Apple Metal API: в чем же фишка? Современные графические API-интерфейсы.

AMD Mantle | Основы API

Тема API AMD Mantle разделила сообщество ПК-геймеров на два лагеря. Существует масса мнений, информации, заблуждений и известных фактов, разобраться в которых довольно сложно. Мы хотим собрать всё воедино, причём сделать это наиболее справедливым образом. К сожалению, обсудить данную тему без применения "корпоративного" языка практически невозможно, так что давайте начнём с начала - разберёмся в определениях, подготовим почву, определимся, что и откуда нам известно.

Что такое API?

Аббревиатура API расшифровывается как application programming interface (прикладной интерфейс программирования. Ключевым является слово интерфейс. API разработан для коммуникации между приложениями.

Отличным примером является функция копирования/вставки в Windows. Когда вы копируете абзац текста из браузера в буфер обмена, а затем вставляете его в текстовый редактор, вы используете функции API. Разработчики вашего браузера включили поддержку запроса API на копирование, а программисты текстового редактора – поддержку запроса API на вставку. Две эти программы взаимодействуют друг с другом через API.

Преимущество API заключается в том, что разработчикам не приходится внедрять поддержку всех возможных приложений. Если бы не API, все существующие программы для редактирования документов должны были бы содержать уникальный код, для осуществления, например, функции копирования/вставки со всеми другими редакторами документов в мире. Такую модель общения между программами поддерживать было бы невозможно.

Если ли негативная сторона? API-интерфейсы не так эффективны, как специализированый код для прямой коммуникации между ПО. Цена удобства – повышенная нагрузка на аппаратное обеспечение и вычислительные ресурсы.

Что такое графический API-интерфейс?

Поскольку API является интерфейсом связи между приложениями, графический API связывает приложение и видеодрайвер графического адаптера.

Главное здесь – совместимость. Вместо разработки игрового движка с учётом поддержки различных способов связи для взаимодействия с конкретными драйверами видеокарт, разработчики игр могут сосредоточить силы на коммуникации посредством API. Затем API вызывает графический драйвер, который исполняет инструкции на видеокарте. Таким образом, графические API-интерфейсы можно считать одним из уровней абстракции между операционной системой и аппаратным обеспечением.

Если основная цель API – это простота и удобство, почему существует несколько API?

Происхождение OpenGL связано с интерфейсом Iris GL от SGI, который появился в начале 1980-x годов. Как это ни удивительно, но компания сделала его открытым стандартом под названием API OpenGL (Open Graphics Library). Конкуренты SGI получили доступ при условии равного участия в поддержке и обновлении кода.

Даже у Microsoft было кресло в Наблюдательном совете архитектуры OpenGL (OpenGL Architecture Review Board) до 2003, когда компания перешла на свой собственный интерфейс DirectX, который сейчас пользуется гораздо большей популярностью. На данный момент DirectX используется в Windows и Xbox, поэтому обосновать выбор в пользу API от Microsoft легко, если разработчик хочет получить максимум из доступных ресурсов.

Стоит отметить, что известный программист и разработчик Джон Кармак (John Carmack) доказал, что OpenGL по-прежнему можно использовать для запуска современных игр на ПК (таких как Rage). Кроме того, OpenGL держит позиции за счёт поддержки множества платформ: Windows, Mac и Linux. Android, Windows Phone и iPhone используют OpenGL ES (Open GL for Embedded Systems). По мере роста популярности игр на мобильных платформах растёт и популярность OpenGL.

Что не так с DirectX 11 и OpenGL? Зачем понадобился ещё один графический API?

Оба стандарта имеют серьёзные расхождения, и кажется нелогичным внедрение ещё одного. Так чем же существующие стандарты не устраивают разработчиков?

И DirectX, и OpenGL создавались в прошлом тысячелетии, то есть до появления многоядерных процессоров в массовых решениях. Последнее время некоторые разработчики высказывают предположения, что эти API используют слишком много ресурсов, склонны к нестабильности и плохо масштабируются (или вообще не масштабируются) на распараллеленных платформах. Кроме того, ни один API нельзя назвать идеальным. Вам когда-нибудь приходилось обновлять видеодрайвер, чтобы игра работала правильно? Если да, то это означает, что графический API не смог выполнить функцию уровня абстракции.

Вдобавок к этому, ходили слухи, что Microsoft собирается прекратить развитие DirectX в 2013 году. В интервью с вице-президентом AMD, Роем Тейлором (Roy Taylor), было сказано, что "новый заставляет отрасль двигаться вперёд, и новым видеокартам нужно больше процессоров и оперативной памяти. Но DirectX 12 не появился. Вот и всё. Насколько нам известно, на DirectX 12 пока нет никаких планов". Кроме того, из просочившегося в Сеть электронного письма Microsoft нам известно, что кросс-платформенная среда разработки XNA Game Studio сейчас не находится в стадии активной разработки, а развитие DirectX как технологии завершено. Позже Microsoft отказалась от этих заявлений и утверждала, что это было недоразумение, но без опубликованных планов касательно DirectX 12 сообщество разработчиков забеспокоилось.

AMD утверждает, что пришла к разработке нового API, который должен решить существующие проблемы DirectX и OpenGL, вызывающие недовольство разработчиков. Ввиду того, что APU и GPU от AMD применяются в Xbox One, PlayStation 4 и множестве ПК, компания вынуждена предложить API, который можно будет использовать на различных платформах.

