NVIDIA Quadro M6000: новый уровень поддержки для профессионалов САПР и компьютерного моделирования

Автор — эксперт в области аппаратного обеспечения, ведущий направления «комплектующие ПК» сайта 3DNews.ru. Штатный и внештатный сотрудник нескольких IT-изданий, автор более шести сотен статей об аппаратном обеспечении. С 2005 года занимается регулярным тестированием оборудования для высокопроизводительных рабочих станций.

Публикуемая сегодня статья И.Гавриченкова, по согласованию со всеми заинтересованными сторонами, перепечатана с сайта fcenter.ru.

Следует особо отметить, что официальным производителем и поставщиком решений NVIDIA Quadro и Tesla на российском рынке является компания PNY Technologies.

Введение
Подробнее о NVIDIA Quadro M6000
Как мы тестировали
Производительность
Энергопотребление и температура
Выводы

Введение

Именно поэтому разработчики графических процессоров обычно не частят с анонсами профессиональных ускорителей, представляя новые решения лишь при появлении очередных поколений графических архитектур, приносящих явные преимущества.

Например, если проследить за датами выхода флагманских профессиональных видеокарт семейства Quadro, то окажется, что NVIDIA обновляет их не чаще, чем раз в два года. И в этом году мы как раз ожидали выхода новой версии высокопроизводительной графической карты для систем автоматизированного моделирования и проектирования. Тем более, в распоряжении NVIDIA появилась прогрессивная архитектура Maxwell.

Откровенно говоря, GPU поколения Maxwell в производительные игровые карты пришли уже достаточно давно – более полугода назад. Но внедрять подобные процессоры в свои профессиональные видеоускорители NVIDIA не спешила. Не испытывая в этой сфере серьёзного давления со стороны основного конкурента, компании AMD, разработчики NVIDIA решили сначала дождаться появления в их руках максимальной версии графического процессора, обладающей наибольшей вычислительной мощностью, и лишь потом представить действительно высокопроизводительную профессиональную видеокарту.

Как бы то ни было, но этот момент настал. Практически одновременно с появлением игрового ускорителя GeForce GTX Titan X, компания NVIDIA представила и «Титан для профессионалов» – видеокарту Quadro M6000, которая пришла на смену Quadro K6000 поколения Kepler. Как и GeForce GTX Titan X, профессиональная новинка базируется на «большом Maxwell» – графическом процессоре GM200, который состоит из 8 млрд. транзисторов и обладает 3072 ядрами CUDA. Однако есть один нюанс: архитектура Maxwell по сравнению с Kepler характеризуется упрощенным и оптимизированным строением потоковых мультипроцессоров. С одной стороны, это позволило увеличить графическую мощность, но с другой стороны – не лучшим образом сказалось на вычислительной производительности при работе с числами двойной точности.

В итоге, сегодня мы получили не совсем обычную флагманскую видеокарту класса Quadro. Если её предшественники, Quadro 6000 и Quadro K6000, могли одновременно выполнять роль как средства визуализации, так и высокопроизводительного вычислительного комплекса, то новая Quadro M6000 вторую роль утратила. Это теперь – карта преимущественно для работы в графических и мультимедийных приложениях, подобная по своей функциональности младшим представителям в линейке, просто более быстродействующая. Для расчётов же у NVIDIA остаются исключительно специальные карты Tesla, которые, кстати сказать, на архитектуру Maxwell не переводились и переводиться не будут. Впрочем, всё это вряд ли сильно сузит аудиторию потенциальных покупателей Quadro M6000. Для своего традиционного и основного предназначения – работе в пакетах автоматизированного проектирования и моделирования эта видеокарта подходит как нельзя лучше. И в этом мы убедимся ниже на примере тестов. Однако перед этим давайте подробнее познакомимся с характеристиками и особенностями новинки.

Подробнее о NVIDIA Quadro M6000

В то же время, конфигурация GPU у Quadro M6000 почти такая же, как и у игровой карты. Количество CUDA-процессоров достигло 3072, что на 6 процентов больше, чем у прошлой Quadro K6000. При этом NVIDIA указывает, что сами эти процессоры стали примерно в 1,4 раза быстрее в абсолютном выражении и в два раза эффективнее в пересчёте на каждый ватт затрачиваемой энергии. Это наделяет новую Quadro M6000, графическое ядро которой работает на базовой частоте 988 МГц (с автоматическим разгоном до 1114 МГц) высочайшей производительностью в 7 Тфлопс (на операциях с одинарной точностью), которая на треть превышает аналогичную характеристику предыдущей флагманской видеокарты серии Quadro.

