Cartes graphiques PCI-Express

Ces dernières années, la carte graphique a, d'évolutions en révolutions, conquis ses lettres de noblesse pour s'afficher aujourd'hui sans complexe comme l'un des composants les plus importants de nos PC. Avec près de 200 millions de transistors les puces graphiques de dernière génération sont devenues plus complexes que les Processeurs et la guerre sans merci que se livrent ATI et NVIDIA fait que les générations de puces et de modèles dérivés s'enchaînent à une cadence effrénée. Alors qu'il y a à peine plus d'un mois NVIDIA, puis ATI, annonçaient en fanfare leurs nouvelles puces haut de gamme dernière génération : les GeForce 6800 et Radeon X800, les deux géants de la 3D nous proposent maintenant de nouveaux modèles utilisant l'interface PCI-Express.

Conscient que le lancement par Intel de la plate-forme PCI-Express est une transition majeure dans l'architecture des systèmes informatiques, ATI et NVIDIA fourbissent leurs armes depuis plusieurs mois déjà en vue de nous concocter des déclinaisons PCI-Express de leurs processeurs graphiques. Pour ce faire, les deux éternels rivaux ont choisi une approche différente tout en maintenant un partenariat étroit avec Intel pour la validation de leurs solutions. ATI a opté pour une implémentation native du bus PCI-Express au sein de ses VPU alors que NVIDIA a préféré recourir à un bridge également baptisé HSI. Qu'importe la solution technologique retenue, les premières Cartes Graphiques PCI-Express sont bel et bien là, et c'est pour nous l'occasion de découvrir les apports de cette nouvelle interface face aux actuelles solutions AGP.

ATI : PCI-Express natif !

ATI semble croire dur comme fer au PCI-Express et si nous partageons le point de vue de la firme canadienne sur le fait qu'à terme le PCI-Express remplacera l'AGP, nous restons plus prudents quand à la proximité de cette échéance. Pour faire face à la déferlante de solutions PCI-Express annoncée par NVIDIA lors du dernier CeBIT, ATI a profité du Computex pour lever le voile sur sa nouvelle gamme qui s'étale du X300 au X800 en passant par le X600. Il n'est pas question ici de nouveaux Processeurs graphiques ; le fondeur s'étant contenté de décliner ses puces existantes à la sauce PCI-Express. Le X300 est donc un dérivé du Radeon 9600, alors que le X600 se veut plus proche du Radeon 9600 XT, le X800 étant finalement identique au modèle AGP, exception faite, bien sûr de son interface de connexion. ATI a donc redéveloppé ses puces pour remplacer l'unité de connexion AGP par une unité PCI-Express afin d'éviter le recours à un bridge. Le fabricant tient à souligner qu'il propose par exemple deux versions physiquement différentes de son X800 qui, si elles partagent la même architecture, se distinguent par un BIF (Bus Interface) et un PHY différents. Du coup le terme de PCI-Express natif qu'utilisent certains pour qualifier la famille des puces PCI-Express d'ATI n'est pas véritablement approprié... En effet aucune de ces puces n'a été développée pour tirer profit de la bande passante délivrée par l'interface PCI-Express. Certains poussent ce raisonnement plus loin en affirmant qu'ATI s'est contenté de dissimuler un bridge AGP vers PCI-Express dans ses puces ; position qui nous paraît un petit peu extrémiste.

Quoiqu'il en soit, en choisissant de doter ses puces d'une interface PCI-Express embarquée, ATI fait le pari d'un décollage rapide de cette nouvelle norme. On pourra toutefois s'interroger sur la pertinence de proposer des X300 et X600 SE aux performances forcément très faibles, vu le coût des premières plates-formes PCI-Express. A quoi bon acheter une carroserie de Ferrari pour y mettre un moteur de 2CV ? D'un point de vue technique l'interface PCI-Express des puces ATI délivre une bande passante maximale de 4 Go par seconde, dans chacun des deux sens, ce qui répond aux spécifications du bus PCI-Express 16x. L'absence de bridge sur les solutions ATI devrait en théorie les favoriser, aucune latence supplémentaire n'étant induite...

