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Les moyens matériels pour accélérer le calcul des graphiques 3D dans l'exécution des travaux du projet
La création du graphique en trois dimensions – le procès rien moins que trivial demandant l'approche complexe, comme vers de programme, et le matériel. Les cartes modernes professionnelles graphiques est un alliage des technologies avancées unissant dans l'unité un puissant processeur polycyclique graphique (GPU) avec l'architecture parallèle et le logiciel, permettant dans une grande mesure faire participer toutes les ressources GPU.

Nous examinerons la différence entre CPU et GPU dans les comptes parallèles.

La croissance des fréquences des processeurs universels s'est appuyée sur les bornages physiques une haute consommation énérgetique, et l'augmentation de leur productivité se passe de plus en plus souvent pour le compte du placement de quelques noyaux dans un puce. Les processeurs vendus maintenant contiennent seulement jusqu'à quatre noyaux (la croissance ultérieure ne sera pas rapide) et ils sont destinés aux applications ordinaires, utilisent MIMD – le trafic multiple des commandes et les données. Chaque noyau travaille séparément d'autre, en exécutant de différentes ordonnances pour de différents procès.

Les possibilités spécialisées vectorielles (SSE2 et SSE3) pour à quatre composants (l'exactitude simple des calculs avec le point nageant) et à deux composants (l'exactitude double) les vecteurs sont apparues dans les processeurs universels à cause des exigences augmentant des applications graphiques, en premier lieu. C'est pourquoi pour les tâches définies l'application GPU est plus avantageuse, en effet, ils sont initialement faits pour eux.

Par exemple, à GPU NVIDIA le bloc principal est un multiprocesseur avec vosem'ju-dix noyaux et centaines ALU en tout, quelques mille registres et une petite quantité de mémoire divisée totale. En outre le carte vidéo contient la mémoire rapide globale avec l'accès à elle de tous les multiprocesseurs, la mémoire locale dans chaque multiprocesseur, ainsi que la mémoire spéciale pour les constantes.

Le principal – ceux-ci quelques noyaux du multiprocesseur à GPU sont SIMD (les trafics séparés des commandes, la multitude de trafics des données) les noyaux. Et ces noyaux exécutent les mêmes ordonnances simultanément, un tel style de la programmation est ordinaire pour les algorithmes graphiques et plusieurs tâches scientifiques, mais demande la programmation spécifique. Par contre une telle approche permet d'augmenter la quantité de blocs exécutifs pour le compte de leur simplification.

Donc, nous énumérerons les différences principales entre les architectures CPU et GPU. Les noyaux CPU sont créés pour l'exécution d'un trafic des ordonnances successives avec la productivité maxima, mais GPU sont projetés pour l'exécution rapide du grand nombre des trafics parallèlement accomplis des ordonnances. Les processeurs universels sont optimisés pour l'acquisition de la haute productivité du seul trafic des commandes travaillant les nombres entières et les nombres avec le point nageant. De plus l'accès à la mémoire l'accidentel.

Les architectes CPU tâchent d'obtenir l'exécution comme on peut du plus grand nombre des ordonnances parallèlement, pour l'augmentation de la productivité. Pour cela, à partir des processeurs Intel Pentium, est apparu superscalaire l'exécution assurant l'exécution de deux ordonnances pour le tact, mais Pentium Pro s'est distingué par l'exécution extraordinaire des ordonnances. Mais l'exécution parallèle du trafic successif des ordonnances a des bornages définis de base et par l'augmentation de la quantité de blocs exécutifs du surcroît de vitesse multiple ne pas obtenir.

Chez GPU le travail simple et parallélisé est initial. GPU accepte sur l'entrée le groupe des polygones, mène toutes les opérations nécessaires, et sur la sortie donne le pixel. Le traitement des polygones et les pixels est indépendant, on peut les travailler parallèlement, séparément l'un de l'autre. C'est pourquoi, à cause de l'organisation initialement parallèle du travail à GPU on utilise une grande quantité de blocs exécutifs, qui il est facile de récupérer, à la différence du trafic successif des ordonnances pour CPU. En outre moderne GPU peuvent exécuter aussi plus d'une ordonnance pour le tact (dual issue). Ainsi, l'architecture Tesla dans certaines conditions lance sur l'exécution de l'opération MAD+MUL ou MAD+SFU simultanément.