Предполагаемые улучшения Mantle в сравнении с OpenGL и DirectX

AMD Mantle ассоциируется с понятием "низкоуровневый". Но что оно означает? Если коротко – это синоним минимализма. API меньше, проще и, следовательно, быстрее DirectX 11 и OpenGL. Новый API от AMD, предположительно, ставит меньше условий для визуализации конкретной сцены. Таким образом, разработчик, а не API, получает управление над ресурсами, что обусловливает большую оптимизацию.

В этом плане AMD Mantle может оказаться более эффективным интерфейсом. Кроме того, AMD Mantle способен выполнять полностью параллельную прорисовку, чтобы разделить задачи между несколькими исполнительными блоками CPU. Если API может эффективно использовать больший объём вычислительных ресурсов, то медленные процессоры с несколькими исполнительными блоками не окажут такого негативного эффекта на производительность.

Проще говоря, AMD утверждает, что AMD Mantle потенциально может повысить производительность систем с медленными многоядерными центральными процессорами. А там, где CPU не является "бутылочным горлышком", AMD Mantle сможет понизить энергопотребление GPU.

AMD позиционирует себя как сторонника открытых исходных кодов. Относится ли Mantle к API с открытым кодом?

AMD Mantle не является открытым стандартом, и AMD утверждает, что и в будущем он таковым не станет. Однако представители компании заявляют, что SDK AMD Mantle будет доступен для всех к концу 2014 года без лицензионных сборов или ограничений, когда закрытая бета-версия завершится.

Нужно уточнить, что доступ к SDK – это не то же самое, что открытый исходный код. Тем не менее, в теории, Nvidia и Intel смогут написать совместимый с AMD Mantle драйвер. Однако в реальности нам это кажется маловероятным. Но лучше приберечь анализ для заключения. Дело в том, что AMD хочет сохранить контроль над AMD Mantle , чтобы оптимизировать API под архитектуру GCN и позволить разработчикам быстрее принять новые аппаратные функции, которые непрактичны для общих API, таких как DirectX и OpenGL.

Мы разобрались с основами Mantle. Что дальше?

Мы хотим протестировать API AMD Mantle и проанализировать возможности интерфейса. AMD клянётся , что ряд разработчиков работает над поддержкой AMD Mantle в таких играх, как Civilization: Beyond Earth, Star Citizen и Dragon Age: Inquisition. На момент написания статьи только три игры на рынке поддерживают AMD API: Battlefield 4 , Thief и Plants vs. Zombies: Garden Warfare. Поскольку игра Plants vs. Zombies: Garden Warfare не имеет функции тестирования AMD Mantle и использует движок Frostbite, применяемый в Battlefield 4 , мы протестируем первые две игры.

AMD Mantle | Как мы тестировали API Mantle от AMD

Можно предположить, что основная цель AMD Mantle – выжать максимум производительности из видеокарт Radeon. В принципе, так и есть. Но важно помнить, что проблема, которую должен решить интерфейс AMD Mantle , не совсем связана с графикой. Напротив, AMD Mantle должен исправить недостатки в плане эффективности, которые мешают распределению нагрузок на CPU.

Таким образом, в лучшем случае AMD Mantle нивелирует узкие места, характерные при использовании бюджетных процессоров (например, производства AMD). Для примера приведём такой сценарий: с DirectX видеокарта Radeon может обеспечить более высокое быстродействие в паре с процессором семейства Intel Core i7, чем с FX-4170 . Если AMD Mantle работает так, как предполагается, можно ожидать, что с FX-4170 производительность возрастёт и приблизится к уровню Core i7. Вряд ли скорость Core i7 заметно повысится, поскольку процессор и так достаточно быстрый, что перекрывает недочёты DirectX.

Чтобы это проверить, мы используем обширный ряд платформ и видеокарт (список приведён в таблице ниже). Все видеокарты Radeon тестируются в режиме DirectX и AMD Mantle для выявления различий. Также для сравнения мы добавили в выборку карты GeForce.

Обычно для получения показателей в тестах мы используем Fraps или FCAT. Оба решения разработаны для DirectX, и, следовательно, не работают под управлением AMD Mantle . В результате нам пришлось использовать встроенные тестовые утилиты, которыми комплектуются игры Thief и Battlefield 4 . К счастью, командная консоль движка Frostbite в Battlefield 4 достаточно мощная и позволяет получить подробные данные по колебаниям времени подачи кадра. В случае Thief мы можем получить лишь показатели частоты кадров из утилиты в комплекте с игрой, показатели же колебания времени подачи кадров не доступны.

Позже вы увидите, что для специализированного теста нам понадобится видеокарта среднего уровня с памятью 4 Гбайт. Для этих целей MSI прислала нам Radeon R9 270X Gaming 4G, оснащённую кулером Twin Frozr IV и тремя рабочими режимами: "тихий" (1050 МГц), "игровой" (1080 МГц) и "разогнанный" (1120 МГц).

Высокопроизводительные видеокарты требуют соответствующего питания, и XFX прислала нам свой блок питания PRO850W с сертификатом 80 PLUS Bronze. Модульный БП использует одну шину +12 В с силой тока 70 А. Как утверждает XFX, данная модель обеспечивает непрерывную (не пиковую) мощность до 850 Вт при температуре 50 градусов Цельсия (заметно выше, чем в большинстве корпусов).

В нашей лаборатории мы почти полностью избавились от механических жёстких дисков, и вместо них используем твердотельные накопители, для которых нехарактерны задержки, связанные с операциями ввода/вывода. Компания Samsung прислала в наши офисы накопители Samsung 840 Pro на 256 Гбайт, поэтому они у нас используются в качестве стандартных.