NVIDIA ou la solution du bridge

NVIDIA a une fois de plus choisi de se démarquer en faisant bande à part... Sa famille de cartes PCI-Express fait en effet appel à une astuce technologique baptisée HSI pour High Speed Interconnect. Il s'agit pour la firme américaine de ne pas induire de coût supplémentaire pour ses partenaires et clients en ajoutant simplement une puce, ou bridge, à ses solutions AGP pour les faire passer en PCI-Express. La recette est donc simple puisqu'il suffit de prendre une puce GeForce FX 5700 AGP, de lui ajouter un bridge, pour qu'elle devienne un GeForce PCX5750 doté d'une interface PCI-Express. L'intérêt de cette solution réside avant tout dans sa flexibilité NVIDIA pouvant ainsi décliner au format PCI-Express l'ensemble de son catalogue de puces graphiques. Ainsi la firme au caméléon propose déjà les GeForce PCX 5300, 5750, 5900 ainsi que les GeForce 6800 GT et 6800 Ultra ! Gageons que d'autres modèles ne tarderont pas à faire leur apparition...

Décrié avant même d'être lancé, le bridge de NVIDIA a essuyé le feu de la critique à cause de diverses suspicions laissant croire à des capacités très limitées. Dans la théorie, le bus AGP offre en effet un débit de 2 Go par seconde dans son implémentation 3.0 avec un UpStream limité à 266 Mo par seconde. En partant de ce constat, il paraissait difficile, voir impossible, pour NVIDIA de faire fit des limitations inhérentes à l'AGP 8x pour offrir une solution capable de tirer profit des 8 Go par seconde cumulés du bus PCI-Express. D'où un postulat repris à l'unisson un peu partout visant à discréditer ce qui apparaissait alors comme un emplâtre sur une jambe de bois, ou plus exactement comme un entonnoir qui ne faisait que convertir l'AGP en PCI-Express, bridant par la même occasion les possibilités offertes par cette nouvelle interface. Ce que l'on ne savait pas à l'époque c'est que NVIDIA a développé l'ensemble de sa famille de processeurs GeForce FX avec une interface AGP 12x ou AGP 16x... Du coup le composant HSI peut adresser les processeurs NVIDIA en AGP 16x pour exploiter une bande passante de près de 4 Go par seconde. Reste un hic en la problématique de l'upstream qui est plus délicat. Si l'upstream est bien limité à 266 Mo par seconde, cela ne concerne que les PCI writes. En utilisant les AGP writes, l'upstream peut atteindre le maximum autorisé par l'AGP 16x à savoir à peu près 4.2 Go par seconde. Toutefois cette bande passante n'est pas cumulable avec le downstream, le HSI ne pouvant utiliser que les 4.2Go/s autorisé par l'AGP 16x. NVIDIA a donc conçu son bridge de façon à ce qu'il soit programmable pour utiliser par exemple 3 Go/s en downstream et 1 Go/s en upstream.


Vu comme cela le bridge paraît déjà plus beaucoup plus souple, d'autant qu'à l'heure actuelle aucune application, ni même aucun processeur graphique, n'a été conçu pour exploiter les ressources du PCI-Express. Comprenez par là que la bande passante de 4.2 Go que le bridge peut effectivement exploiter ne devrait pas trop limiter les performances des puces NVIDIA face aux 8 Go offerts par une interface PCI-Express native. Ajoutons à cela que la plupart des applications et jeux utilisent massivement le downstream et vous comprendrez pourquoi la solution du HSI n'est pas si catastrophique que ça...

Il n'en reste pas moins que la solution retenue par ATI est la meilleure, d'un point de vue purement technique puisque même si les puces du canadien n'ont pas été pensées pour exploiter la bande passante offerte par le bus PCI-Express elles bénéficient de temps de latence meilleurs. Les deux conceptions s'opposent et chacune a ses avantages ou inconvénients. On reprochera à NVIDIA les limitations techniques du bridge et le fait qu'il faille utiliser une puce supplémentaire, qui semble d'ailleurs quelque peu chauffer et on pourra reprocher à ATI le coût induit par le développement de nouveaux waffers et par la multiplication des déclinaisons de ses puces.