On peut dire en bref qu'à la différence de moderne universel CPU, GPU sont destinés aux calculs parallèles avec une grande quantité d'opérations arithmétiques. Et est considérable le plus grand nombre des transistors GPU travaille selon la destination directe – le traitement des tableaux, et non dirige l'exécution (flow control) les trafics peu nombreux successifs calculatoires. C'est le schéma de celui-là, il est combien d'à l'espace à CPU et GPU une diverse logique occupe:

CPU et GPU
CPU et GPU


On sait que l'architecture parallèle est capable d'assurer la croissance multiple de la productivité en comparaison de l'architecture classique CPU rien moins que dans tous les cas. Avant tout, c'est les équations différentielles, le compte des graphique, l'hydrodynamique etc. par un Important élément est la présence du code juste de programme, qui permettra au maximum “paralléliser” les tâches accomplies. Et si toutes ces conditions sont respectées, l'efficacité du système augmente plusieurs fois.

Le graphique professionnel en trois dimensions est en plusieurs cas non seulement la création du prototype digital en trois dimensions. Cela encore et une série de tâches spécifiques par intérêt le dynamisme des procès physiques, la visualisation photoréaliste et les autres, pour la décision de qui il y a des accélérateurs spéciaux professionnels graphiques.

Le carte vidéo moderne professionnel – la décision comprenant le matériel – la plaque graphique – et l'assortiment des drivers uniques optimisés pour l'exécution des travaux d'étude avec les applications professionnelles. Dans la production des cartes vidéos professionnels et les drivers pour eux l'accent se fait sur la sécurité et le travail de longue durée ininterrompu. C'est pourquoi ils à des fois de façon plus certaine les cartes vidéos à jouer, mais les drivers pour eux sont certifiés par les producteurs des applications professionnelles.

Les software-ateliers d'appareil les plus intéressants de la décision sont accordés dans ce domaine aujourd'hui par la compagnie NVIDIA avec la gamme des cartes professionnelles graphiques NVIDIA Quadro FX.

Voici la liste des tâches principales, qui sont capables de décider telles cartes à l'exécution des travaux d'étude:
- le support CUDA (eng. Compute Unified Device Architecture) – environnements de l'élaboration, permettant d'écrire software pour les tâches complexes calculatoires non liées au graphique;
- rapide et qualitatif graphique rendu dans les systèmes de CAD-applications;
- l'accélération de matériel des physique par les forces NVIDIA PhysX;
- le support de la représentation stéréoscopique;
- le système du compte trace des rayons OptiX.

Comme nous voyons, le spectre des tâches décidées est extrêmement large et ne se limite pas seulement au compte des graphique. Nous essaierons s'arrêter sur chacun des points énumérés plus en détail.

NVIDIA Quadro FX est une série des cartes professionnelles graphiques initialement créées notamment pour le compte les graphiques dans les 3D-applications, tels qu'Autodesk 3ds Max, AutoCAD, Autodesk Inventor, Autodesk Revit etc. Pratiquement tous les modèles des cartes vidéos professionnels NVIDIA assurent beaucoup plus grande vitesse graphique rendu, que les cartes vidéos ordinaires d'utilisateur. Ne se trouve pas de plus oublier la qualité de la représentation et la durée de service. Ces paramètres près des cartes professionnelles est aussi considérablement plus hauts.

De matériel physique PhysX a gagné depuis longtemps à lui-même l'espace dans les vidéojeux, où dans le temps réel il est nécessaire de compter les explosions, le feu, l'eau, la destruction des objets etc. Mais cette technologie s'est trouvée extrêmement utile et pour les professionnels. En particulier, PhysX à titre du plug-in est utilisé activement à Autodesk 3ds Max et Autodesk Maya et permet de créer la simulation des tissus, les fluides, les corps fermes et mous.

On peut gratuitement transférer le plug-in lui-même sur le site NVIDIA.

La fonction stéréoscopie – la technologie, qui a reçu ces dernières années la deuxième respiration. Plusieurs studios créant l'animation en trois dimensions, en dehors de la version ordinaire en ordre obligatoire produisent la stéréoversion pour les cinémas spécialement adaptés pour cela. La compagnie NVIDIA élaborait les points, qui permettent de travailler avec les modèles en trois dimensions en stéréomode. Le principe du travail est fondé sur les porte mécanismes insérés dans les points que donne la possibilité de transmettre la représentation dans la gamme de couleurs à valeur requise à la différence des points simples bicolores.

Absolument, les 3D-modèles volumineux dans les fenêtres d'espèce permettent mieux de s'orienter dans l'espace de la scène créée. La création du cinéma en relief sans technologie semblable semble du tout inconcevable.

Le système du compte trace des rayons OptiX – la technologie, qui assure la possibilité de faire final photoréaliste rendu de votre projet à des fois plus vite! Il suffit de dire que la subdivision célèbre Lucas Films pour la création des effets spéciaux, la compagnie Industrial Light et Magic, sur le compte de qui les effets visuels pour les films “les Pirates de la mer des Caraïbes” “la personne De fer” “Transformers” “l'Indiana de Dzhons” etc., à présent construit une nouvelle render-ferme notamment sur la base de GPU NVIDIA.