Кстати сказать, технология динамической подстройки частоты ядра GPU Boost в M6000 впервые пришла в профессиональные видеоускорители. Графический процессор этой видеокарты получил 10 различных режимов частоты в пределах от 988 до 1114 МГц, которые подбираются исходя из текущих условий работы видеокарты. Как и в игровых ускорителях, технология GPU Boost призвана увеличивать производительность при сохранении потребления и тепловыделения в рамках теплового пакета.

Однако кое-какие возможности графического чипа GM200 у Quadro M6000 всё-таки оказались урезаны. В то время как число блоков растеризации составляет 96 штук, число блоков текстурирования сокращено до 192, в то время как графический процессор потенциально имеет 256 таких блоков. С чем было связано такое решение, сказать тяжело, тем более, что получилось так, что здесь Quadro M6000 уступает своей предшественнице. К счастью, положение спасает частота. Учитывая, что чип GM200 способен работать на более высоких частотах, чем GK110 поколения Kepler, новая профессиональная видеокарта всё-таки не проигрывает K6000 в скорости текстурирования.

Объём GDDR5-видеопамяти у Quadro M6000 составляет 12 Гбайт. Сегодня этим удивить уже никого нельзя: прошлый флагман в линейке Quadro имел такой же объём памяти, да и новый GeForce GTX Titan X тоже получил 12 Гбайт. Частота же работы памяти составляет 1653 МГц, то есть, учитывая 384-битную шину, её пропускная способность доходит до 317 Гбайт/с. Это примерно на 10 процентов лучше, чем у прошлой Quadro K6000. Также, как и в других старших профессиональных видеокартах NVIDIA, в Quadro M6000 для памяти поддерживается ECC. Причём, эту функцию можно по желанию включать или отключать через драйвер.

Необходимо подробнее коснуться и «больного места» – вычислительной производительности Quadro M6000 на операциях двойной точности. При графической работе такие вычисления не используются, однако они возникают при научных расчётах, которые теоретически могут выполняться на профессиональных картах одновременно с визуализаций получаемых данных. Именно поэтому скорости FP64-операций мы уделяем такое внимание. Но в процессоре GM200 в процессе оптимизации его дизайна и ради снижения тепловыделения каждый потоковый мультипроцессор получил только четыре ядра CUDA, совместимых с FP64, поэтому совокупная производительность при такой нагрузке составляет всего 1/32 от пиковой FP32-производительности. И это – очень мало, особенно на фоне того, что в профессиональной карте прошлого поколения Quadro K6000, использовавшей GPU GK110 поколения Kepler, соотношение в производительности операций одинарной и двойной точности было 3 к 1. Иными словами, по скорости работы с числами двойной точности видеокарта Quadro M6000 стала медленнее предшественницы примерно на порядок.

И здесь, к слову сказать, усматривается возможность для компании AMD, современная GCN-архитектура которой позволяет создавать карты с FP64-производительностью всего вдвое ниже скорости их работы с FP32-инструкциями. Впрочем, нужно понимать, что низкая производительность вычислений с двойной точностью на самом деле не полностью закрывает путь Quadro M6000 в мир научных вычислений. Существуют многочисленные применения, которые вполне способны обходиться и одинарной точностью. Например, карты Quadro M6000 с успехом могут внедряться в системах искусственного интеллекта, которые в последнее время приобретают всё более массовое распространение.

Помимо этого NVIDIA делает акцент и на огромных возможностях Quadro M6000 по рендерингу изображений методом трассировки лучей. Более того, одновременно с этой видеокартой компания формально представила программное обеспечение Iray 2015 для правильного с точки зрения законов физики рендеринга сцен, прекрасно оптимизированное для работы с новинкой и выдающее на ней высочайший уровень производительности.

