Dlaczego karty graficzne potrzebują coraz więcej energii?

Jeszcze kilkanaście lat temu karta graficzna pobierająca ponad 200 W była sprzętem z najwyższej półki. Dzisiaj wartości rzędu 300, 400, a w najmocniejszych konstrukcjach nawet ponad 500 W nikogo szczególnie nie dziwią. Jednocześnie producenci procesorów graficznych przekonują nas, że nowe generacje są coraz wydajniejsze i bardziej energooszczędne.

Skoro więc technologia idzie do przodu, dlaczego współczesne karty graficzne potrafią zużywać tak absurdalne ilości energii?

Więcej tranzystorów oznacza większe możliwości!

Najważniejszym powodem jest skala współczesnych układów GPU. Karta graficzna nie wykonuje już wyłącznie prostych obliczeń potrzebnych do wyświetlania obrazu. Współczesne procesory graficzne odpowiadają za rasteryzację, ray tracing, sztuczną inteligencję, obliczenia związane z fizyką, kodowanie obrazu czy zadania wykorzystywane przez profesjonalne programy.

Do wykonywania tych operacji potrzebne są ogromne liczby tranzystorów.

Każda kolejna generacja GPU otrzymuje więcej jednostek obliczeniowych, większe pamięci podręczne, dodatkowe jednostki do ray tracingu oraz wyspecjalizowane układy przeznaczone do obliczeń AI. Sam wzrost liczby tranzystorów nie oznacza automatycznie proporcjonalnego wzrostu poboru energii, ponieważ nowsze procesy technologiczne pozwalają ograniczać zużycie energii przez pojedyncze elementy.

Problem polega na tym, że producenci wykorzystują te oszczędności do zwiększania wydajności.

Jeżeli nowa technologia pozwala wykonać więcej operacji przy podobnym zużyciu energii, można oczywiście zatrzymać się na tym poziomie. Producenci zazwyczaj wybierają jednak inną drogę: zwiększają możliwości układu tak długo, aż osiągną zakładany poziom wydajności.

W efekcie sprawność rośnie, ale całkowity pobór energii również może rosnąć.

Wydajność kosztuje!

W świecie GPU istnieje bardzo prosta zależność: większa wydajność wymaga większej mocy obliczeniowej.

Można oczywiście zwiększać efektywność architektury, poprawiać proces produkcyjny czy stosować bardziej zaawansowane algorytmy. Nie da się jednak bez końca uzyskiwać ogromnych przyrostów wydajności bez zwiększania ilości wykonywanych obliczeń.

Szczególnie dobrze widać to w segmencie kart przeznaczonych dla entuzjastów.

Najdroższe modele nie są projektowane z myślą o tym, żeby zapewnić rozsądny stosunek wydajności do poboru energii. Ich zadaniem jest przede wszystkim osiągnięcie maksymalnej wydajności. Jeżeli oznacza to zwiększenie limitu mocy z 300 do 400 W, producent może uznać taki kompromis za akceptowalny.

Dla użytkownika oznacza to jednak większy rachunek za energię, mocniejszy zasilacz i większe wymagania wobec chłodzenia.

Ray tracing i sztuczna inteligencja nie są za darmo…

Jednym z powodów rosnącego zapotrzebowania na energię jest rozwój nowych technik renderowania.

Ray tracing pozwala symulować zachowanie światła w znacznie bardziej realistyczny sposób niż klasyczna rasteryzacja. Efekt wizualny może być imponujący, ale obliczenia są znacznie bardziej wymagające.

GPU muszą wykonywać ogromną liczbę operacji związanych z promieniami światła, odbiciami, cieniami i materiałami. Dlatego współczesne karty posiadają wyspecjalizowane jednostki odpowiedzialne za ray tracing.

Podobnie wygląda sytuacja ze sztuczną inteligencją.

Nowoczesne karty graficzne coraz częściej posiadają jednostki przeznaczone do obliczeń AI. W grach wykorzystuje się je między innymi do rekonstrukcji obrazu, generowania klatek czy skalowania rozdzielczości.

Paradoksalnie techniki wykorzystujące AI mogą pozwolić uzyskać wyższą liczbę klatek na sekundę bez proporcjonalnego zwiększania obciążenia klasycznego renderowania. Jednocześnie same obliczenia AI również wymagają energii.

Producenci próbują więc oszczędzać energię w jednym miejscu, aby przeznaczyć ją na nowe funkcje w innym.

Rozdzielczość również ma znaczenie

Kolejnym problemem jest rosnąca rozdzielczość.

Przejście z 1080p do 1440p oznacza konieczność renderowania znacznie większej liczby pikseli. Przejście z 1440p do 4K ponownie zwiększa ilość danych, które GPU musi przetworzyć.

Do tego dochodzą wysokie częstotliwości odświeżania. Monitor 4K 144 Hz stawia przed kartą znacznie większe wymagania niż klasyczny ekran 1080p 60 Hz.

Jeżeli użytkownik chce jednocześnie korzystać z wysokiej rozdzielczości, ray tracingu i bardzo wysokiej liczby klatek na sekundę, karta musi wykonać ogromną ilość pracy.

A wykonana praca wymaga energii.

Pamięć też zużywa prąd

Sam procesor graficzny nie jest jedynym elementem karty pobierającym energię.

Znaczącą część budżetu energetycznego stanowi pamięć VRAM. Współczesne karty korzystają z coraz szybszych standardów pamięci, ponieważ GPU musi przesyłać ogromne ilości danych.

Szybsza pamięć oznacza większą przepustowość, ale również dodatkowe zapotrzebowanie na energię.