Ça vaut la peine de noter que les technologies de la visualisation réaliste ne se limitent pas seulement à la technologie OptiX. Relativement récemment la compagnie NVIDIA a acquis l'architecte rendu mental ray – la compagnie mental images. Après la collaboration sur le joint du logiciel mental images et les matériels NVIDIA on annonçait l'émission du nouveau produit unique sous le nom iray. Les architectes affirment qu'elle est unie avec rendu mental ray, qui est utilisé dans les produits de programme des compagnies Autodesk (y compris à AutoCAD), Dassault et PTC. Déjà tout à fait bientôt nous pourrons compter nos projets par les moyens mental ray, ayant fait participer de plus GPU NVIDIA, et non le PG, qui, au fond, n'est pas destiné aux comptes de telle sorte. Dans le communiqué de presse nVidia communique: “La technologie rendu iray sera coupée au paquet mental ray 3.8 et apparaîtra sur le marché à la fin de novembre 2009 sans addiciel pour les clients d'aujourd'hui et les producteurs de la programmerie”. Iray il est beaucoup plus rapide à rendu (“les minutes” au lieu de “des heures” au dire de John Peddi (Jon Peddie), le président Jon Peddie Research). Mais pour elle on demande une nouvelle plaque graphique nVidia, puisqu'elle travaille seulement avec GPU et dans l'architecture des calculs parallèles CUDA.

Quelques mots se trouvent dire sur la technologie CUDA, que supportent toutes les dernières générations des cartes graphiques NVIDIA. CUDA est une architecture, qui permet d'utiliser la puissance du processeur graphique pour les calculs de la destination totale. Au fond, c'est environnement de l'élaboration, permettant d'accomplir n'importe quels calculs, auxquels l'architecture parallèle du processeur est préférable notamment. Au moment donné l'architecture CUDA supporte les langages de programmation C, Avec ++, Fortran, et cela non la limite. Le quai CUDA donne pratiquement par rien les possibilités non limitées de l'utilisation des ressources GPU pour les comptes de n'importe quelle complexité.

Les technologies ne restent pas sur place, plutôt, au contraire, ces dernières années nous observons leur croissance exponentielle et l'apparition des nouvelles directions du développement. Aujourd'hui la carte graphique dans l'ordinateur du spécialiste selon 3D est non seulement l'adaptation augmentant la fréquence du remplacement des effectifs au fonctionnement des modèles complexes en trois dimensions, mais aussi le moyen accélérant le travail avec le graphique en trois dimensions pratiquement dans toute sa diversité.

La croissance de la productivité GPU en comparaison de CPU
La croissance de la productivité GPU en comparaison de CPU


Le software-atelier d'appareil présenté par la compagnie NVIDIA l'architecture pour les comptes sur GPU CUDA convient bien les décisions du grand nombre de tâches avec un haut parallélisme, en particulier, pour de l'accélération du travail avec le graphique en trois dimensions. CUDA travaille sur une grande quantité GPU NVIDIA, et améliore le modèle de la programmation GPU, en la simplifiant considérablement et en ajoutant une grande quantité de possibilités, tels que la mémoire divisée, la possibilité de la synchronisation des trafics, les calculs avec l'exactitude double et les entier opérations.

Même une telle prérogative CPU des années passées, comme final rendu, maintenant avec assez de succès est remis sur “les épaules” des processeurs graphiques qu'amène pratiquement partout à l'augmentation multiple de la vitesse du compte de la représentation finale ou vidéo.

Autodesk optimise les produits sous CUDA. En particulier, l'été de 2009 la compagnie Autodesk a annoncé l'optimisation de l'application Autodesk Moldflow 2010 pour la technologie CUDA. Le résultat – l'accélération du travail plus qu'à 2 fois. Autodesk Moldflow est la décision de programme aidant les ingénieurs définir et optimiser la conduite des composants en plastique à de divers stades de la conception et la production. Le support matériel Autodesk Moldflow est réalisé par les cartes professionnelles graphiques de l'ultrahaute classe – nVidia Quadro FX 4800 et Quadro FX 5800.

“L'utilisation maxima des grandes possibilités et les comptes avec le parallélisme massif des processeurs professionnels graphiques NVIDIA Quadro donne à nos utilisateurs l'accroissement sensible de la productivité” – Erick Stouer (Eric Stover), le manager de la compagnie Autodesk selon la production AutoCAD a communiqué. – “À AutoCAD 2010 nous avons amélioré les possibilités et les fonctions du 3D-modelage, mais la qualité inégalée des 3D-modèles, qu'assurent les processeurs graphiques Quadro, donnera à tous les designers l'avantage considérable”.