Профессиональная графическая карта NVIDIA Quadro M6000 похожа на игровое решение GeForce GTX Titan X не только по архитектуре. Схожи эти карты и по внешнему виду. Они используют почти одинаковые печатные платы, а отличия в системе охлаждения можно найти лишь в отдельных декоративных элементах. В частности, чёрный кожух системы охлаждения M6000 имеет зелёные накладки, но лишён подсветки логотипа, а оборотная сторона печатной платы полностью закрыта защитной пластиной. В целом же Quadro M6000, как и её игровая сестрица, имеет длину 267 мм и занимает в корпусе два слота. Аналогичные размеры имел и предыдущий профессиональный флагман, K6000.

Любопытно, что TDP для Quadro M6000 установлен на уровне 250 Вт, то есть на 25 Вт выше, чем у Quadro K6000. Формально это соответствует расчётному тепловыделению GeForce GTX Titan X, но профессиональная карта на практике должна потреблять меньше, так у неё отключены блоки текстурирования и ниже тактовая частота. Это находит отражение и в конструкции платы: как это ни странно, но M6000 обходится всего одним восьмиконтактным разъёмом для дополнительного питания, то есть, реальное потребление M6000, похоже, на самом деле не превосходит 225 Вт. При этом разъём для подключения питания расположен не сверху карты, а на задней кромке печатной платы, как это принято в профессиональных видеокартах.

Анонсируя Quadro M6000 с возросшей в очередной раз графической производительностью, NVIDIA теперь открыто заявляет, что эта карта идеально подходит не только для работы с единичными профессиональными мониторами с 4K-разрешениями, но и хорошо приспособлена к мультимониторным конфигурациям, на которые выводится единый рабочий стол с ультра-высоким разрешением. В этом направлении M6000 сделала большой шаг вперёд ещё и благодаря тому, что она стала первым профессиональным решением, способным одновременно работать с четырьмя 4K-мониторами с частотой обновления экрана 60 Гц. Более того, обладатели Quadro M6000 смогут без проблем подключить к ней пару 60-герцовых мониторов с 5K-разрешением или даже один 8K-проектор. Если же в рабочей станции будет установлено две видеокарты Quadro M6000, то благодаря фирменной технологии Mosaic, такая система сможет «потянуть» до восьми 4K-мониторов с частотой обновления экрана 60 Гц, причём на эти мониторы можно растянуть единый рабочий стол. Для подключения мониторов каждая видеокарта M6000 предлагает четыре порта DisplayPort 1.2 и один порт Dual-Link DVI-I. Одновременно могут работать любые четыре порта из этого набора.

К сказанному остаётся добавить, что состоявшийся анонс Quadro M6000 носит лишь предварительный характер – эта флагманская профессиональная видеокарта в продаже пока не появится, а сроки реальной доступности обрисованы лишь расплывчатой фразой «в течение этого года». Соответственно, нет информации и о стоимости. Однако исходя из той ценовой политики, которой придерживается NVIDIA в отношении своих видеокарт для рабочих станций, Quadro M6000 в момент начала продаж может стоить в районе $5000.

В заключение знакомства со свежеанонсированной NVIDIA Quadro M6000 давайте обобщим её характеристики и сопоставим их со спецификациями доступных на данный момент флагманских видеокарт NVIDIA для профессиональных пользователей.

Как мы тестировали

Таким образом, для тестов было задействовано следующее оборудование.

• Процессор: Intel Core i7-5960X Extreme Edition (Haswell-E, 8 ядер + HT, 3,0-3,5 ГГц, 20 Мбайт L3).
• Процессорный кулер: Noctua NH-D15.
• Материнская плата: ASUS X99-Deluxe (LGA 2011-v3, Intel X99).
• Память: 4x4 Гбайт DDR4-2666 SDRAM, 15-17-17-35 (Corsair Vengeance LPX CMK16GX4M4A2666C16).
• Видеокарты:
  • PNY Nvidia Quadro K6000 (GK110-2880SP, 12 Гбайт/384-бит GDDR5, 900/6000 МГц);
  • PNY Nvidia Quadro M6000 (GM200-3072SP, 12 Гбайт/384-бит GDDR5, 988-1114/6600 МГц).
• Дисковая подсистема: Intel SSD 520 240 GB (SSDSC2CW240A3K5).
• Блок питания: Seasonic Platinum SS-760XP2 (80 Plus Platinum, 760 Вт).

