NVIDIA Optimus - výkon i výdrž v jednom

10. 2. 2010 07:00    Rubrika: Technologie    Autor: Jiří Zima

Psal se rok 2006, když jsme mohli v redakci poprvé otestovat notebook vybavený integrovanou i diskrétní grafikou s možností mezi nimi přepínat. Šlo tehdy o Sony VAIO SZ. Později se výrobci vypořádali s nutností restartu a zdálo se, že by se technologie mohla masivně rozšířit, leč nestalo se tak z mnoha důvodů. Nyní přichází NVIDIA Optimus a situace by se konečně mohla změnit.

Dříve byly notebooky většinou jen doplněk ke stolním počítačům, jenže situace se mění a kde kdo dnes má notebook místo počítače. Prodeje notebooků stoupají na úkor stolních počítačů a je jasné, že hned tak stoupat nepřestanou, takže žádný rozumný výrobce tento segment trhu nemůže ignorovat.

Zatímco u stolních počítačů spotřeba jednotlivých komponent není tak důležitá, u notebooků je situace jiná. Čím vyšší je spotřeba, tím je logicky nižší výdrž na baterie, a zrovna u notebooků je ta výdrž docela podstatným parametrem (když pominu určitou část uživatelů, kteří svůj notebook nikdy nezvedli ze stolu).

Pokud vynechám displej a procesor, patří k „nejžravějším“ komponentám grafická karta, a tak si nakonec uživatelé často musí volit mezi integrovanou a diskrétní s tím, že integrovaná jim poskytne delší výdrž na baterie a diskrétní zas výrazně vyšší výkon. V internetových diskuzích někdy zaznívá názor, že nejde o takový rozdíl, ale notebooky, které jsme měli za ty roky možnost testovat v redakci, ukazují pravý opak. Podle typu grafické karty bývá rozdíl spotřeby většinou 20-30%, a to zde mluvím o situaci, kdy je grafika nevyužitá (a tedy zbytečná), například při psaní ve Wordu.

Přepínatelná grafika

Tento problém by měla řešit přepínatelná grafika. V systému jsou obě grafické karty zároveň a uživatel si mezi nimi může přepínat dle libosti. VAIO SZ stejně jako několik notebooků po něm potřebovalo s každým přepnutím restart operačního systému. Dnešní notebooky s přepínatelnou grafikou už se obejdou bez restartu, ale stejně má toto řešení několik nedostatků.

Jedním z problémů je bezpochyby vyšší cena řešení. Obě grafické karty musí mít vyvedeny své grafické výstupy. Protože notebook má displej (většinou) jenom jeden a konektory taky nemá odděleně pro každou kartu, musí se přidat speciální čip, který z několika přivedených vstupních signálů vybere vždy jen jeden, který pošle dál na výstup. Mimo ceny dalšího čipu to také znamená o něco složitější návrh plošného spoje desky.

V dnešní době, kdy se v rámci konkurenčního boje musí šetřit, jak jen to jde, jsou každý čip a každá komplikace problém. Většina notebooků proto přepínatelnou grafiku nemá. U notebooků, kde tato funkce je, však také není vyhráno – aby se ušetřilo, tak prakticky všechny notebooky s přepínatelnou grafikou nepodporují digitální výstup HDMI/DVI/DisplayPort, pokud je aktivní ta integrovaná. Digitální výstup prostě výrobci berou jako něco nadstandardního, takže ho připojili jen na jednu z karet.

Ten nejzásadnější problém ovšem není hardwarového charakteru. Ukazuje se, že drtivá většina uživatelů potřebuje systém, který bude grafické karty přepínat automaticky. Dle NVIDIA si údajně na svém notebooku přepnulo aspoň jednou grafickou kartu jen 1% všech uživatelů notebooků vybavených systémem přepínatelných grafik. Zdá se to neuvěřitelné, ale podobnou informaci už slýchám delší dobu z jiných zdrojů.