Подробная информация по тестам:

AMD Mantle | Тесты Thief на APU и видеокартах начального уровня

Мы начинаем с начального уровня GPU с поддержкой AMD Mantle , включая интегрированный графический процессор в APU A10-7850K . Как мы уже говорили, игра Thief не записывает колебания времени подачи кадров, поэтому мы публикуем только частоту кадров.

AMD Mantle | Тесты Thief на видеокартах среднего и высшего уровня

Мы несколько раз получили подобные значения, но так и не смогли найти разумное объяснение данному явлению. Тем не менее, не стоит забывать, что технология AMD Mantle , по заявлениям AMD, пока находится в бета-стадии. В целом, AMD Mantle повышает производительность по сравнению с DirectX.

AMD Mantle | Тесты Battlefield 4 на встроенной графике APU

Благодаря встроенной утилите захвата для измерения колебаний времени подачи кадров в Battlefield 4 , мы можем получить детальную информацию о производительности. Начнём с очень низких предустановок графики в разрешении 1600x900 точек на интегрированном APU A10-7850K .

AMD Mantle обеспечивает небольшое преимущество, хотя оно вряд ли может повлиять на решение о покупке. Нас больше удивило, что APU смог вытянуть Battlefield 4 в разрешении 1600x900 точек на частоте кадров не ниже 30 FPS.

В этом тесте мы получили идеальное колебание времени кадров как на AMD Mantle , так и на DirectX. Они очень низкие и пиков не наблюдается, поэтому картинка на экране должна быть плавной.

AMD Mantle | Тесты Battlefield 4 на видеокартах начального уровня

Теперь Radeon R7 250X и GeForce GTX 650 продемонстрируют нам, на что способны дешёвые дискретные видеокарты. Для них мы повышаем уровень детализации до высокого и увеличиваем разрешение до 1920x1080 точек.

В двух диаграммах выше видна масса линий и полос. Но в данном случае мы видим, как AMD Mantle вредит производительности, а не помогает.

Мы связались с AMD, чтобы разобраться с результатами, и представители компании рассказали нам, что у Battlefield 4 есть особая проблема с AMD Mantle , возникающая на картах, объём видеопамяти которых меньше 4 Гбайт. Тестируемая карта Radeon R7 250X имеет 1 Гбайт памяти. GeForce GTX 650 - 2 Гбайт, хотя и с AMD Mantle она не совместима. Мы скоро разберёмся с этой проблемой. Но сейчас давайте посмотрим на показатели колебаний времени подачи кадров.

Колебания находятся в приемлемом диапазоне. Ни одна из карт не вышла за отметку 3 мс на 95-ом перцентиле. Есть несколько всплесков, но они незначительны.

AMD Mantle | Тесты Battlefield 4 на видеокартах среднего уровня

Radeon R9 270 и GeForce GTX 660 , оснащённые 2 Гбайт памяти GDDR5, предоставили нам возможность либо опровергнуть, либо подтвердить слова AMD касательно проблемы AMD Mantle с картами, у которых объём видеопамяти меньше 4 Гбайт. Если это правда, мы снова должны наблюдать проблему, обнаруженную ранее. Чтобы обеспечить соответствующую нагрузку, мы повысили уровень детализации до Ultra.

Снижение производительности сохранилось. А изменились ли колебания времени подачи кадров?

Колебания сохранились на низком уровне, хотя притормаживания более заметны, когда частота кадров снижается до 25 FPS.

AMD Mantle | Тесты Battlefield 4 на видеокартах высшего уровня

Пришло время протестировать и GeForce GTX 780 Ti . Видеокарта AMD оснащена 4 Гбайт видеопамяти, так что мы должны избежать вышеупомянутой проблемы с масштабированием AMD Mantle . Мощность обеих карт подтолкнула нас повысить разрешение до 2560x1440 пикселей.

Наконец API AMD Mantle от AMD показал своё влияние, обеспечив системе с FX-8350 среднюю частоту кадров 51,4 FPS против 45 FPS под DirectX. Дополнительно AMD Mantle позволяет приблизиться к уровню производительности GeForce GTX 780 Ti (при том, что карта Nvidia значительно дороже).

Как и в других тестах Battlefield 4 , встроенная в игру утилита по измерению колебаний времени подачи кадров показывает высокий уровень производительности.

AMD Mantle | Тесты Battlefield 4: проблемы с RAM и обновления драйверов

Как уже сказано выше, мы оповестили AMD о проблеме AMD Mantle с Battlefield 4 и нам ответили, что существует преграда, из-за которой производительность снижается на видеокартах с видеопамятью менее 4 Гбайт под управлением AMD Mantle . Чтобы изучить проблему, мы взяли MSI Radeon R9 270X с 4 Гбайт видеопамяти GDDR5. Поможет ли дополнительный объём памяти справиться с недостатками?

Хотя снижения производительности, которое вызывал AMD Mantle ранее, больше не наблюдается, ощутимых преимуществ тоже нет.

Мы снова видим очень низкие средние колебания времени подачи кадров, перебиваемые внезапными всплесками.

Похоже, что видеопамять – не единственный сдерживающий фактор. По крайней мере, в Battlefield 4 AMD Mantle демонстрирует преимущество над DirectX на высокопроизводительных видеокартах с объёмом видеопамяти более 4 Гбайт. Дополнительная память GDDR5 не помогает Radeon R9 270X повысить свой результат под управлением API от AMD.

Обзор получился очень насыщенным в плане бенчмарков, он включает тесты множества видеокарт на различных платформах. Мы начали создавать данный материал, когда самым новым из доступных драйверов была версия Catalyst 14.4, но использовали Catalyst 14.3 Beta, поскольку были случаи, когда драйвер 14.4 ухудшал производительность.

