Как Nvidia Optimus помогает экономить энергию

АрхивВидео и дисплеи

В статье рассмотрена технология Nvidia Optimus и её реализация в портативных устройствах. Она помогает экономить заряд батареи при использовании внешней графики.

Технология Nvidia Optimus появилась на свет в феврале 2010 года и привлекла к себе немало внимания. Интерес был обусловлен в первую очередь простотой, во вторую - эффективностью найденного решения.

Nvidia Optimus - это технология для портативных устройств, которая обеспечивает производительность на уровне графических приложений и вместе с тем даёт длительное время автономной работы. Optimus достигает этого благодаря автоматическому и незаметному для пользователя выбора требуемого в данный момент графического процессора (GPU). При этом осуществляется коммутация между отдельно комплектуемым GPU Nvidia или встроенным GPU от Intel.

Эта технология важна для пользователей ноутбуков, потому что в прошлом им самостоятельно приходилось выбирать между высокой производительностью или большим временем автономной работы, что было не очень-то удобно и не всегда стабильно. Причём выбор одной характеристики приводил к падению другой: или время, или скорость.

Сама идея на первый взгляд не очень нова. Предыдущая технология, под названием "Switchable Graphics", решала ту же проблему, но у неё нашлось слишком много недостатков. В случае переключаемой графики пользователи могли вручную выбирать выделенный GPU или интегрированную графику. Такое переключение почти всегда требовало выхода из рабочих приложений и перезагрузки ноутбука. Кроме того, при использовании переключаемой графики пользователь должен был запоминать, в каком состоянии находится ноутбук, после чего производить необходимую коммутацию. В итоге технология оказалась неудобной в работе, и её применение осуществлялось довольно редко.

Optimus использует коммутации на другом программно-аппаратном уровне, что позволяет не отвлекать пользователя на всякие мелочи. При ближайшем рассмотрении выясняется, что технология Optimus справляется с поставленными задачами потому, что она определяет наилучший графический процессор для текущей нагрузки и, кроме того, обеспечивает взаимно согласованную работу обоих графических чипов при их коммутации.

В итоге пользователь автоматически получает необходимую производительность, и время автономной работы при этом становится максимальным.

Многие специалисты считают, что Optimus - это революция своего рода в технологии оптимизации производительности и максимизации времени непрерывной работы. Однако в итоге всё зависит в основном от её реализации в конкретных ноутбуках.

Впервые Nvidia выпустила на рынок свою технологию Optimus с ноутбуком Asus UL50-Vf. Затем Acer представила её же на рынке нетбуков с выпуском модели Aspire One 532G. И ещё несколько позже Asus анонсирует ноутбук U30jc с технологией Nvidia Optimus, а затем и модели N61Jv, N71Jv и N82Jv.

Аппаратная реализация

Когда переключение графических адаптеров происходило вручную, это приводило к фактической остановке системы. Отключающийся адаптер начинал процесс переноса данных другому адаптеру с высвобождения своей памяти. Затем он отключался, и подсоединялся второй чип (иногда это вызывало мигание экрана). Ещё некоторое время система адаптировалась к новому оборудованию: новый адаптер устанавливал своё "присутствие" в системе.

Схема взаимодействия двух адаптеров такова, что не всегда данные можно безболезненно перекинуть с одной видеокарты на другую без потери информации. Соответственно при использовании трёхмерных приложений переключить графику становилось крайне затруднительно, и приложения приходилось закрывать.

Ещё один аспект: ранее система допускала наличие только одного видеодрайвера, что соответственно приводило к дополнительным сложностям, которые позволяли бы запускать разные драйверы для встроенной и интегрированной графики. Сейчас эта проблема решена на уровне ОС.

На схеме обозначен Display Driver Interposer. Это программа, управляющая переключением графического чипа. Кроме того, она делает видимым для ОС нужный в данный момент драйвер нужного чипа. Понятно, что для работы необходим и программный слой между Interposer и вторым чипом. По-прежнему остается важным требование поддержки данного метода со стороны производителя. Сегодня Windows 7 допускает наличие в системе двух активных видеоадаптеров с разными драйверами, так что эта проблема на уровне программной поддержки разрешена с помощью корпорации Microsoft.

В новом поколении своих платформ Intel довольно резко изменила схему взаимодействия системных компонентов. Половина графического чипа ушла в общий корпус с процессором, а снаружи осталась его часть, отвечающая непосредственно за вывод изображения.

Такие изменения повлекли за собой и новую схему взаимодействия с другими компонентами. Чип Nvidia теперь подключается не параллельно и независимо, а включается в работу с IGP через шину PCI Express. Этим архитекторы добились упрощения разводки платы. Кроме того, отпала необходимость в мультиплексорах, а внешний чип стал подключаться через общую шину.