Les cartes PCI-Express

Pour ce test nous avons pu récupérer diverses Cartes Graphiques PCI-Express dont trois modèles NVIDIA et un modèle ATI. Chez NVIDIA nous allons nous pencher sur le GeForce PCX 5750 ainsi que sur deux GeForce 6800 PCI-Express : l'un en version GT, l'autre en version Ultra. Du côté d'ATI il faudra se contenter du X600 Pro, le canadien étant vraisemblablement quelque peu en retard.

MSI GeForce PCX 5750

La première carte que nous avons reçu est une GeForce PCX 5750 signée MSI. Arborant un PCB rouge, la carte était dotée d'un processeur GeForce FX 5700 agrémenté du fameux bridge. La solution de refroidissement employée par le constructeur taiwanais consiste pour le processeur en un radiateur cuivré au centre duquel tourne un ventilateur à pâles translucides ; le HSI étant pour sa part recouvert d'un radiateur cuivré. Les puces mémoire au format TSOP sont ici de marque Samsung et affichent un temps d'accès peu enviable de 3.6 ns. Question fréquences, la GeForce PCX 5750 est cadencé à 425 MHz pour le processeur et 250 MHz pour la mémoire, soit un peu moins que les fréquences de l'actuel GeForce FX 5700 (425 MHz pour le GPU et 275 MHz pour la mémoire). Offrant une sortie DVI et une sortie VGA, la carte de MSI ne nécessite aucun connecteur d'alimentation externe et propose une sortie vidéo.

NVIDIA GeForce 6800 Ultra & GT PCI-Express

Le GeForce 6 lancé somme toute récemment, nous revient donc en version PCI-Express. Pour l'occasion la puce que l'on connaissait sous le nom de code NV40 cède sa place au NV45. Techniquement le NV45 est strictement identique à son prédécesseur, aucune nouvelle fonction ne venant compléter le NV40. Seule l'intégration au sein même de la puce du HSI distingue le NV45 de son petit frère. Alors que sur les GeForce PCX le bridge est déporté en dehors du processeur graphique, il est ici intégré non pas directement dans le processeur, mais à-même son PCB en prenant la forme d'un deuxième die. Cette solution permet une meilleure intégration et pourrait dans la théorie améliorer les temps de latence induits par le bridge.


Nos deux nouveaux GeForce 6800 troquent leurs deux prises Molex pour un seul et même connecteur PCI-Express à six broches ; les buzzers présents sur les GeForce 6800 AGP disparaissant du même coup... Les systèmes de refroidissement des deux cartes n'évoluent guère et la seule différence frappante vient de l'autocollant apposé sur les radiateurs et représentant Nalu, la nouvelle égérie de NVIDIA. Si l'on se penche sur les fréquences, le GeForce 6800 GT que nous avons reçu est cadencé à 350 MHz pour le GPU et 1 Ghz pour la mémoire DDR3 tout comme son homologue en version AGP. Le GeForce 6800 Ultra se distingue par des fréquences plus élevées que la version AGP avec 435 MHz pour le processeur et 1.1 GHz pour la mémoire. Il semblerait pourtant que NVIDIA ait décidé de cadencer la version finale et commerciale du GeForce 6800 Ultra PCI-Express à "seulement" 400 MHz pour le GPU et 1.1 GHz pour la mémoire, soit les fréquences actuelles de son équivalent en AGP. Signalons enfin la présence sur la partie supérieure des deux GeForce 6800 d'un tout nouveau connecteur plat ressemblant à une interface PCI-Express, dont le rôle exact est pour le moment inconnu.