По завершении тестирования мы провели немало времени за дополнительными исследованиями. Полученные данные мы обсудили с AMD. Сотрудники компании сказали про наличие проблемы с видеопамятью до 4 Гбайт. Нужно было кое-что выяснить об API. В общем, пока мы собирали материал, для Battlefield 4 вышло обновление, датированное третьим июня, а AMD выпустила драйвер версии Catalyst 14.6 Beta.

Нужно было убедиться, что показатели производительности AMD Mantle остались актуальными, поэтому мы провели несколько тестов с учётом обновлений и выяснили, что производительность Battlefield 4 под управлением AMD Mantle улучшилась на графических адаптерах, у которых менее 4 Гбайт видеопамяти. Плохие новости заключаются в том, что при уменьшении разрыва API от AMD по-прежнему немного медленнее DirectX 11 по частоте кадров. Даже несмотря на минимальный разброс, AMD Mantle не даёт преимуществ на картах ниже уровня Radeon R9 290.

Какой же можно сделать вывод? Графические ускорители Radeon с объёмом памяти менее 4 Гбайт не получают ускорение при включении AMD Mantle в Battlefield 4 . Однако с новым драйвером и игровым патчем разница становится меньше, чем с пакетом 14.3 Beta. Это обнадёживающий результат, поскольку он говорит о том, что AMD и DICE работают над API. Но также мы видим, сколько ещё усилий потребуется для дальнейшего совершенствования. Мы надеемся, что AMD Mantle Radeon R9 270X с 4 Гбайт, и хотя интерфейс AMD Mantle не снизил производительность, он также не обеспечил никаких преимуществ. По словам AMD, API сейчас находится в стадии бета-разработки, поэтому такие аномалии вполне возможны.

В любом случае, если учесть большую часть наших тестов и заявления разработчика, становится ясно, что AMD Mantle предлагает определённые преимущества по сравнению с DirectX 11. У нас нет игр на базе OpenGL для сравнения, но утверждается, что оба графических API имеют ограничения по сравнению с AMD Mantle . Что это значит для энтузиастов мира ПК?

В краткосрочной и среднесрочной перспективе AMD Mantle сможет обеспечить прирост производительности владельцам карт Radeon на архитектуре GCN в небольшом числе видеоигр. Прирост будет минимален на платформах с процессорами уровня Intel Core i7. Но на системах с дешёвыми процессорами, такими как FX-4170 , APU A10 и Athlon X4, прибавка скорости будет гораздо выразительнее.

В следующем месяце список игр с поддержкой AMD Mantle расширится, но даже в этом случае он будет очень мал. Разработчики, которые считают DirectX 11 слишком ограниченным интерфейсом для их движка, могут инвестировать в код AMD Mantle . Естественно, дополнительная работа требует дополнительных ресурсов. Таким образом, на данный момент AMD Mantle является эквивалентом Nvidia PhysX, которая обеспечивает преимущество в некоторых играх.

Идём дальше. Когда AMD представит SDK AMD Mantle , то теоретически появится возможность разработки совместимых с AMD Mantle драйверов со стороны Intel и Nvidia, что может привлечь независимых разработчиков ПО. Но это кажется маловероятным. Не имеет смысла цеплять свою "телегу" к "лошади" конкурента. Как сообщается, Intel просила доступ к SDK AMD Mantle , но, скорее всего, в целях внутреннего тестирования.

Руководство AMD стоит перед сложным выбором. Будет ли место для AMD Mantle , когда появится DirectX 12 с собственным минималистским подходом и возможностью выполнять задачи прорисовки одновременно на нескольких ядрах CPU? Кажется довольно очевидным, что Intel и Nvidia примут решение Microsoft. Мы полагаем, что если AMD Mantle будет обладать хорошей совместимостью с DirectX 12, разработчики Microsoft захотят потратить своё время на его поддержку. Но AMD неизбежно будет поддерживать и DirectX 12, так что работа может оказаться избыточной. По мере распространения DirectX основным преимуществом AMD Mantle станет возможность быстро предоставлять разработчикам любые эксклюзивные функции Radeon, например, 3dfx Glide.

Сегодня мы в основном говорим о ПК, но не стоит забывать о консолях. Если Microsoft и Sony внедрят AMD Mantle на своих платформах, то с комплектующими AMD, использующими x86-ядра Jaguar, данный API почти наверняка получит мощную поддержку со стороны разработчиков. Многие ПК-игры портируются с консольных версий или разрабатываются одновременно с ними. Естественно, у Microsoft есть стимул дождаться готовности DirectX 12. Что касается Sony, то у PlayStation 4 имеется собственный API, более совершенный, чем DirectX 11 и OpenGL. Ведущий графический программист DICE Йоган Андерсон (Johan Andersson) заявил, что графический API-интерфейс PS4 достаточно хорош, и AMD Mantle на PS4 им не нужен.

Пока неизвестна позиция Steambox от Valve. AMD не поддерживает AMD Mantle в драйвере Linux, однако компания намекнула на реализацию поддержки в будущем. Если предположить, что Valve создаст концепцию выгодного использования APU (пока мы её не видим), спрос на AMD Mantle в этой среде может возрасти. Однако SteamOS придётся пройти долгий путь, прежде чем это случится.

В то же время, AMD Mantle действительно представляет собой инновацию. Даже если его затмит DirectX 12, есть все основная полагать, что AMD Mantle сподвигнет Microsoft на разработку графических API следующего поколения. Очевидно, что существуют реальная необходимость и желание искоренить недостатки и ограничения старых API, негативно влияющих на игровой опыт. Конечно, трудно продвигать новый продукт на рынок, но пока AMD не начнёт делать более заметные шаги в этой индустрии, мы вынуждены рассматривать AMD Mantle как дополнительную функцию наподобие PhysX (естественно, не в техническим плане), поскольку она даёт преимущество только одному производителю в некоторых играх.

