Развёрнутый обзор архитектуры NVIDIA Blackwell и тестирование GeForce RTX 5080 в профессиональных приложениях

Обзор изменений в новых GPU NVIDIA и сравнение их технических характеристик с моделями предыдущих поколений. Протестировали NVIDIA GeForce RTX 5080 в связке с процессором AMD Ryzen 7 9800X3D. Особое внимание уделили синтетическим тестам с акцентом на профессиональные приложения и рабочие нагрузки в области вычислений.

Рис. 1. NVIDIA GeForce RTX 5080 в конфигураторе DigitalRazor

Новые ускорители 5000-й серии основаны на втором поколении архитектуры NVIDIA Blackwell. Обновление направлено на использование чипов в графических ускорителях для ПК и рабочих станций. Оно включает изменения в архитектуре GPU. К примеру, увеличено число тензорных ядер и добавлены ядра трассировки лучей. В отличие от архитектуры Ada Lovelace, в потребительских ускорителях на базе Blackwell отсутствует блок, который отвечает за шину NVLink (SLI). Благодаря освободившемуся пространству и увеличенной площади кристалла стало возможным увеличить количество стриминговых мультипроцессоров, которые содержат CUDA Cores, Tensor Cores и RT Cores.

В таблице представлены характеристики GPU GeForce RTX 5090, GeForce RTX 4090, GeForce RTX 3090 Ti, GeForce RTX 5080, GeForce RTX 4080 SUPER и GeForce RTX 3080 Ti.

Рис. 2. Характеристики ускорителей линейки NVIDIA GeForce 30, 40 и 50 серии. Ускоритель NVIDIA GeForce RTX 5080 выделен красным

В архитектуре Blackwell инженеры NVIDIA реализовали поддержку графической памяти GDDR7. Это новый стандарт ультранизковольтной GDDR-памяти, в котором использована технология сигнальной передачи PAM3 (трёхуровневая амплитудно-импульсная модуляция), позволившая значительно продвинуться в разработке высокоскоростной памяти.

Совместные усилия NVIDIA с ассоциацией JEDEC помогли сделать PAM3 основополагающей высокочастотной технологией передачи сигналов для GDDR7.
Использование памяти GDDR7 обеспечило пропускную способность в 960 ГБ/с. При скорости шины в 256 бит в NVIDIA GeForce RTX 5080 (чип GB203),аналогично предыдущему поколению GPU, пропускная способность памяти повысилась. Это стало возможным благодаря повышению частоты памяти на 400 МГц и пропускной способности чипов до 30 Гб/с (60 ГБ/с в двух каналах для RTX 5080). Шина PCI Express 5.0 увеличила пропускную способность и производительность в скорости передачи данных между CPU и GPU. Этот подход раскрывает потенциал современных CPU, например, AMD Ryzen 7 9800X3D.

Для сравнения, в GPU NVIDIA GeForce RTX 5090 (GB202) 512-битная шина, что обеспечивает пропускную способность в 1,79 ТБ/с. Но пропускная способность чипов составляет 28 ГБ/с (56 ГБ/с в двух каналах).

Ускоритель NVIDIA GeForce RTX 5080 в базовой версии работает на частоте 2295 МГц, а при бусте частота повышается до 2617 МГц. В тестировании мы использовали ускоритель от PALIT, который при бусте увеличивал частоту до 2917 МГц, что положительно сказалось на результатах тестирования.
Для тестов использовали сборку системы на базе ПК линейки DigitalRazor PROGAMING.

Характеристики тестовой системы:

• CPU: AMD Ryzen 7 9800X3D
• Motherboard: MSI MAG X870 TOMAHAWK WIFI
• RAM: 32 ГБ (2x16ГБ DDR5-6000 (3000 МГц))
• GPU: PALIT GeForce RTX 5080 GameRock OC
• SSD: 1 ТБ M.2 SSD
• ОС: Microsoft Windows 11 Pro
• GPU Driver: 572.02 (beta release)

Информация о CPU, материнской плате и RAM в утилите CPU-Z

Рис. 3. Информация о GPU в утилите GPU-Z

На первый взгляд, представленные ускорители 5000-й серии незначительно отличаются от 4000-й серии по характеристикам, за исключением флагманов. Но новая архитектура Blackwell заслуживает особого внимания всех, кто хочет обновить системы с ускорителями 2000-й или 3000-й серий. И если нужен стек технологий, которые реализованы исключительно в ускорителях 5000-й серии. В частности, поддержка работы с массивной геометрией, создание изображений с высоким разрешением в реальном времени, генерация кадров и поддержка технологии DLSS 4, а также реконструкция лучей.

DLSS 4 — крупнейшее обновление с момента выпуска DLSS 2.0 в 2020 году. По заявлениям NVIDIA, DLSS Ray Reconstruction, DLSS Super Resolution и DLAA теперь работают на основе архитектуры глубоких нейронных сетей «трансформер» в режиме реального времени. Такая архитектура используется в передовых моделях ИИ. Например, в ChatGPT, Flux и Gemini. Модели трансформеры в DLSS улучшают качество изображения: повышают его стабильность и детализацию в движении, а также уменьшают количество так называемых «призраков».