ATI Radeon X600 Pro

Chez ATI, le PCI-Express est l'occasion de découvrir le Radeon X600 Pro. Ce nouveau processeur gravé en 0.13µ low-k n'est en définitive qu'un dérivé du Radeon 9600 XT auquel ATI a substitué l'unité AGP par une unité PCI-Express au sein même du die. Avec le passage au X600, ATI a décidé de revoir ses fréquences de fonctionnement à la hausse et la version Pro ammène une cadence de 500 MHz pour le VPU et 365 MHz pour la mémoire. Physiquement, la carte que nous avons reçue adopte un PCB vert et reste plutôt compacte. Doté de 128 Mo de mémoire DDR au format BGA, le X600 Pro n'a recours à aucun adaptateur électrique supplémentaire. ATI a ici sélectionné des puces Hynix dont le temps d'accès est de 2.5 ns. Terminons par un mot sur le système de refroidissement composé du même radiateur noir avec ventilateur en son centre qui équipait déjà les Radeon 8500 ! Discrète la carte offre en sortie un connecteur VGA DB/15, une prise DVI et une sortie vidéo.


Pour tester les performances des nouvelles Cartes Graphiques PCI-Express nous avons employé la plate-forme de référence Intel dont le détail de la configuration figure ci-dessous :

• Intel D925XCV,
  
• Intel Pentium 4 Extreme Edition 3.4 GHz,
  
• 2x512Mo Corsair XMS2 PC4200,
  
• Disque dur Seagate 120Go Serial-ATA

Pour mesurer le gain découlant du passage au bus PCI-Express, nous avons employé une configuration AGP aussi proche de celle précédemment décrite comme vous pouvez le voir ci-dessous :

• Asus P4C800 Deluxe,
  
• Intel Pentium 4C 3.4 GHz,
  
• 2x512Mo Corsair TwinX PC3200 LL,
  
• Disque dur Seagate 120Go Serial-ATA

Nos deux systèmes employaient Windows XP Professionnel Service Pack 1 avec les derniers Drivers disponibles. Pour les cartes NVIDIA nous avons eu recours aux pilotes ForceWare 61.45, alors que nous avons employé les CATALYST 4.6 pour les cartes ATI.

Nous avons opposé aux nouvelles cartes PCI-Express leurs homologues au format AGP 8x, en les overclockant au besoin. Ainsi nous avons positionné en face du GeForce 6800 Ultra PCI-Express un GeForce 6800 Ultra overclocké à 435/550MHz et en face du Radeon X600 Pro, un Radeon 9600 XT overclocké à 500/365MHz. Les autres cartes n'ont pas été overclockées.

3DMark 2001 SE

Premier test de notre série, 3DMark 2001 SE montre que les versions PCI-Express des GeForce 6800 sont sensiblement plus rapides que leurs équivalents au format AGP. Le gain relevé est toutefois assez minime puisqu'il n'atteint que 4%. Côté ATI et si le Radeon X600 Pro est plus rapide que le Radeon 9600 XT en 1024x768, la donne s'inverse dès lors que la résolution augmente. Enfin, le GeForce PCX 5750 est ici moins performant que son concurrent le X600 Pro.

Return To Castle Wolfenstein

Jeu OpenGL, Return To Castle Wolfenstein dresse un tableau intéressant des performances des cartes PCI-Express. On note tout d'abord que le GeForce 6800 GT en version AGP 8x est 4% plus rapide que son équivalent au format PCI-Express. Le GeForce 6800 Ultra donne un résultat inverse puisque sa version PCI-Express est ici un peu plus véloce que la version AGP 8x. Tout comme avec 3DMark, le Radeon X600 Pro se révèle très légèrement plus rapide que le Radeon 9600 XT du moins en 1024x768, puisque la situation s'inverse en haute résolution. Du coup si les Radeon X600 & Radeon 9600 font mieux que le GeForce PCX 5750, ce dernier reprend l'avantage en 1280x1024 et plus encore en 1600x1200.

3DMark 2003

3DMark dans sa version 2003 ne nous éclaire guère plus sur le bus PCI-Express, les cartes NVIDIA affichant ici des performances similaires que ce soit en AGP ou en PCI-Express. Le Radeon X600 Pro est 2% plus lent que son prédécesseur le Radeon 9600 XT ici cadencé aux mêmes fréquences. Le GeForce PCX 5750 fait triste mine, le Radeon X600 étant près de 44% plus rapide.