На минувшей неделе был представлен API Vulkan, о широкой поддержке которого заявили AMD и NVIDIA. Новый графический интерфейс разрабатывал Khronos Group, консорциум, основанный в 2000 году. Khronos Group отвечает за разработку и поддержку открытых стандартов в сфере мультимедийных приложений на разных платформах и устройствах. Консорциум поддерживают AMD и NVIDIA, а также многие другие компании.

На минувшей неделе была ратифицирована финальная версия 1.0 API Vulkan. AMD и NVIDIA представили соответствующие бета-драйверы. AMD заранее выпустила бета-версию Radeon Software еще 14 февраля. NVIDIA представила драйвер GeForce 356.39, который тоже ориентирован на поддержку API Vulkan.

Подход API Vulkan очень похож на API Mantle. Суть заключается в том, чтобы разработчики получили более глубокий доступ к «железу», чтобы выжать из него максимум. Такой подход позволяет максимально избежать существующих «узких мест». С другой стороны, разработчики должны точно знать, что они делают – например, при работе с памятью. Интерфейс OpenGL не так популярен, как DirectX, но позволяет выжать больше.

Интерфейс API Vulkan в версии 1.0 поддерживается под Windows 7, Windows 8.1, Windows 10, Android и Linux. Разработчики игр пока что не объявили о поддержки в конкретных играх, но здесь стоит дождаться Games Developer Conference, которая будет проводиться с 14 по 18 марта в Сан-Франциско. Из игровых движков пока есть информация о Source 2, который уже поддерживает API Vulkan. Процесс отладки облегчается поддержкой Valve, LunarG и Codeplay.

The Talos Principle

Хорошо, но какая игра или движок поддерживают API Vulkan? Игра The Talos Principle разрабатывалась компанией Croteam, которая и в прошлом была известна поддержкой многих графических API. И в последней итерации игра The Talos Principle не стала исключением – она поддерживает DirectX 9, DirectX 11, OpenGL и теперь Vulkan. Для студии разработчиков Vulkan является пробным шаром, хотя API Vulkan доступен в версии 1.0, поддержка пока находится в бета-стадии. На добавление поддержки разработчики Croteam затратили порядка трех месяцев. Но универсальный характер API позволяет вскоре представить вариант Linux.

API Vulkan теоретически совместим с несколькими платформами – но пока что тесты и сравнения можно провести только под Windows, причем здесь имеются свои ограничения. Реализация пока остается на очень раннем этапе. Путь рендеринга DirectX 11 совершенствовался многие годы, поэтому потенциала для оптимизации здесь уже нет. Здесь ситуация больше зависит от разработчиков драйверов, а именно AMD и NVIDIA. Игра The Talos Principle стала первой с поддержкой Vulkan. Поэтому пока нет возможности сделать сравнительный тест для оценки хорошей или плохой реализации поддержки.

Новые технологии первое время реализуются в примерах, подготовленных производителями. В случае DirectX 12 акцент был выставлен на Draw Calls, тот же тест 3DMark DirectX 12 опирается только на измерение производительности Draw Calls, игры DirectX 12, подобные Star Wars, тоже пытаются задействовать подобную нагрузку. Но The Talos Principle не так сильно зависит от высокой скорости Draw Call, чтобы низкоуровневый API дал большую разницу.

Поддержка API Vulkan версии 1.0 находится на ранней стадии, то же самое касается драйверов AMD и NVIDIA. Оба драйвера, по сути, относятся к бета-версиям, именно так их рассматривают производители GPU. Здесь обычно нет новых улучшений производительности или поддержки новых технологий, так что мы получаем шаг назад. Но как только определенный уровень разработки будет достигнут, драйверы обоих разработчиков GPU получат поддержку Vulkan в финальной версии. Когда это произойдет – не совсем понятно. Но пока ключевые приложения не используют Vulkan и игры с поддержкой API находятся в состоянии бета-версии, так что разработчики GPU могут спокойно дорабатывать свои драйверы.

Для тестов мы взяли нашу тестовую систему для видеокарт. Драйверы видеокарт AMD и NVIDIA мы уже описали выше. В настройках мы выставили максимальный уровень графики, но при этом протестировали и низкие разрешения вплоть до 1.280 x 720 пикселей, чтобы увеличить производительность Draw Call.

Тест The Talos Principle - 1.280 x 720 пикселей

Тест The Talos Principle - 2.560 x 1.440 пикселей

Тест The Talos Principle - 3.840 x 2.160 пикселей

Как можно видеть по результатам, API Vulkan дает существенный прирост по сравнению с OpenGL. Но до производительности DirectX 11 новый API не дотягивает. Тому есть несколько причин. С одной стороны, разработка под Vulkan находится в ранней стадии. Это касается и самого API, и драйвера, и игры The Talos Principle. По сравнению с OpenGL новый интерфейс позволяет освободить часть ресурсов и избежать «узких мест». Но DirectX много лет совершенствовался до текущего уровня. В любом случае, потенциал у API Vulkan очень хороший.

Если погрузиться в детали, то визуальных отличий между API Vulkan и DirectX 11 мы не обнаружили. Так что путь рендеринга очень хорошо адаптирован. У текущей реализации The Talos Principle видеокарты с 2 Гбайт памяти получают падение производительности, вероятно, из-за не самой эффективной работы с памятью. Как и Mantle и DirectX 12, API Vulkan может обращаться к ресурсам памяти на более глубоком уровне – сей факт можно рассматривать как преимущество, но он может стать и недостатком, если разработчики не смогут эффективно использовать память.