Если в работе не используются приложения, требующие мощной выделенной графики, то включается интегрированное ядро. В этом случае выводом изображения на экран занимается встроенный чип, а внешний (по отношению к интегрированному) чип Nvidia полностью отключен и не потребляет электроэнергию.

При запуске приложения, требующего внешней видеокарты, чип Nvidia включается.

Optimus реализована так, что выводом изображения на экран по-прежнему занимается интегрированный видеоадаптер. Получается, что работают сразу два графических адаптера. Один готовит картинку, а второй в это время выводит её на экран. Внешняя карта Nvidia, после формирования кадра, передает информацию в оперативную память, откуда его забирает интегрированная видеокарта и выводит на экран монитора ноутбука.

Как две хозяйки на кухне, не мешающие друг другу. Благодаря такому подходу переключение происходит мгновенно и прозрачно для пользователя.

Утилита для работы с Nvidia Optimus представлена стандартным и проверенным способом: имеется известная по предыдущим реализациям программка, которую может видеть любой владелец ноутбука с адаптером Nvidia. Нововведения появились лишь в виде ещё одной закладки, где прописываются данные для запускаемых приложений.

Краткий экскурс в историю

В своё время крайне оригинальным решением в этой области могла похвастать компания ATI (ныне AMD). Это так и не реализованная до конца технология XGP. Суть её состоит в том, что внутри ноутбука стоит интегрированный чип, а другой, более мощный, выносится во внешний бокс и подключается к ноутбуку по довольно быстрому интерфейсу PCI-E x16. Явное преимущество такого подхода заключается в том, что стационарно мы получаем мощную рабочую станцию, а находясь в движении - автономный ноутбук. Коме этого, в комплекте идёт отличный выход на внешний монитор и удобная док-станция. По многим оценкам тех дней, у этой технологии есть много плюсов. Однако её не развили и не продвинули "в массы". При этом AMD закрыла технологию патентом, предполагая, наверное, продвигать её самостоятельно.

Что сегодня в реальности на рынке

Факты - вещь упрямая. Первым ноутбуком, поддерживающим технологию Nvidia Optimus, стал ASUS UL50Vf - самый крупный представитель серии тонких, лёгких и мощных портативных компьютеров.

А сегодня ASUS официально представила новейший ультрапортативный лэптоп - U36. Устройство построено на платформе Intel Calpella и может быть укомплектовано любым мобильным процессором из серий Core i3 или Core i5. Отмечено, что девайс выполнен в сверхтонком корпусе из алюминия и сплава магния. Толщина корпуса составляет всего 19 мм. Данная модель поддерживает технологию Nvidia Optimus, а вес ноутбука составляет всего 1,44 кг. По заявлениям производителя, благодаря технологии Super Hybrid Engine устройство может работать без подзарядки до десяти часов.

Ещё одна из моделей ASUS - ноутбук U36, который нацелен на конкуренцию с новыми моделями Apple MacBook Air, а также недавно анонсированными решениями от Lenovo и Sony. Этот "МИГ-29 от ASUS" выделяется среди прочих тонким корпусом из магниевого сплава (ну чем не истребитель?). Он к тому же изящен, лёгок и мощен. И посмотреть приятно и иметь такой должно быть престижно.

Другие игроки рынка тоже пытаются не отставать. Стоит назвать довольно интересный вариант компании Gigabyte, которая продолжает развивать концепт док-станции под названием Booktop. Успех первой модели М1022 в 2009 году привёл к выпуску ещё одной - М1305. А теперь вышла и новинка T1125, в которой производитель совместил все достоинства планшетного ПК и доковой технологии. Устройство имеет поворотный сенсорный LED-дисплей с диагональю 11,6 дюйма, что позволяет использовать его и как ноутбук, и как планшет.

Компания AMD планирует в 2012 году выпускать процессоры, выполненные по 32-нанометровому техпроцессу. Современный процесс изготовления играет важную роль в производстве ноутбуков и планшетов. И это касается не только AMD. Снижая уровень нагрева и энергопотребления чипов, можно уменьшить их размеры и улучшить производительность. Планируемое графическое ядро процессоров AMD Trinity будет поддерживать технологию DirectX 11. Работа над спецификациями DirectX 12 должна быть завершена к концу 2012 года. Если всё пойдёт по плану, то AMD получит шанс отвоевать часть рынка центральных процессоров за два следующих года. По имеющимся оценкам, чипы AMD Trinity должны выйти на рынок позже, чем чипы Intel Ivy Bridge, которые должны иметь в два раза более мощное графическое ядро.

На сегодняшний день технология Nvidia Optimus нашла широкую поддержку среди производителей ноутбуков и портативных устройств. Все ведущие игроки этого рынка стремятся обеспечить её поддержку в своих программных и аппаратных решениях.