AquaMark 3

D'après AquaMark 3.0 les cartes GeForce 6800 sont plus performantes lorsqu'elles utilisent le bus AGP. On note ici un avantage de 2% pour l'interface AGP 8x face au PCI-Express que ce soit pour la GeForce 6800 Ultra ou la GeForce 6800 GT. Les cartes du canadien ATI affichent des prestations similaires avec un très léger avantage pour la version AGP. Le GeForce PCX5750 termine pour sa part dernier.

Far Cry v1.1

Far Cry se montre assez instructif, l'interface PCI-Express affichant des résultats pour le moins mitigés. On constate tout d'abord que les performances du Radeon X600 s'écroulent face au Radeon 9600 XT avec une perte de performances de près de 27%. En 1024x768 les versions PCI-Express des GeForce 6800 se montrent jusqu'à 8% plus rapides que leurs semblables en AGP 8x. Ce bon résultat est très vite effacé dès que les résolutions s'élèvent, l'écart séparant le bus AGP de son remplaçant tombant à seulement 2%. On note par ailleurs que plus aucune différence ne sépare les GeForce 6800 GT en 1600x1200.

SplinterCell

Inspiré de l'univers de Tom Clancy, le jeu Splinter Cell affiche des performances similaires qu'il soit utilisé avec un Radeon X600 Pro ou un Radeon 9600 XT. Les cartes NVIDIA font un peu mieux, le bus PCI-Express apportant un semblant de performances supplémentaires. Le GeForce 6800 GT semble ceci dit moins sensible aux bienfaits du PCI-Express que son grand frère le GeForce 6800 Ultra. Les Radeon X600 & 9600XT sont ici près de deux fois plus rapides que le GeForce PCX 5750.

Tomb Raider - L'ange des ténèbres

Lara Croft nous aide à mieux cerner le phénomène qui se dessinait jusqu'à présent. Les GeForce 6 semblent en effet profiter du passage au bus PCI-Express pour afficher de meilleures performances dans les basses résolutions. Ainsi en 1024x768 la version PCI-Express du GeForce 6800 Ultra est 20% plus véloce que son équivalent AGP. En 1600x1200 ce formidable écart se réduit sévèrement puisque les versions AGP & PCI-Express sont à égalité... Ceci peut s'expliquer pas le fait qu'en 1024x768 les performances de la carte graphique sont limitées par le processeur, aussi la bande passante accrue offerte par le PCI-Express semble permettre le traitement de plus de données augementant de fait les performances de manière significative. En augmentant la résolution, le processeur graphique est massivement mis à contribution et l'impact du PCI-Express fond comme neige au soleil.

Unreal Tournament 2003

Les constatations que nous formulions précédemment avec Tomb Raider semble être d'actualité avec Unreal qui fait la part belle aux GeForce 6800 en PCI-Express. Le Radeon X600 Pro est toujours aussi peu convaincant avec des performances très légèrement inférieures à celles du Radeon 9600 XT, alors que le GeForce PCX 5750 termine dernier dans toutes les résolutions.

X2

D'après X2 les bénéfices du PCI-Express face à l'AGP sont pour ainsi dire inexistants nos cartes qu'elles soient signées ATI ou NVIDIA affichant des performances identiques.

3DMark 2001 SE - FSAA 4x

L'activation de l'anticrénelage sous 3DMark 2001 ne révèle aucune surprise, les GeForce 6800 en PCI-Express continuant à se montrer 4% plus rapides qu'en AGP 8x. Une fois encore le Radeon 9600 XT fait jeu égal avec le X600 Pro et le GeForce PCX 5750 fait bien pâle figure.

Return To Castle Wolfenstein - FSAA 4x/FSAA 4x & Aniso 8x

L'activation du FSAA 4x puis du FSAA 4x combiné à l'anisotropic filtering 8x ne bouleverse en rien les constatations que nous formulions au sujet des cartes ATI, le X600 Pro se montrant toujours un cran derrière le Radeon 9600 XT. Les cartes NVIDIA nous amènent cependant à des conclusions différentes : l'apport du PCI-Express est ici peu évident, le GeForce 6800 GT AGP étant plus rapide que son équivalent PCI-Express et devançant même le GeForce 6800 Ultra. On note par ailleurs que les performances des GeForce 6800 en version PCI-Express s'écroulent en 1600x1200 ce qui est vraisemblablement dû à un bug des pilotes...