Несколько разочаровала ошибка в текущем драйвере NVIDIA, из-за которой после каждого теста приходилось перезагружать систему. Без перезагрузки игра «вылетала». Хотя с драйвером AMD мы не обнаруживали подобной ошибки.

Нынешняя реализация API Vulkan кажется обещающей. Пока что для игр на настольных ПК она будет не такой актуальной, поскольку рынок DirectX 11 и 12 очень велик, и по сравнению с тем же DirectX 12 затраты на реализацию могут быть слишком велики, а отдача слишком мала. Но если игры необходимо запускать на разных платформах с разными аппаратными требованиями, Vulkan может сыграть важную роль. В любом случае, следует дождаться реакции со стороны разработчиков игр, иначе мы получаем проблему курицы и яйца, из которой сложно выйти.

API определяет функциональность, которую предоставляет программа (модуль, библиотека), при этом API позволяет абстрагироваться от того, как именно эта функциональность реализована.

Если программу (модуль, библиотеку) рассматривать как чёрный ящик, то API - это множество «ручек», которые доступны пользователю данного ящика, которые он может вертеть и дёргать.

Программные компоненты взаимодействуют друг с другом посредством API. При этом обычно компоненты образуют иерархию - высокоуровневые компоненты используют API низкоуровневых компонентов, а те, в свою очередь, используют API ещё более низкоуровневых компонентов.

По такому принципу построены протоколы передачи данных по . Стандартный протокол Internet (сетевая модель OSI) содержит 7 уровней (от физического уровня передачи пакетов бит до уровня протоколов приложений, подобных протоколам HTTP и IMAP). Каждый уровень пользуется функциональностью предыдущего уровня передачи данных и, в свою очередь, предоставляет нужную функциональность следующему уровню.

Важно заметить, что понятие протокола близко по смыслу к понятию API. И то и другое является абстракцией функциональности, только в первом случае речь идёт о передаче данных, а во втором - о построении компьютерных приложений.

API библиотеки функций и классов включает в себя описание сигнатур и семантики функций .

Application Programming Interface (API) программный интерфейс взаимодействия между системами, позволяющий:

• Получать доступ к бизнес-сервисам предприятия
• Обмениваться информацией между системами и приложениями
• Упростить взаимодействие между компаниями, партнерами, разработчиками и клиентами

Open API стратегия

API стратегия включает в себя:

• Разработку бизнес-продуктов на основе существующих API
• Предоставление внутренних сервисов разработчикам
• Модели монетизации API для построения мультиканального взаимодействия и повышения прибыли

Реализация концепции Open API помогает трансформировать бизнес, встраивать его в гибкую проектную экосистему игроков рынка, создавать условия для постоянной генерации новых идей и формирования дополнительной ценности при управлении массивами корпоративных данных.

Рынок интеграционных решений развивается в контексте эволюции API - от EDI и SOAP до Web 2.0 , с которого началась эра публичных API. Число таких интерфейсов в ближайшие 3 года может вырасти более чем в 50 раза и достичь 1 миллиона. Это связано с мультиканальностью: каналы взаимодействия с клиентами должны меняться вместе с ними. Непрерывный рост количества потребителей и объема данных привел к появлению экономики API, помогающей на основе открытых интерфейсов создавать инновационные бизнес-модели использования корпоративных активов и сервисов.

Сигнатура функции

Сигнатура функции - часть общего объявления функции, позволяющая средствам трансляции идентифицировать функцию среди других. В различных языках программирования существуют разные представления о сигнатуре функции, что также тесно связано с возможностями перегрузки функции в этих языках.

Иногда различают сигнатуру вызова и сигнатуру реализации функции. Сигнатура вызова обычно составляется по синтаксической конструкции вызова функции с учётом сигнатуры области видимости данной функции, имени функции, последовательности фактических типов аргументов в вызове и типе результата. В сигнатуре реализации обычно участвуют некоторые элементы из синтаксической конструкции объявления функции: спецификатор области видимости функции, её имя и последовательность формальных типов аргументов.

Например, в языке программирования Си++ простая функция однозначно опознаётся компилятором по её имени и последовательности типов её аргументов, что составляет сигнатуру функции в этом языке. Если функция является методом некоторого класса, то в сигнатуре будет учаcтвовать и имя класса.

Также необходимо отметить, что в распоряжении программиста часто находится несколько различных API, позволяющих добиться одного и того же результата. При этом каждый API обычно реализован с использованием API программных компонент более низкого уровня абстракции.

Например: для того, чтобы увидеть в браузере строчку «Hello, world!» достаточно лишь создать HTML -документ с минимальным заголовком, и простейшим телом, содержащим данную строку. Что произойдёт, когда браузер откроет этот документ ? Программа-браузер передаст имя файла (или уже открытый дескриптор файла) библиотеке, обрабатывающей HTML-документы, та, в свою очередь, при помощи API операционной системы прочитает этот файл, и разберётся в его устройстве, повызывает через API библиотеки стандартных графических примитивов операции типа «очистить окошко», «написать выбранным шрифтом Hello, world!», при этих операциях библиотека графических примитивов обратится к библиотеке оконного интерфейса с соответствующими запросами, уже эта библиотека обратится к API операционной системы с запросами вида «а положи-ка мне в буфер видеокарты вот это».