Функция Frame Generation получила обновление для графических процессоров GeForce RTX 5000-й и 4000-й серий, повысив производительность и снизив нагрузку на VRAM.

На всех графических процессорах GeForce RTX игры с DLSS, реконструкцией лучей, сверхвысоким разрешением и DLAA можно обновить до новой модели DLSS.

DLSS 3 Frame Generation AI model использует игровые данные, включая векторы движения и глубину, а также доступный начиная с GeForce RTX 4000-й серии Optical Flow Accelerator для создания одного дополнительного кадра.

Рис. 5. Пример компонентов изображения используемых для генерации кадров в Unreal Engine 5.3

В DLSS 3 создание нескольких кадров было слишком затратным. Поскольку для каждого нового сгенерированного кадра требовались ускоритель оптического потока и модель искусственного интеллекта, а затраты на производительность ограничивали работу графического процессора. Это в итоге приводило к снижению частоты кадров.

Рис. 6. Создание дополнительного кадра в DLSS 3

DLSS 4 Multi Frame Generation объединяет несколько аппаратных средств архитектуры Blackwell и программных решений в DLSS, чтобы сделать генерацию нескольких кадров.

По заявлениям NVIDIA, новая модель ИИ для создания кадров работает на 40% быстрее, использует на 30% меньше видеопамяти и запускается только один раз на кадр для создания нескольких дополнительных кадров.

Рис. 7. Создание дополнительных кадров в DLSS 4

Разработчики ускорили создание Optical Flow Field, заменив аппаратный оптический поток очень эффективной моделью ИИ. В совокупности, ИИ-модель сильно сокращает вычислительные затраты на создание дополнительных кадров.

Даже при такой эффективности, для каждого визуализируемого кадра GPU всё равно необходимо выполнять 5 моделей ИИ для Superresolution, Ray Reconstruction и Multi Frame Generation. И всё это за несколько миллисекунд. Иначе DLSS Multi Frame Generation стала бы замедлителем. Для этого графические процессоры GeForce RTX 5000-й серии оснащены тензорными ядрами 5-го поколения, производительность которых в 2,5 раза выше.
После создания новых кадров они равномерно распределяются по времени для обеспечения плавности. При генерации кадров DLSS 3 использует неравномерное распределение по времени с использованием CPU. Это негативно сказывается на плавности.

GPU на основе архитектуры Blackwell использует аппаратную функцию Flip Metering, которая переносит логику чередования кадров на механизм отображения. Графический процессор более точно управляет временем отображения серии кадров. Механизм отображения в Blackwell также был усовершенствован за счёт удвоенной производительности обработки пикселей для поддержки более высоких разрешений и частот обновления при использовании аппаратной функции Flip Metering совместно с DLSS 4.

Благодаря совместному использованию новых аппаратных и программных инноваций DLSS 4 может генерировать 15 из каждых 16 пикселей с отличным качеством изображения, плавностью и минимальной задержкой.

В играх и приложениях DLSS 4 с генерацией нескольких кадров, реконструкцией лучей и сверхвысоким разрешением увеличивает частоту кадров до 8 раз по сравнению с рендерингом методом перебора. И повышает частоту кадров до 1,7 раза при переходе с генерации одного кадра на генерацию нескольких.
Благодаря чему достигается такая производительность в ИИ решениях используемых в DLSS 4? Стоит взглянуть на изменения в потоковых мультипроцессорах GPU NVIDIA Blackwell.

Рис. 8. Изменения в Blackwell SM в сравнении с Ada SM. Стриминговые мультипроцессоры в Ada были разработаны и оптимизированы для стандартных шейдеров. Стриминговые мультипроцессоры Blackwell были разработаны и оптимизированы для новых нейронных шейдеров (Neural Shaders)

Потоковый мультипроцессор NVIDIA Streaming Multiprocessor (SM) — это основной компонент архитектуры, который играет ключевую роль в возможностях параллельной обработки GPU. Он обеспечивает массовый параллелизм с помощью различных ядер (CUDA, Tensor, RT), эффективное планирование потоков, управление памятью и поддержку современных рабочих нагрузок, в том числе работу нейросетей. Каждый чип GB202 (RTX 5090) содержит 192 вычислительных модуля. А каждый вычислительный модуль включает 128 ядер CUDA, одно ядро RT четвёртого поколения Blackwell, четыре тензорных ядра пятого поколения Blackwell, 4 текстурных блока, 256 КБ регистровой памяти и 128 КБ памяти L1/Shared Memory, которые можно настроить на разные объёмы памяти в зависимости от потребностей графических и вычислительных задач.

Из рисунка выше понятно, что количество возможных целочисленных операций INT32 в Blackwell удвоено по сравнению с Ada за счёт их полного объединения с ядрами FP32. Однако объединённые ядра могут работать только как ядра FP32 или INT32 в течение одного тактового цикла.