Far Cry - v1.1 - FSAA 4x & Aniso 8x

Pour conclure ce test, nous avons choisi de relever les performances des différents protagonistes sous Far Cry avec les options d'anticrénelage activées. Le Radeon 9600 XT se montre ici 30% plus rapide que son équivalent en PCI-Express ! Les cartes NVIDIA ont un comportement quelque peu différent. On ne note en effet aucun différence de performances entre le GeForce 6800 GT en AGP et la même carte en PCI-Express du moins en 1280x1024 et en 1600x1200. Le GeForce 6800 Ultra semble plus rapide lorsqu'il exploite la connectique PCI-Express mais seulement dans les basses résolutions, aucune différence n'étant perceptible en 1600x1200 face à la version AGP.

Conclusion

Comme on pouvait le redouter, et en l'absence d'application adéquate, l'arrivée du bus PCI-Express au sein de nos machines ne révolutionne clairement pas les performances des Cartes Graphiques actuelles. Il faut dire qu'aucun des deux géants de la 3D n'a jugé bon de revoir en profondeur l'architecture de ses Processeurs graphiques. ATI et NVIDIA ont tout deux préféré décliner leur gamme actuelle en y ajoutant le support du PCI-Express soit de manière native soit par le biais d'un bridge. Que ce soit les Radeon ou les GeForce aucun des processeurs que nous avons pu tester n'a été connçu dès le départ pour tirer profit du bus PCI-Express et de ses ressources. Le résultat est flagrant puisqu'au travers de ce test nous avons en effet pu constater qu'à GPU identique, le passage de l'AGP au PCI-Express n'entraîne pour ainsi dire pas de gain substantiel. Les différents jeux utilisés montrent dans le meilleur des cas un gain maximum de 5%, pour bien souvent ne mettre en avant aucun gain voir même une perte de performances.

Il apparaît donc clairement qu'aujourd'hui le PCI-Express n'a pas d'intérêt pour le joueur acharné qui ne trouvera pas en lui de résultats suffisament tangibles pour migrer sa configuration. Si la transition de l'AGP au PCI-Express ne remplit pas encore ses promesses en terme de performances 3D, il ne fait cependant aucun doute que le PCI-Express est appelé à remplacer l'AGP dans un futur proche. Ce test montre aussi que les pilotes des cartes ATI & NVIDIA ne sont pas encore tout à fait adaptés au PCI-Express certaines anomalies majeures ayant pu être relevées de ci, de là. Enfin, on constate que le bridge retenu par NVIDIA n'est finalement pas une aussi mauvaise solution ; les cartes PCI-Express de la firme au caméléon affichant un comportement similaire voir supérieur aux solutions prétendues natives d'ATI.

En attendant l'arrivée de la première vague de processeurs graphiques réellement conçus pour le PCI-Express, il paraît donc sage de ne pas se ruer sur les cartes à ce format. Seuls les vidéastes pourront trouver dès maintenant un intérêt au PCI-Express qui leur ouvre de nouvelles possibilités. Reste à voir dans ce cas précis comment se comportent l'une et l'autre des solutions PCI-Express d'ATI et de NVIDIA, chose qui n'est pas encore possible à ce jour faute d'outils adaptés. Les joueurs pour leur part n'ont finalement plus qu'à ronger leur frein et à faire des économies en attendant, pourquoi pas, l'arrivée du PCI-Express 32x ! Question tarif enfin, NVIDIA souligne que ses cartes PCI-Express seront commercialisées aux mêmes prix que les modèles équivalents en AGP. Reste que si le prix de la carte graphique ne subit pas d'inflation, le prix des configurations PCI-Express est beaucoup plus élevé que celui des machines actuelles...