При этом практически на каждом из уровней реально существует несколько возможных альтернативных API. Например: мы могли бы писать исходный документ не на HTML , а на LaTeX, для отображения могли бы использовать любой браузер. Различные браузеры, вообще говоря, используют различные HTML-библиотеки, и, кроме того, всё это может быть (вообще говоря) собрано с использованием различных библиотек примитивов и на различных операционных системах.

Основными сложностями существующих многоуровневых систем API, таким образом, являются:

• Сложность портирования программного кода с одной системы API на другую (например, при смене ОС);
• Потеря функциональности при переходе с более низкого уровня на более высокий. Грубо говоря, каждый «слой» API создаётся для облегчения выполнения некоторого стандартного набора операций. Но при этом реально затрудняется, либо становится принципиально невозможным выполнение некоторых других операций, которые предоставляет более низкий уровень API.

Основные типы API

Внутренние API

• Доступ к API предоставляется только внутренним разработчикам
• Приложения нацелены на сотрудников предприятия

Бизнес-драйверы:

• Консистентность разработки
• Снижение затрат
• Повышение эффективности разработки

Партнерские API

• API доступны только ограниченному набору бизнес-партнеров
• Приложения предназначены для конечных потребителей и для бизнес-пользователей

Бизнес-драйверы:

• Автоматизация процесса разработки
• Развитие партнерских отношений
• Оптимизация процесса взаимодействия с партнерами

Публичные API

Доступ предоставляется любому внешнему разработчику Приложения нацелены на конечных пользователей

Бизнес-драйверы:

• Разработка новых сервисов
• Развитие экосистемы
• Мультиканальное взаимодействие

Наиболее известные API

API операционных систем

API графических интерфейсов

• Direct3D (часть DirectX)
• DirectDraw (часть DirectX)

Представлен новый интерфейс программирования графических приложений Vulkan. У владельцев графических процессоров GeForce уже сегодня есть все необходимое, чтобы ощутить преимущества API Vulkan. Новый инструмент обеспечит разработчикам лучший контроль над выполнением графических команд и более высокую производительность для более широкого круга устройств.

Поддержка Vulkan компанией NVIDIA непосредственно с момента его выпуска, не только на разных платформах, но и в современных играх, таких как The Talos Principle, привлекла внимание самых именитых экспертов индустрии.

“Возможность сыграть в The Talos Principle в день выпуска API – это невероятное достижение, - говорит Джон Педди (Jon Peddie), президент Jon Peddie Research. - Мультиплатформенная совместимость и полноценная поддержка драйверов для разных операционных систем, которую обеспечила NVIDIA, подтверждает ведущую роль компании в разработке API Vulkan”.

Что такое Vulkan?

Vulkan – это низкоуровневый API, который предоставляет разработчикам прямой доступ к GPU для полного контроля над его работой. Отличаясь более простыми и легкими драйверами, Vulkan демонстрирует меньшие задержки и меньшие накладные расходы при обработке графических команд (overhead) по сравнению с традиционными API OpenGL и Direct3D. Vulkan также отличается эффективной поддержкой многопоточности и позволяет многоядерным центральным процессорам более эффективно загружать графический конвейер, поднимая производительность существующего оборудования на новый уровень.

Vulkan – это первый низкоуровневый API нового поколения, который является кроссплатформенным. Разработчики могут создавать приложения для ПК, мобильных и встроенных устройств, работающих под различными операционными системами. Как и OpenGL, Vulkan – это открытый бесплатный стандарт, доступный для любой платформы. Однако NVIDIA продолжит работу над OpenGL и OpenGL ES, чтобы поддержать тех разработчиков, которые предпочитают использовать традиционные API.

Кто стоит за Vulkan?

Vulkan был создан организацией Khronos Group, которая объединяет широкий круг различных компаний из индустрии программного и аппаратного обеспечения, включая NVIDIA, с целью создания открытого, не требующего выплаты лицензионных отчислений API, предназначенного для создания и воспроизведения различного контента на широком спектре платформ и устройств. Мы гордимся тем, что сыграли ключевую роль в создании API Vulkan. И намерены активно помогать разработчикам приложений в работе с Vulkan, чтобы они могли получить максимум от графических процессоров NVIDIA.

Преимущества Vulkan для пользователей

Vulkan – это отличное решение для разработчиков. Новый API снижает затраты на портирование игр и открывает новые рыночные возможности для приложений на разных платформах. Важно, что драйверы NVIDIA для Windows, Linux и Android, позволяющие получить максимум возможностей от Vulkan, уже доступны. Подробнее смотрите на странице драйверов Vulkan.

Преимущества для геймеров–владельцев графических процессоров GeForce:

· Низкие задержки и высокая эффективность Vulkan позволяет разработчикам добавлять больше деталей и спецэффектов в игры, сохраняя их отличную производительность. Так как драйвер Vulkan легче и отличается меньшими накладными расходами на CPU, разработчики получат меньше сюрпризов в плане цены производительности, что в свою очередь обеспечивает более плавную и динамичную работу приложений.

· NVIDIA предоставляет драйверы для Vulkan для всех видеокарт GeForce на базе архитектур Kepler и Maxwell, работающих под ОС Windows (Windows 7 и выше) и Linux.

· Владельцы GeForce смогут первыми сыграть в Vulkan-версию игры The Talos Principle – головоломку от Croteam, которая стала доступна вчера. "Мы и раньше успешно работали с командой NVIDIA в плане драйверной поддержки, но я был впечатлен их работой над Vulkan, - говорит старший программист Croteam Дин Секулик (Dean Sekuliuc). – NVIDIA оперативно предоставила нам новейшие бета-драйверы, чтобы мы могли быстро внедрить новый API в Serious Engine и сделать The Talos Principle одной из первых игр с поддержкой Vulkan. Отличная работа!"