Do tego dochodzi coraz większa pojemność VRAM. 8 GB, które jeszcze kilka lat temu było powszechne w kartach ze średniej półki, dziś w części zastosowań zaczyna być ograniczeniem. Rozbudowa pamięci do 12, 16, 20 czy 24 GB zwiększa możliwości karty, ale również wpływa na jej całkowity pobór energii.

Chłodzenie staje się coraz większym problemem!

Jeżeli karta pobiera 400 W energii, niemal cała ta energia ostatecznie zamienia się w ciepło.

Oznacza to, że system chłodzenia musi odprowadzić setki watów energii cieplnej. Dlatego współczesne karty graficzne potrafią zajmować trzy, a nawet cztery sloty w obudowie.

Rozrastają się radiatory, zwiększają się wentylatory, pojawiają się komory parowe oraz bardziej zaawansowane rozwiązania konstrukcyjne.

To tworzy pewne błędne koło.

Większa moc oznacza więcej ciepła. Więcej ciepła wymaga wydajniejszego chłodzenia. Wydajniejsze chłodzenie wymaga większych radiatorów i wentylatorów. A wszystko to zwiększa rozmiar i koszt całej konstrukcji.

Czy producenci mogliby po prostu ograniczyć pobór energii?

Technicznie rzecz biorąc, tak.

Wiele kart graficznych można skonfigurować tak, aby pobierały mniej energii. Można ograniczyć power limit albo zastosować undervolting. W odpowiednio dobranych warunkach niewielka utrata wydajności może przynieść zauważalną redukcję poboru energii.

Problem polega na tym, że producenci konkurują ze sobą przede wszystkim wynikami wydajnościowymi.

Jeżeli jedna karta osiąga określony wynik dzięki wykorzystaniu 350 W, a konkurencyjny model potrzebuje 300 W, ten drugi ma wyraźną przewagę. Ale jeżeli można zwiększyć wydajność pierwszego modelu poprzez podniesienie limitu mocy do 400 W, producent może zdecydować się właśnie na takie rozwiązanie.

Dla części klientów dodatkowe kilkanaście procent wydajności jest ważniejsze niż kilkadziesiąt watów różnicy.

Efektywność jednak rośnie

Warto przy tym uważać na jeden częsty błąd.

Stwierdzenie, że współczesne karty graficzne są bardziej energochłonne, nie oznacza, że są mniej efektywne energetycznie.

Wręcz przeciwnie. Nowe architektury i procesy produkcyjne pozwalają wykonywać znacznie więcej operacji przy tej samej ilości energii niż starsze konstrukcje.

Problem polega na tym, że wzrost efektywności jest wykorzystywany do zwiększania wydajności.

Można to porównać do samochodu. Nowoczesny silnik może być znacznie bardziej efektywny od konstrukcji sprzed kilkunastu lat. Jeżeli jednak producent wykorzysta tę poprawę do stworzenia samochodu znacznie mocniejszego i cięższego, jego całkowite zużycie paliwa wcale nie musi spaść.

Z GPU sytuacja wygląda podobnie.

Czy ten trend będzie trwał?

Prawdopodobnie tak, przynajmniej w segmencie najwyższej wydajności.

Rosną wymagania gier, rozwija się ray tracing, coraz większe znaczenie ma sztuczna inteligencja, a użytkownicy oczekują wyższych rozdzielczości i większej liczby klatek na sekundę.

Jednocześnie istnieją fizyczne ograniczenia. Nie można bez końca zwiększać poboru energii. W pewnym momencie problemem stają się temperatury, rozmiar układu, możliwości chłodzenia, zasilania oraz sama infrastruktura komputera.

Dlatego dalszy rozwój GPU będzie prawdopodobnie coraz mocniej zależał od efektywności.

Producentom będzie coraz trudniej osiągać duże przyrosty wydajności wyłącznie poprzez zwiększanie mocy.

Karta graficzna nie musi jednak pożerać setek watów

Co ważne, problem dotyczy przede wszystkim najmocniejszych konstrukcji.

Do grania w 1080p czy nawet 1440p nie trzeba kupować ogromnej karty pobierającej 400 W. Wiele modeli ze średniej półki oferuje bardzo dobry stosunek wydajności do poboru energii.

Co więcej, użytkownik może sam ograniczyć zużycie energii poprzez undervolting, ograniczenie liczby klatek na sekundę czy odpowiednie ustawienie limitu mocy.

W wielu przypadkach różnica w rzeczywistej wydajności jest niewielka, a spadek poboru energii może być całkiem zauważalny.

Przyszłość GPU będzie należała do efektywności

Rosnący pobór energii przez karty graficzne jest konsekwencją wyścigu o wydajność. Producenci dodają więcej jednostek obliczeniowych, szybsze pamięci, ray tracing i akcelerację AI, a użytkownicy oczekują coraz wyższej jakości obrazu.

Jednocześnie współczesne GPU są pod wieloma względami bardziej efektywne niż ich poprzednicy. Problem polega na tym, że zamiast wykorzystać całą poprawę efektywności do zmniejszenia poboru energii, branża często przeznacza ją na kolejne poziomy wydajności.

To działa tak długo, jak długo użytkownicy są gotowi zaakceptować większe rachunki za prąd, mocniejsze zasilacze i ogromne systemy chłodzenia.

W przypadku najmocniejszych kart granica może jednak znajdować się coraz bliżej. W pewnym momencie dodatkowe 10 procent wydajności może wymagać nieproporcjonalnie dużej ilości energii.