NVIDIA se tedy pokusila přijít s takovým řešením, které uživatelům nabídne dlouhou výdrž na baterie při nenáročné činnosti a výkon, pokud je zrovna potřeba. To vše navrhovala tak, aby se uživatel o nic nemusel starat a přepínání bylo plně automatizované.

NVIDIA Optimus

Optimus už v podstatě nejde nazvat systémem přepínatelných grafických karet. Funguje totiž úplně jinak. Systém vždy pracuje s integrovanou grafickou kartu - s ní provede start počítače a s ní pracuje i ve Windows. K této grafice je připojen displej notebooku a z ní také vedou potřebné vývody až ke konektorům pro připojení externích monitorů.

Diskrétní grafika je zde tak trochu „navíc“ a žádný obrazový výstup z ní přímo nevede (to znamená úsporu při návrhu a výrobě). Vlastně je po startu dokonce odpojená od napájení. Smysl řešení tkví v její výpomoci v případech, kdy výkon integrovaného řešení nestačí. NVIDIA Optimus tedy na základě spuštěných aplikací a jejich požadavků vyhodnocuje, kdy je diskrétní grafika potřeba.

Pokud systém vyhodnotí, že bude diskrétní grafika vhodnější, dojde k připojení jejího napájení. Obraz náročné aplikace zpracovává diskrétní grafika, ale nepřenáší jej přímo do monitoru. Místo toho jej po PCIe sběrnici přesouvá do hlavní paměti, ze které jej integrovaná grafika přebírá a vykresluje. Pokud náročnou aplikaci ukončíte, diskrétní čip je opět vypnut.

Aby bylo možné obraz po sběrnici rychle přenášet, vyvinula NVIDIA do svých nových čipů takzvaný Copy Engine. Ten zajišťuje kopírování dat po sběrnici odděleně od ostatních dat, které grafická karta potřebuje. Tím by se mělo minimalizovat snížení výkonu. Zároveň se počítá s tím, že většina dat putuje směrem do grafické karty a rychlost těchto přenosů Copy Engine nebrzdí. Technické detaily kolem této jednotky zatím bohužel nejsou známy, takže se musíme spolehnout na to, co říká prezentace (zatím dopad výkonu není dost dobře možné změřit, přestože máme jeden testovací kus v redakci).

Softwarová stránka řešení a ovladače

Z hlediska ovladačů znamená Optimus v některých směrech výrazné zlepšení. U přepínatelných grafik bylo nutné, aby spolu uměly spolupracovat dva ovladače od dvou různých společností. Při přepnutí se jeden ovladač „uvolnil“ a předal práci i data na druhý. V kombinaci s hardwarovým přepnutím výstupů to znamenalo několik sekund čekání a několik bliknutí obrazovky. Kromě toho přepnutí bylo možné pouze v případě, kdy zrovna neběžela nějaká náročnější aplikace (například cokoli ve 3D) - ta totiž přehození ovladačů zabránila.

V praxi se ukázal ještě jeden problém, o kterém se zas tolik nemluví. Speciálně upravené ovladače od různých výrobců notebooků totiž nebyly vždy tak bezchybné a několik přepnutí grafiky na některých noteboocích znamenalo pád systému do BSOD.

Optimus tyto problémy řeší. Používají se nyní na obě grafiky standardní ovladače, systém mezi nimi nemusí přepínat a řešení je univerzální.

Důležitou části softwarové podpory jsou aplikační profily. Kromě některých specifických volání totiž slouží k vyhodnocení, zda je diskrétní grafika potřeba. NVIDIA definovala profily pro všechny běžně užívané aplikace už v současné verzi ovladačů. Šla však ještě dál a notebook si bude umět automaticky profily aktualizovat o nové aplikace.

Pokud profil k některé aplikaci chybí, lze ho v ovladačích rychle vytvořit ručně. Stejně tak je možné přes kontextovou nabídku u zástupce aplikace zvolit, s kterou grafikou se má spustit (platí pro jedno spuštění).