Преимущества для разработчиков профессиональных приложений для Quadro:
· в наших драйверах Vulkan и OpenGL применяется бинарная архитектура, которая позволяет применять шейдеры GLSL в Vulkan. Разработчики могут или остаться на OpenGL, или перейти с OpenGL на Vulkan, чтобы воспользоваться преимуществами Vulkan. Например, благодаря многопоточной архитектуре Vulkan ядра CPU могут подготовить данные для GPU быстрее, чем раньше. Для приложений проектирования и создания цифрового контента это означает более высокую степень интерактивности при работе с большими моделями.

Еще несколько лет назад Apple представила новое графическое API - Metal. Отличие его от того же Scene Kit было в том, что он явялется не высокоуровневым API, работающим поверх OpenGL ES (мобильной версии OpenGL), а низкоуровневым API для рендеринга и вычислений, который может заменить собой OpenGL. По словам Apple, Metal на порядок быстрее OpenGL ES (правда, на деле в 10 раз быстрее происходят только вызовы отрисовки - draw calls, передача данных на GPU). Этот API доступен для всех устройств, работающих на процессоре A7 и новее, а так же на Mac начиная с 2012 года.

Принципы работы графических API

Для начала - что такое API? Расшифровывается это как Application Programming Interface, программный интерфейс приложения. Говоря простым языком - это готовый код, который позволяет существенно облегчить жизнь программисту при написании программ. По сути это некоторый полуфабрикат - основываясь на этом коде можно гораздо быстрее и проще написать свою программу.

Теперь разберемся с тем, как собственно сам GPU работает с API. Неверно думать, что вызов API напрямую работает с GPU, и тем более неверным является то, что GPU заканчивает обработку вызова при возвращении результата API. К примеру, если бы драйвер выполнял команды рендеринга в тот момент, когда они были созданы, то простаивал бы CPU, ожидая выполнения рендеринга. А после выполнения было бы наоборот - простаивал бы GPU, ожидая пока придут новые команды от драйвера.

По этой причине CPU и GPU работают асинхронно: графический драйвер сначала собирает все вызовы отрисовки для всего кадра, и только потом отправляет их на GPU. Далее, когда приходит команда на отрисовку следующего кадра, этот кадр уже будет обработан GPU. То есть мы получаем задержку в один кадр: пока CPU готовит вызов для текущего кадра, на GPU рендерится прошлый. На деле можно буферизировать и больше одного кадра, и тем самым получать большую частоту кадров: все зависит только от производительности процессора и видеокарты.

Нововведения в API Metal

В чем же плох метод, описанный выше? Он плох в том, что между GPU и API есть посредник - драйвер. И именно он управляет задержками. В API Metal же буферы команд открыты, и приложение может само их заполнять и отправлять их в очередь команд для выполнения на GPU. Таким образом, приложение имеет полный контроль над заданием и может управлять задержками. Более того - теперь можно легко параллелить команды и помещать их в буфер в определенном порядке, так как для программиста становится более очевидным то, какие результаты в каком порядке будут доступны.

Еще одно важное нововведение уже аппаратное: на процессорах Apple A7 и выше Metal заточен под работу с общей памятью, то есть CPU и GPU могут получать доступ к одним данным без необходимости перебрасывать их по шине PCI. Metal дает прямой доступ для программы к буферам CPU, и программист вполне может «смешивать» вычисления на GPU и CPU, что может существенно ускорить программу.

Реальный выигрыш от API Metal

Как я объяснял выше, каждый вызов отрисовки занимает некоторое время на CPU и GPU. Ренденринг на GPU сделать быстрее нельзя по очевидным причинам (он завязан только на производительность самого GPU), но можно выиграть в другом: во-первых, можно уменьшить время на передачу данных (так как Metal работает с общей памятью), во-вторых - уменьшить время обработки вызова на CPU. Время обработки вызова на CPU уменьшается за счет отсутствия посредника-драйвера и за счет параллельного построения буфера команд.

И тут возникает вопрос - а про какое десятикратное увеличение производительности вела речь Apple? Да вот именно про то, что время вызова на CPU теперь сильно меньше. Но вот GPU тут почти не затрагивается, так что в итоге напрямую улучшить графику за счет API Metal увы - нельзя. Но так как освободился процессор - его можно загрузить физикой: обсчетом физики частиц, взаимодействия множества объектов (все помнят сотню летающих обезьян на презентации iPhone 7?), обсчетом эффектов ткани и воды, и так далее. И так как этим раньше занимался GPU, то мы его освобождаем, и получается что косвенно он теперь может выводить лучшую картинку, что мы в играх (в том же Asphalt 8) и видим (обратите внимание на детализацию брусчатки и эффекты):

Взаимодействие OpenGL и Metal

Как видно из вышенаписанного - реально Metal улучшает жизнь процессору. Поэтому если система не поддерживает Metal, но имеет очень мощный процессор, то особого труда переписать игру под OpenGL нет - и именно это мы и видим в Vainglory под Android - для получения максимальной графики (уровень Apple A9) на OpenGL требуется топовый процессор уровня Snapdragon 820, который по голой производительности (во FLOPS-ах) мощнее A9 в два с копейками раза.

Apple Metal 2

На июньской презентации Apple представила новую версию Metal. Основные улучшения - это поддержка VR, машинного обучения и внешних GPU, что в теории позволит портировать под Mac игры с PC без всякого ухудшения графики (на данный момент порты большинства игр представляют собой по сути запуск Wine, что достаточно сильно снижает производительность и очень сильно отражается на и без того достаточно слабых GPU в Mac). Но как это будет реальности - увидим уже только в будущем.