Использовавшиеся версии драйверов:

• Intel Chipset Driver 10.0.17;
• Intel Management Engine Driver 10.0.0.1204;
• Intel Rapid Storage Technology 13.2.4.1000;
• NVIDIA Quadro Driver Release 347.52.

Производительность

SPECviewperf 12.0

Встроенные в SPECviewperf используемой нами двенадцатой версии скрипты воссоздают деятельность пользователя в окнах проекции в следующих профессиональных приложениях (в скобках приводятся названия соответствующих тестов): CATIA V6 R2012 (catia-04), Creo 2 (creo-01), Energy – абстрактный программный пакет для геологоразведки месторождений нефти и газа (energy-01), Maya 2013 (maya-04), Medical – проприетарное программное обеспечение для объёмного рендеринга изображений, формируемыми KT и МРТ сканерами (medical-01), Showcase 2013 (showcase-01), Siemens NX 8.0 (snx-02), Solidworks 2013 SP1 (sw-03).

Как видно по результатам, Quadro M6000 представляет собой значительный шаг вперёд в плане графической производительности в профессиональных задачах. Тест SPECviewperf концентрируется на типовой графической нагрузке и минимизирует вклад, вносимый в скорость работы центральным процессором. Благодаря этому мы видим значительное преимущество новой видеокарты, использующей архитектуру Maxwell. Уровень её превосходства в различных задачах составляет в среднем 40 процентов – это примерно тот масштаб прироста, который и обещала NVIDIA. Однако в некоторых случаях, как, например, в тестах energy-01 или Siemens NX новинка демонстрирует по-настоящему подавляющее преимущество.

Autodesk 3ds Max 2015

Преимущество Quadro M6000 над K6000 кажется не слишком большим – всего лишь в районе 3 процентов. Однако не следует забывать о том, что скорость работы в окнах проекции ограничивается в том числе и производительностью центрального процессора.

Не слишком впечатляюще результаты профессиональной новинки выглядят и при работе с моделями высокой сложности.

Результаты почти одинаковы. Но не стоит думать, что при использовании пакета 3ds max 2015 переход на новую видеокарту с архитектурой Maxwell не даст почти никакого эффекта. На самом деле в более требовательных к графической производительности режимах Quadro M6000 может раскрыть себя значительно лучше. Для того чтобы увидеть это, достаточно посмотреть на следующие две диаграммы, где приводится производительность с включённым 8x AA.

Здесь картина совершенно иная. Общий уровень производительности при переходе от K6000 к M6000 возрастает на вполне заметные 16 процентов. А если говорить о работе со сверхсложными моделями, то тут преимущество новой архитектуры носит просто подавляющий характер.

Для получения исчерпывающего представления о различных аспектах производительности в 3ds Max 2015, приведём также отдельные индексы производительности для разных типов операций. Данные, приведённые на графике, сняты при включённом сглаживании 8x AA.

Преимущество на уровне 15-20 процентов – этот тот прирост скорости, которого вполне можно ожидать от новой профессиональной видеокарты компании NVIDIA. Как видите, даже в самых сложных профессиональных пакетах Quadro M6000 работает заметно лучше, чем её предшественница. И присущая ей невысокая FP64-производительность совершенно не мешает ей стать отличным инструментом в руках специалистов, работающих с пакетами трёхмерного моделирования.

MAXON Cinema 4D (CINEBENCH R15)

К сожалению, сцена, используемая в CINEBENCH, нагружает флагманские профессиональные ускорители не слишком сильно. Поэтому здесь Quadro M6000 может похвастать лишь преимуществом на уровне 3,5 процентов.

Autodesk Maya 2015

Выдаваемый Quadro M6000 результат оказался лучше показателя производительности K6000 примерно на 5 процентов. Причём, примерно такое же превосходство новинки прослеживается при работе с трёхмерными моделями любого типа.

Лишь когда дело касается сложных моделей, превосходство более производительной архитектуры проявляется сильнее. В таком случае можно говорить уже о том, что M6000 быстрее своей предшественницы на 6-8 процентов.

Вычисления на GPU

Всё это можно хорошо проиллюстрировать бенчмарком GPGPU из пакета SiSoftware Sandra 2014, который с использованием фреймворков OpenCL и CUDA выполняет построение множества Мандельброта с различной точностью, выполняя расчёты на графических процессорах.