V současné době je Optimus podporován pouze pod operačním systémem Windows 7 a nefunguje automatické přepínání na základě volání OpenGL aplikací. Zkusil jsem však několik aplikací využívajících rozhraní OpenGL a u všech k přepnutí na diskrétní grafiku došlo a stejně tak šlo ručně vybrat interní, takže zas takový problém to asi nebude.

Kde všude bude Optimus podporován?

Půjde vesměs pouze o nové notebooky využívající kombinaci procesoru Intel Core i3/i5/i7 (Arrandale), Core 2 Duo (Penryn) nebo Atomu N4xx (Pine Trail) s grafickou kartou ze série GeForce 200M, 300M a novějšími, nebo příští generací NVIDIA ION.

Zároveň musím dodat, že jde o podmínku nutnou, nikoli postačující. Ačkoli to v oficiálních prezentacích není uvedeno, údajně musí výrobce notebooku s Optimem při návrhu počítat a upravit podle toho plošný spoj desky, takže ne každý nový notebook tuto technologii nutně musí podporovat.

Praktické zkušenosti

Před vydáním článku jsme měli asi půl dne na otestování technologie v praxi s 15,4“ notebookem ASUS UL50Vf, který NVIDIA používala také při oficiální prezentaci novinářům. Zkusím zde popsat několik letmých postřehů, které jsem během krátkého používání získal.

Přepínání je opravdu bez jakéhokoli zaškubnutí či probliknutí obrazovky a je z pohledu uživatele neviditelné. Kdyby NVIDIA nedodala aplikaci, která stav grafiky vypisuje, ani bych si nebyl jistý, která grafika je zrovna aktivní. Zdá se, že náročné aplikace jsou bezpečně rozpoznávány a pokud žádná neběží, grafika je vždy odpojena od napájení.

Našel jsem i pár nedostatků týkajících se automatického přepínání. Standardně se vám diskrétní grafika aktivuje i při přehrávání filmů v rozlišení 720p, které by integrovaná grafika s přehledem utáhla při stejném zatížení procesoru. Schválně jsem zkusil vynutit u přehrávače integrovanou grafiku a při stejné činnosti jsem snížil spotřebu (celého notebooku) z 19,4 W na 14,8 W (o čtvrtinu nižší spotřeba). Nové grafické karty Intelu už na tom s podporou HD videa nejsou tak špatně, takže by se hodilo, kdyby ovladač uměl rozpoznat, která videa jsou tak náročná, že vyžadují diskrétní grafiku, a u ostatních ji nezapínal.

Zároveň počítejte s tím, že aplikace, která si vyžádala diskrétní grafiku, ji bude držet i v případě, kdy je minimalizovaná. Týká se to i přehrávače videa (případně okna webového prohlížeče s videem pomocí Flashe), a to dokonce v případě, kdy je přehrávání úplně zastaveno. Je možné, že na tomto NVIDIA ještě zapracuje a zároveň dojde k nějaké úpravě ze strany vývojářů aplikací. Běžící grafická karta při „nicnedělání“ stále znamenala na testovacím notebooků rozdíl spotřeby 10,8 W (diskrétní) proti 8,6 W (integrovaná).

Závěr

Toto řešení je přímo ideální pro běžné uživatele. Chcete si spustit hru nebo konvertovat video pomocí grafické karty? Není problém – stačí jen spustit program a o víc se starat nemusíte. Zároveň vám zůstává dlouhá výdrž při nenáročné práci. Řekl bych, že Optimus se NVIDII opravdu povedl, a pevně doufám, že se do notebooků rozšíří víc než předchozí řešení (už na jaře by prý mělo být na světovém trhu přes 50 notebooků s touto technologií). Jsem přesvědčen, že toto je jedna z cest, kterou by se vývoj v noteboocích mohl ubírat. Největší přínos vidím v kategorii notebooků s úhlopříčkou 13,3 až 15,6“ - tedy takové ty nejběžnější notebooky, u kterých člověk požaduje rozumnou mobilitu, ale nechce dělat moc kompromisů ve výkonu.