Excepté l'augmentation de la productivité, l'avantage du partage des décisions Quadro et AutoCAD 2010 coupent:
- La meilleure qualité dans la classe – les Processeurs Quadro assurent le meilleur rapport le prix/productivité pour le traitement des graphique sur les postes de travail, en assurant la combinaison optima de la qualité, l'exactitude des comptes et la productivité. Les décisions Quadro sont élaborées, produites et testées NVIDIA et correspondent aux standards les plus hauts de la qualité.
- La productivité inégalée – les Processeurs Quadro jusqu'à 5 fois augmentent la vitesse du travail en mode 3D Hidden et accélèrent la gestion dans le temps réel en modes Conceptual et Realistic.
- Le travail facile avec les 3D-modèles – les Processeurs Quadro permettent facilement de diriger et coopérer avec les modèles de grande échelle, en enregistrant la qualité maxima de l'image nécessaire au compte exact des 3D-modèles avec une grande quantité des polygones.
- La qualité la plus haute de la représentation – les Processeurs Quadro assurent la qualité augmentée de la représentation sans préjudice de la productivité grâce à la fonction rendu des lignes atténuées à AutoCAD, la fonction spéciale Quadro accessible dans les drivers NVIDIA pour l'augmentation de la productivité AutoCAD.
- Le support professionnel de quelques écrans – le Logiciel NVIDIA nView® assure le maximum des possibilités et à l'utilisation d'un grand écran, et à l'utilisation de quelques résolution de chaque écran peut atteindre 2560 x 1600.

Il est nécessaire de sélectionner que les processeurs Quadro de n'importe quelle catégorie de prix unissent les possibilités avancées du traitement des graphique et drivers spéciaux augmentant la productivité à AutoCAD 2010 que permet aux designers de créer les 3D-projets plus complexes et diriger.

Évidemment, dans l'immédiat apparaîtra encore plus des fonctions AutoCAD sous la direction de la plaque nVidia Quadro et le processeur CUDA.

Aussi la compagnie ASKON en commun avec nVidia a communiqué sur l'accélération du travail KOMPAS-3D sur les ordinateurs équipés des décisions professionnelles nVidia Quadro FX. L'application du profil dans le driver Quadro assurera aux utilisateurs KOMPAS-3D l'accélération essentielle du travail avec les 3D-modèles à l'exécution des opérations de la rotation et le positionnement. En fonction de la complexité du modèle l'accélération peut faire de 30 à 50%!

“L'augmentation de la vitesse du travail des utilisateurs – une des tâches les plus importantes, que nous décidons de la version vers la version, – était soulignée par Oleg Zykov, le directeur du service du marketing de produit ASCON. – les réserves Définies se trouvent pour cela dans l'optimisation du produit, dans les nouvelles fonctions de la simplification du travail à froncis. Cependant maintenant nous utiliserons dans une grande mesure la ressource la plus puissante de matériel – les cartes vidéos professionnels”.

À son tour, Alexeï Lagunenko, le chef du département des ventes nVidia en Europe de l'Est, a sélectionné: “nVidia coopère activement avec les architectes de la programmerie dans le monde entier et est toujours prête à supporter les idées d'innovation et les produits perspectifs. ASCON – un des architectes principaux russes massif CAD/AEC/PLM des décisions, et nous sommes contents d'accorder à un grand nombre d'utilisateurs des produits ASCON le support au niveau des décisions professionnelles de matériel, ainsi que du point de vue de l'optimisation de la programmerie”.

Ainsi, les décisions professionnelles NVIDIA pour l'accélération des calculs les 3D-graphiques augmentent l'efficacité de l'exécution des travaux d'étude.


Les sources:
1. Les professionnel décisions NVIDIA pour l'accélération du travail avec le graphique en trois dimensions//le système de CAD et le graphique. – 2010. – #2. – S 42-43
2. Bérylo A. NVIDIA CUDA – les calculs non graphiques sur les processeurs graphiques. – 2008 [http://www.ixbt.com/video3/cuda-1.shtml]
3. GPU nVidia Quadro lèvent le 3D-design sur une nouvelle hauteur pour les utilisateurs AutoCAD 2010. – 2009 [http://www.nvidia.ru/object/io_1242377419521.html]
4. ASCON et NVIDIA accélèrent le travail KOMPAS-3D. – 2009 [http://ascon.ru/press/news/items/?news=582]

L'auteur: Челябэнергопроект
La date: 23/03/2010

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