Диаграммы прекрасно показывают и тот факт, что FP32-производительность у Quadro M6000 заметно выше, чем у K6000, и то, что при работе с более высокой точностью новая карта с архитектурой Maxwell не может предложить достаточного быстродействия. Причём, разница в скорости работы с вещественными данными двойной и четверной точности достигает 5-8 раз, что, откровенно говоря, заставляет не рассматривать M6000 как сколь-нибудь подходящего кандидата для серьёзных вычислений с высокой точностью. Впрочем, справедливости ради стоит отметить, что расчёты с высокой точностью силами графических адаптеров на сегодня используются редко, и подавляющее большинство GPGPU-программного обеспечения оперирует с числами одинарной точности.

Например, профессиональные графические карты стали нередко использоваться при финальном рендеринге. Многие алгоритмы рендеринга свободно переносятся на параллельные процессоры GPU, и за счёт этого получают возможность более эффективного исполнения. Одним из примеров движков рендеринга, способных использовать мощности графических карт через универсальный программный интерфейс OpenCL, выступает LuxRender, строящий изображения методом трассировки лучей. LuxRender имитирует распространение света в реальности при помощи специальных алгоритмов и существует в версиях для следующего специализированного ПО: Blender, 3dsmax, SketchUp, C4D, XSI, Poser и др.

Для тестирования скорости работы LuxRender мы воспользовались специализированным тестовым приложением LuxMark 3.0 и двумя сценами: Newmann TLM-102 SE средней сложности и Hotel Lobby с высокой сложностью.

Здесь применяются исключительно FP32-операции, поэтому Quadro M6000 показывает существенно более высокую скорость, нежели Quadro K6000. Это значит, что для рендеринга методом трассировки лучей новая профессиональная карта подходит очень удачно. Очевидно, что примерно такое же соотношение результатов будет наблюдаться и в фирменном средстве рендеринга NVIDIA Iray 2015.

Другим тестом, на базе которого мы делали выводы о вычислительной производительности, стал кроссплатформенный CompuBench CL. Он способен оценить вычислительную скорость графических процессоров при разной нагрузке, например, при физической симуляции частиц или поверхности жидкости или при распознавании лиц.

Здесь вычисления с двойной точностью также не используются. Поэтому мы вновь видим, что новая старшая Quadro работает заметно быстрее старой. Однако следует иметь в виду, что в бенчмарке CompuBench CL более высокие результаты из профессиональных карт выдают предложения AMD, вычислительная производительность которых выше, чем у продуктов NVIDIA.

С ростом типичных разрешений видео и увеличением сложности различных эффектов, профессионалы, занимающиеся созданием и обработкой контента, стали остро нуждаться в собственных ускорителях вычислений. Профессиональные графические карты неплохо подходят на эту роль: их потоковые процессоры прекрасно справляются как с кодированием, так и с наложением видеоэффектов.

Для оценки потенциала профессиональных акселераторов при обработке видео мы воспользовались популярным пакетом нелинейного видеомонтажа Adobe Premiere Pro СС 2014, в котором проводили рендеринг ролика с наложением различных эффектов. На следующей далее диаграмме приводится время рендеринга тестовой задачи с использованием Mercury Playback Engine с GPU-ускорением, работающим через CUDA.

Увеличение скорости рендеринга видео в Premiere Pro СС 2014 на Quadro M6000 заметно, однако не особенно существенно. К сожалению, попутно мы не смогли протестировать как работает эта видеокарта в популярном пакете для композитинга, анимации и пост-продакшна Adobe After Effects CC 2014, поскольку пока он не обладает совместимостью с новинкой.

Futuremark 3DMark

Новая Quadro M6000 похожа по своим характеристикам на GeForce GTX Titan X. Предшествующая же ей Quadro K6000 является аналогом (с определёнными допущениями) GeForce GTX Titan с несколько заниженными частотами. Поэтому более чем полуторакратный разрыв между картами в игровом бенчмарке удивлять не должен. Похожее соотношение в результатах вы могли увидеть и в тестах нового игрового акселератора на базе «большого Maxwell», но в данном случае оно усиливается разрывом в частотах, который с появлением нового поколения профессиональных видеоускорителей был дополнительно подкреплён внедрением технологии авторазгона GPU Boost.

