, что игры выходить не перестают, как и требования расти, а потому сказать, что для современных игр в 1920х1080 достаточно бюджетных видеокарт, нельзя никоим образом. Вот если бы видеокарты на чипе GP104-200/300/400 занимали низшую ценовую категорию, то только тогда можно было бы заявить о победе над разрешением 1920х1080.

4. Увеличение числа транзисторов и совершенствование архитектуры не даст улучшения эргономических свойств видеокарт, а полностью уйдет на то, чтобы догонять требования рынка по увеличению производительности.

5. Скорее всего, следует готовиться к сокращению модельного ряда видеокарт. Помимо коммерческих ходов, производители чипов будут разрабатывать всего несколько ядер, которые в зависимости от качеств уже будут подвергаться сортировке. Это будет делаться ради сокращения затрат на разработку.

6. Цена на видеокарты будет медленно расти, возможно, будет оставлена буквально одна низшая модель по минимальной цене (напр. младшая видеокарта предыдущего поколения), но рост цен в долларах будет продолжаться.

7. Особого беспокойства будут заслуживать цены на сильные и средне-сильные видеокарты. Т.к. NVIDIA уже давно вышла на плато, можно ожидать очередного скачка цен на вышеозначенные видеокарты в новом поколении, или в следующем. Как бы то ни было, скачок цен на топы не за горами.


Актуальны ли топы?
Нельзя тут не заметить, что именно с коммерческой точки зрения сильные или средне-сильные видеокарты представляют наибольший интерес, т.к. предоставляют отличную производительность, пусть и за большую цену. Главное их преимущество над низшими конкурентами в гораздо большем сроке актуальности – выгоднее отдать раз в 3-4 года крупную сумму, чем отдавать среднюю каждый год. В качестве поучительного примера, нельзя не вспомнить, что топы 2012 года, напр Radeon HD7970 до сих пор вполне актуальны для игр, несмотря на 6-и летнюю давность. Именно поэтому цены на мощные видеокарты имеют важное значение для рынка. Это не выбор энтузиаста (выбор энтузиаста – самая дорогая видеокарта), это оптимальный выбор.

Так что ничего обнадеживающего в ближайшее время ожидать, скорее всего, не стоит. Лишь наивный человек может думать, что получит за стоимость GT1030 быстродействие GTX1060 в следующем поколении. Одним словом, прогноз можно выразить просто «держимся за свои старинные топы и ожидаем лучшего».

Небольшое дополнение:

Спасибо пользователю Edil0 за идею. Отношение теоретической производительности для вычислений с одинарной точностью к цене.

image
Проголосовать:
+38
Сохранить: