NVIDIA GTX 1080: la tecnologia dietro Pascal - Il nuovo SLI e il supporto all'HDR

Nella terza ed ultima parte del nostro speciale dedicato a NVIDIA Pascal vedremo tutte le novità portate da NVIDIA allo SLI, per poi passare ad introdurre Fast Sync e concludendo parlando del supporto ai display HDR, grazie alle nuove generazioni di interfacce video utilizzate. Sappiamo che la società statunitense ha cambiato un po' le cose in merito alle schede video in parallelo, e per tale motivo vale la pena approfondire di più per capire quali saranno le ripercussioni sulle prestazioni finali. L'HDR è invece una nuova tecnologia che dovrebbe arrivare entro fine anno, che farà lievitare notevolmente la saturazione dei colori ed il contrasto, aumentando la qualità visiva.

Le novità sullo SLI e l'High Bandwidth Bridge

Gli utenti più avvezzi e più appassionati spesso contano sulla tecnologia NVIDIA SLI per supportare un'esperienza di gioco ad elevate risoluzioni, senza perdere troppo in prestazioni. Uno degli ingredienti necessari per poter usufruire della feature è il cosiddetto SLI Bridge, un'interfaccia digitale che si occupa di trasferire i dati fra due o più GPU. Esso deve essere fisicamente connesso alle schede grafiche che l'utente vuole utilizzare in parallelo, altrimenti il tutto non può funzionare. Mediante tale configurazione NVIDIA ha implementato uno schema master-slave, con una singola scheda che è connessa al display e con le altre che mandano i frame renderizzati a quest'ultima. Da generazioni, gli SLI Bridge sono in grado di supportare più di due GPU (3-way e 4-way SLI), ed in tal caso sono necessari più ponti indipendenti. Con Pascal però, la società ha introdotto la modalità Dual-link SLI, che collega tutti i Bridge e li rende - in un certo senso - dipendenti, al fine di migliorare il bandwidth. Tale caratteristica dovrebbe essere utile con i display ad elevata risoluzione o con NVIDIA Surround, per configurazioni multi-monitor.
Per poter sfruttare la nuova modalità NVIDIA ha creato un nuovo connettore chiamato SLI HB (High Bandwidth SLI Bridge). Esso permette dei trasferimenti più veloci fra le schede e sincronizza meglio le frequenze quando le GTX in parallelo sono overcloccate. La prima scheda compatibile con SLI HB è la GeForce GTX 1080, che fortunatamente supporta anche la vecchia versione del Bridge - in questo caso però si perde chiaramente parte della banda. SLI HB gira infatti a 650 MHz, molto più dei 400 MHz riservati all'interfaccia di vecchia generazione. Secondo NVIDIA però, la presenza di un nuovo firmware dovrebbe migliorare il trasfer rate anche dei vecchi bridge, ma purtroppo non sappiamo di più. Data comunque la presenza di una banda più larga, SLI HB si presta bene a scenari ad elevata risoluzione come il 4K, il 5K oppure a configurazioni surround. Ricordiamo che esso possiede anche un LED, che si illumina quando connesso alle schede Pascal.

Addio al 3-way e al 4-way SLI

Il multi-GPU ha subito altri cambiamenti dovuti all'introduzione delle nuove librerie grafiche di Microsoft, le DirectX 12. Con l'hardware NVIDIA ci sono di fatto due modalità che hanno i developer per lo SLI in DX12: Multi Display Adapter (MDA) e Linked Display Adapter (LDA).
La seconda modalità presenta due ulteriori utilizzi, con l'Implicit LDA mode - che NVIDIA usa per lo SLI - ed Explicit LDA mode, che da agli sviluppatori un controllo più fine sul multi-GPU. Questo grava in modo più sostanzioso sulla responsabilità degli sviluppatori stessi, che devono così progettare e gestire adeguatamente più parametri, che normalmente sono impostati da NVIDIA. Con LDA, tutte le schede grafiche appaiono come una sola, in cui la memoria grafica è la somma delle VRAM di tutte (ad esempio se abbiamo due schede da 4 GB, allora sono considerate come una scheda da 8 GB). Le GPU dialogano e si scambiano dati con una comunicazione di tipo peer-to-peer. Questo non può accadere invece con MDA mode, in cui ogni componente non è in grado di accedere alla memoria degli altri. Per tale motivo, MDA dà il massimo vantaggio quando le schede grafiche non sono tutte uguali, in uno scenario in cui ad esempio si fa suo di una GPU discreta e di quella integrata contemporaneamente, oppure con hardware di differenti case produttrici.
NVIDIA GeForce GTX 1080 supporta massimo il 2-way SLI. La casa madre ha deciso di imporre questo vincolo perché lo scaling con più di due schede non è efficiente e, secondo NVIDIA, questo peggiora di anno in anno. Inoltre, il 3-way SLI e il 4-way SLI sono configurazioni molto spesso limitate dal collo di bottiglia rappresentato dalla CPU, che non riesce a star dietro a tutta la potenza grafica. E' però ancora disponibile la configurazione che prevede il 2-way SLI più una scheda dedicata a PhysX.