Энергопотребление и температура

Измерения выполнялись как в состоянии покоя, так и под нагрузкой — во время прохождения теста FurMark 1.15.1, запущенного в режиме «Burn» в окне с разрешением 1280х720. Этот тест хорош тем, что, как и большинство профессиональных приложений, использует OpenGL, а кроме того, он создаёт существенную нагрузку на видеоподсистему.

Как видно из полученных результатов, Quadro M6000 – заметно более прожорливая карта, чем её предшественница. Несмотря на то, что тепловой пакет более нового профессионального ускорителя выше всего лишь на 25 Вт, реальное потребление системы с M6000 оказалось почти на 70 Вт больше, чем у аналогичной платформы с K6000. Отчасти связано это с тем, что M6000 может распоряжаться своим тепловым пакетом более рационально. Благодаря технологии GPU Boost карта динамически отслеживает актуальные параметры и имеет возможность подстраивать свою тактовую частоту под конкретные условия эксплуатации.

Получить более подробное представление о температурном режиме у Quadro M6000 можно из следующего графика, на котором динамически отображается частота и температура GPU при выполнении теста FurMark 1.15.1. Также рядом мы поместили и график скорости вентилятора, что даёт понимание о том, насколько большой уровень шума производит рассматриваемая видеокарта.

Система охлаждения Quadro M6000 удерживает температуру GPU в пределах 85 градусов. Вентилятор при этом разгоняется до 2500 оборотов в минуту, но главным средством удержания тепловыделения видеокарты в установленных рамках выступает не это, а снижение частоты. Как видно по графику, на номинальных 987 МГц GPU работает не долго, а затем частота падает сначала до 860 МГц, а потом и до 784 МГц. Вот такой вот GPU Boost наоборот. Так что удивляться тому, что TDP у M6000 ограничен величиной в 225 Вт, не приходится – карта распоряжается частотой GPU по очень консервативному алгоритму.

Однако пусть у вас не складывается мнение о том, что заявления о возможности автоматического разгона GPU на Quadro M6000 – пустые слова. Всё зависит от того, насколько серьёзную нагрузку на графический процессор создаёт каждое конкретное приложение. Вот, например, как ведёт себя частота при работе теста Cinebench.

Здесь графический процессор действительно разгоняется до 1151 МГц, причём его температура при этом остаётся очень небольшой, а вентилятор вообще не видит необходимости увеличивать свою скорость вращения выше минимальных 1100 оборотов в минуту.

Выводы

Потенциал, который предлагает профессиональным пользователям Quadro M6000, может быть востребован в широком диапазоне различных задач, начиная от САПР и инженерных пакетов, и заканчивая созданием мультимедийного и развлекательного контента. Графические возможности GM200 делают новинку первоклассным решением для аппаратного ускорения визуализации в профессиональных пакетах, а поддержка CUDA позволяют использовать Quadro M6000 в задачах физически точного рендеринга и при некоторых видах расчётов.

Конечно, нельзя упускать из вида тот факт, что все процессоры поколения Maxwell имеют серьёзно ограниченную FP64-производительность. Поэтому Quadro M6000 в отличие, например, от своей предшественницы плохо приспособлена для решения научных задач, где необходимы расчёты с двойной точностью. Но на самом деле это не сильно ограничивает область применения новинки. Подобная точность нужна лишь в отдельных узкоспециализированных приложениях, а большинство профессиональных пакетов прекрасно обходится одними только вычислениями одинарной точности. Иными словами, с появлением на рынке Quadro M6000 в ряду ускорителей NVIDIA просто произойдёт более чёткая и явная сегментация. Серия Quadro будет предназначаться преимущественно для дизайна, моделирования и проектирования, а для научных или прикладных расчётов у этого производителя есть совсем иное предложение – серия Tesla.

И если подходить к Quadro M6000 именно как к профессиональному графическому ускорителю (с акцентом на слове «графическому»), то он действительно представляет собой очередной шаг вперёд по сравнению с флагманской видеокартой прошлого поколения. Нельзя сказать, что шаг этот носит революционный характер, однако инженеры, которые используют карты серии Quadro в своей профессиональной деятельности, наверняка останутся довольны теми эволюционными изменениями, которые может преподнести M6000.