Количество текстурных блоков увеличилось с 512 в GeForce 4090 до 680 в GeForce 5090. Текстурные блоки отвечают за обработку операций наложения текстур: получение текселей из текстур, применение фильтрации текстур и обработку координат текстур. Тексели представляют собой информацию о текстурах, включая цвета и паттерны, которые применяют к 3D-поверхностям.

С увеличением количества текстурных блоков также растёт и скорость обработки текстур с билинейной фильтрацией RTX Blackwell. Скорость заполнения текстур RTX 5090 составляет 1636,76 Gigatexels/sec в сравнении с 1290,2 Gigatexels/sec у RTX 4090. RTX Blackwell SM также удваивает производительность с точечной выборкой текстур за цикл по сравнению с Ada. Это может ускорить некоторые алгоритмы доступа к текстурам. Например, стохастическую фильтрацию текстур (Stochastic Texture Filtering, STF), которую используют совместно с новыми методами сжатия текстур Blackwell Neural, о которых поговорим ниже.
Архитектура NVIDIA Blackwell использует тензорные ядра пятого поколения, которые поддерживают операции с 4-битными числами с плавающей точкой (FP4). Это значительно уменьшает объем используемой памяти. Можно загружать больше данных в память GPU и быстрее выполнять операции с ними. Это самые компактные значения с плавающей точкой, представленные стандартом IEEE: 1 бит на знак, 2 бита на порядок и 1 бит на мантиссу. Поддержка формата FP4 — закономерное развитие реализации вычислений с числами с плавающей точкой на аппаратном уровне.

Рис. 9. Сравнение форматов чисел FP8 и FP4

Отличительной особенностью формата числа FP4 может быть снижение точности в вычислениях. Но для обработки массивов пикселей этого вполне достаточно. Применение формата числа FP4 благоприятно сказывается на качестве реконструкции лучей, повышении разрешения и частоты кадров в DLSS 4.
Ранее DLSS использовала свёрточные нейронные сети (Convolutional Neural Network (CNN)) для создания новых пикселей путём анализа локального контекста и отслеживания изменений в этих областях на последовательных кадрах. После нескольких лет непрерывных улучшений, разработчики NVIDIA достигли предела возможностей архитектуры DLSS CNN.

Новая модель-трансформер в DLSS использует Vision Transformer. Нейронная сеть оценивает относительную важность каждого пикселя во всём кадре и в нескольких кадрах секвенции одновременно. Новая модель использует вдвое больше параметров, чем CNN. Это нужно для более глубокого понимания сцен и генерации пикселей, которые обеспечивают большую стабильность, меньшее появление «призраков», повышенную детализацию в движении и более плавные края объектов в сцене.

В контенте с интенсивной трассировкой лучей новая модель-трансформер для Ray Reconstruction значительно повышает качество изображения. Особенно в сценах со сложными условиями освещения. Например, в Alan Wake 2 повышается стабильность изображения на детально проработанном сетчатом заборе, уменьшается эффект ореола на лопастях вентилятора и исчезает мерцание на линиях электропередач.

Рис. 10. Блок-диаграмма графического чипа GB202, который используется в NVIDIA GeForce RTX 5090

Перед тем как перейдём к результатам тестирования в различных алгоритмах рендеринга и под разными рабочими нагрузками, познакомимся с изменениями в новом драйвере 570-й версии.

Изменения в релизе 570 драйвера GPU NVIDIA GeForce RTX

В первую очередь, новая версия драйвера поддерживает новейшие ускорители NVIDIA GeForce RTX 5080, NVIDIA GeForce RTX 5090 и NVIDIA GeForce RTX 5090D. Разработчики включили поддержку следующих графических и вычислительных API:

OpenGL 4.6, Vulkan 1.4, DirectX 11, DirectX 12.
OpenCL 3.0, NVIDIA CUDA 12.8.

Компоненты драйвера обновлены до следующих версий:

HD Audio Driver 1.4.3.2
NVIDIA PhysX System Software 9.23.1019
DCH NVIDIA Control Panel 8.1.967.0

Выпуск обеспечивает оптимальную поддержку новых творческих приложений и обновлений: NVIDIA Broadcast, Blackmagic Design DaVinci Resolve, CapCut, Wondershare Filmora и обновление до DLSS 4 в D5 Render.

Начиная с релиза 570 и драйвера версии 511.65, NVIDIA OpenCL поддерживает новые предварительные спецификации расширений, предложенных консорциумом Khronos. Эти спецификации относятся к внешним семафорам OpenCL и внешней памяти.

Набор новых расширений External Memory и Semaphore Sharing предоставляет универсальную платформу. Она позволяет OpenCL импортировать из внешней памяти дескрипторы семафоров, экспортируемые внешними API, с помощью методологии, знакомой разработчикам на Vulkan. А затем использовать эти семафоры для синхронизации с внешней средой выполнения, координируя использование общей памяти.

• В рамках расширений поддерживаются следующие ключевые функции:
• Импорт