Fast Sync

Fast Sync costituisce una assoluta novità nel panorama delle GPU e si può vedere come un'alternativa al classico Vertical Sync (V-Sync), che si occupa di eliminare i tagli orizzontali nella scena, effetto noto col nome di tearing.
Il motore grafico genera i frame e le animazioni da processare e mandare a schermo. Questi dati arrivano poi al driver, che integra anche le librerie grafiche (DirectX 12 in questo caso), prima di essere elaborati dal chip grafico a mezzo delle draw call. Una volta che il determinato frame viene renderizzato, esso viene inviato al frame buffer, in attesa di essere inviato a schermo. In certi scenari, con Pascal le cose non funzionano propriamente così, per cui si tratta di una interessante questione.
Alcuni titoli, soprattutto FPS competitivi come Conter-Strike: Global Offensive, hanno bisogno di girare ad un frame rate elevato per garantire un gameplay senza sbavature. I frame renderizzati ogni secondo sono tanti e spesso non conviene limitarli attivando la sincronizzazione verticale (V-Sync). Se questa viene attivata, infatti, la coda comandi generata dal motore grafico e poi dal driver viene sostanzialmente castrata, al fine che si possa stare al di sotto del refresh rate del proprio monitor. Con la V-Sync ON, lo schermo comunica al motore grafico di rallentare perché non è in grado di mostrare più di X frame. Il tearing viene così totalmente eliminato, al costo però di una latenza molto più elevata. Se si decide di disattivare il V-Sync, allora la pipeline grafica rimane inalterata e i frame sono processati il più velocemente possibile. La latenza è in tal caso minima, ma i tagli orizzontali del tearing sono evidenti. La maggior parte degli utenti è quindi chiamata a fare una scelta sull'attivazione o meno del V-Sync. I giocatori professionisti decidono di tenerla disattivata per avere benefici sull'input lag, ma c'è dell'altro: un frame rate elevato che causa tearing è spesse volte sinonimo di jitter, che può comunque rovinare il gameplay.
NVIDIA ha così pensato di rivedere come il normale processo di rendering lavora, "staccando" lo stage di rendering e la visualizzazione a schermo dalla normale pipeline. Questo consente al motore grafico di inviare frame da elaborate senza limite, memorizzando quelli in eccesso nella GPU. Tale approccio si chiama Fast Sync e, secondo la società di Santa Clara, darebbe numerosi benefici ai giocatori.
Come lavora precisamente questa modalità? Anzitutto, con Fast Sync non c'è alcun Flow Control, cioè il motore grafico invia più frame che può, come se V-Sync fosse spento. Allo stesso tempo non c'è tearing perché Fast Sync determina quali dei frame renderizzati visualizzare. La nuova tecnologia può essere quindi immaginata come una combinazione dei benefici di V-Sync off e di V-Sync on.

Fast Sync divide, all'atto pratico, il frame buffer in tre aree differenti: abbiamo il Front Buffer (FB), il Back Buffer (BB) - molto simili a quelli già preesistenti, quando viene usata V-Sync - e il Last Rendered Buffer (LRB). Nel primo abbiamo i frame che sono attualmente pronti per essere mandati allo schermo, nel secondo invece ci sono quelli che sono in fase di rendering (la quale non è ancora stata completata). Tenere la sincronizzazione verticale attiva significa quindi, in termini più precisi, aspettare un determinato intervallo prima di trasferire un frame dal BB al FB, ed è proprio tale tempo che rallenta tutta la catena. Il terzo buffer, l'LRB, è la vera novità e viene impiegato per mantenere tutti i frame completati dal Back Buffer, semplicemente copiandoli dal BB stesso. Non appena il FB ha finito lo scanning (che invia un frame a schermo) allora il dato dall'LRB viene copiato nel front buffer. Il Last Rendered Buffer è quindi un blocco che si interpone fra i due già esistenti e consente di sincronizzare meglio il tutto.
I test di NVIDIA hanno dimostrato che Fast Sync introduce solo 8 ms di latenza in più rispetto al tenere V-Sync disattivato, ma non si ha né tearing e né jitter. C'è però una grossa precisazione da fare: Fast Sync lavora bene solo con i titoli DX9, per cui non è assolutamente da considerare un'alternativa a costo zero di G-Sync. Considerando che i titoli DirectX 9 sono piuttosto vecchi, crediamo che NVIDIA abbia progettato questa modalità soprattutto per i giocatori di Counter-Strike: Global Offensive. Fast Sync può essere attivata dal NVIDIA Control Panel, alla voce "Sincronizzazione verticale" dei setting 3D.

HDR e display output

I display High Dynamic Range (HDR) forniscono uno dei miglioramenti più evidenti degli ultimi anni in quanto a qualità dell'immagine. Lo spazio di colore BT.2020 copre circa il 75% dei colori realmente visibili, quasi il doppio rispetto a quello sRGB a cui facciamo oggigiorno riferimento. Tra i vantaggi segnaliamo poi una luminosità massima di circa 1000 nits ed un contrasto statico elevatissimo. I monitor HDR riusciranno meglio ad imitare il mondo reale, con dei bianchi più luminosi e neri più profondi. La GTX 1080 supporta tutte le specifiche dei display High Dynamic Range delle schede con architettura Maxwell, come le GTX 980. Il display controller supporta il BT.2020, l'SMPTE 2084 (Perceptual Quantization), l'HDMI 2.0b e il 4K in HDR. In più, rispetto alla vecchia generazione, Pascal ne espande le compatibilità, con funzioni come il decoding e l'encondig HEVC per il 4K a 60 FPS, sia per la registrazione che per la fruizione video. In più c'è anche il supporto alla DisplayPort 1.4. Grazie a questa sono supportati i display 5K a 60 Hz con un solo cavo, mentre per l'8K sono necessari due fili.
NVIDIA sta già lavorando con alcuni sviluppatori per portare l'HDR ai giochi per PC. La società sta infatti fornendo alcune API e supporto driver per rendere il tutto più veloce. Fra i titoli HDR già in lista segnaliamo Obduction, The Witness, Lawbreakers, Rise of the Tomb Raider, Paragon, The Talos Principle e Shadow Warrior 2, con altri che arriveranno in seguito.