測試/朱輝杰 聞波

撰文/朱輝杰

NVIDIA Quadro M6000 24GB應(yīng)用性能測試
——萬元專業(yè)顯卡的價值在哪里？

測試/朱輝杰 聞波

撰文/朱輝杰

引文

對于利用三維軟件進(jìn)行機電產(chǎn)品和建筑設(shè)計的工程師或設(shè)計師而言，專業(yè)顯卡并不陌生。這種專門開發(fā)的圖形加速卡，被安裝在圖形工作站中，針對CAID、CAD/CAM和CAE等應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的功能認(rèn)證和性能優(yōu)化，不僅保證了專業(yè)圖形創(chuàng)建工作的高性能和高效率，還最大程度地提供了軟硬件功能兼容性和穩(wěn)定性。

雖然都是“顯卡”，普通顯卡提供日常影像顯示和三維游戲圖形加速，屬于娛樂工具，而專業(yè)顯卡則主要應(yīng)用于專業(yè)圖形創(chuàng)建、大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化和GPU計算加速，是工程師和設(shè)計師的“生產(chǎn)工具”。為此，專業(yè)顯卡的價格往往遠(yuǎn)高于普通顯卡。

目前市場上的普通顯卡，即使是最頂級、最燒包的游戲顯卡Geforece GTX TITAN X，單片價格也不超過萬元。而在本文中，我們將測試的NVIDIA專業(yè)顯卡Quadro M6000 24GB，市場價格超過人民幣40，000元！這是目前能買到的頂級性能的專業(yè)顯卡之一。Quadro M6000 24GB采用的GPU GM200和Geforece GTX TITAN X是類似的，但前者的價格是后者的五倍！

驚人的價格能否帶來驚人的性能？作為“生產(chǎn)工具”，Quadro M6000 24GB在實際專業(yè)圖形軟件環(huán)境中，能否爆發(fā)與價格相配的能量？哪些行業(yè)、哪些工作需要Quadro M6000 24GB這樣的怪獸級專業(yè)顯卡？我們將通過一系列的應(yīng)用實測去尋找答案。

認(rèn)識NVIDIAQuadro M6000 24GB和測試平臺

在正式測試開始之前，我們先了解一下NVIDIA Quadro M6000 24GB。

2015年，NVIDIA就已經(jīng)發(fā)布了Quadro M6000這款定位超高端的專業(yè)顯卡，當(dāng)時的Quadro M6000配備了12GB的GDDR5顯存，顯存的位寬是384bit，采用28nm制程的Maxwell GM200 GPU，最高GPU工作頻率達(dá)到1140MHz，提供3072個CUDA核心，192個紋理單元，其單精度浮點性能達(dá)到了7TFlops。2016年3月，NVIDIA直接將Quadro M6000的顯存翻了一倍，發(fā)布了24GB版本的Quadro M6000。

新版本的Quadro M6000提高了顯存容量，以應(yīng)付更大規(guī)模的三維圖像處理任務(wù)。對于三維建模和大規(guī)模圖形可視化用戶而言，圖形、圖像的整體規(guī)模，分辨率和精度正迅速提高，幾GB容量的模型和場景并不稀奇，在影像工業(yè)、企業(yè)級VR和地球物理等領(lǐng)域，數(shù)十GB的場景已經(jīng)進(jìn)入實用階段，這直接推動高端專業(yè)顯卡的顯存容量進(jìn)入賽跑階段。

Quadro M6000 24GB版本的另一個亮點在于“顯卡的工作頻率和溫度控制更聰明”。出于散熱、穩(wěn)定性和系統(tǒng)能耗控制的原因，即使是高端的專業(yè)顯卡，核心頻率也不是越高越好。NVIDIA更早采用GK110核心的高端專業(yè)顯卡產(chǎn)品Quadro K6000和采用GM204核心的Quadro M4000，核心頻率均未超過1000MHz大關(guān)。而2015年發(fā)布的Quadro M5000和Quadro M6000首次將頻率突破1000MHz，熱設(shè)計功耗直奔250W，負(fù)載峰值的發(fā)熱將十分驚人。這使得配備Quadro M6000的工作站，必須具有足夠強大的供電系統(tǒng)，散熱也必須非常優(yōu)秀。2016年更新的Quadro M6000 24GB，讓核心頻率隨著應(yīng)用負(fù)載的變化更為“聰明”地匹配，從而改善功耗和散熱表現(xiàn)，對于長時間、高負(fù)載應(yīng)用場合，進(jìn)一步提高了穩(wěn)定性。

表1　2015～2016典型高端專業(yè)卡，顯存越來越大，能耗越來越高

為了測試Quadro M6000 24GB，我們組建了比較貼近企業(yè)現(xiàn)實“工況”的圖形工作站，其配置如下：

表2　測試平臺的配置情況

在接下來的測試中，我們將使用工作站基準(zhǔn)測試程序SPEC Viewperf 12，三維設(shè)計軟件西門子NX、Autodesk AIP，產(chǎn)品方案逼真渲染軟件Showcase，以及多物理場仿真軟件COMSOL進(jìn)行實際模型和算例測試，以驗證NVIDIA Quadro M6000 24GB的性能和穩(wěn)定性表現(xiàn)。

開始實戰(zhàn)

SPECviewperf 12基準(zhǔn)測試

圖2　SPECviewperf 12由SPEC組織提供，該組織成員包括大部分工作站和顯卡廠商

SPECviewperf 12是最新版本的工作站基準(zhǔn)測試程序，用于測試工作站的在綜合圖形性能，它包含了CATIA（catia-04）、Creo （creo-01）、Energy （energy-01）、Maya （maya-04）、Medical （medical-01）、Showcase（showcase-01）、Siemens NX （snx-02）和Solidworks（sw-03）共八個獨立測試環(huán)境，以實景化模擬方式運行，幾乎囊括了線框計算、動態(tài)渲染、實體操作和規(guī)模數(shù)據(jù)可視化等所有常見的專業(yè)圖形模式，能比較全面、公正地衡量系統(tǒng)的圖形性能。

SPECviewperf 12是SPECviewperf變動較大的一個版本，相比10和11版本，測試項目和模型、場景有了大幅度的更新，提高了測試應(yīng)用軟件的版本，對OpenGL和DirectX API進(jìn)行了版本更新，提高了測試系統(tǒng)的硬件門檻（包括主頻、內(nèi)存容量、分辨率、API版本等）。因此，SPECviewperf 12對顯卡性能的要求更苛刻，在12版本得出的測試成績，失去了和早期版本SPECviewperf橫向?qū)Ρ鹊囊饬x。

圖3　catia-04，CATIA模擬測試，基于V6 2012版本，模型規(guī)模大于上一版本

圖4　maya-04，Maya測試場景，基于2013版本，樣例場景更新

圖5　showcase-01，基于數(shù)字樣機應(yīng)用普及，新增Showcase場景，采用2013版本

從測試成績看，Quadro M6000 24GB確實體現(xiàn)出了高端顯卡的性能水平，例如在Siemens NX 8.0版本的大規(guī)模實體和線框模型測試中，166.92的分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于大部分中端專業(yè)顯卡100上下的水準(zhǔn)，而普通顯卡在此類測試中不僅分?jǐn)?shù)會慘不忍睹，還會出現(xiàn)破面和貼圖問題（主要會出現(xiàn)在Creo和NX、SW測試中）。

此外，我們在SPECviewperf測試環(huán)節(jié)進(jìn)行了循環(huán)測試，循環(huán)次數(shù)設(shè)定為8，連續(xù)運行超過33小時后，顯卡始終保持穩(wěn)定，而且沒有因為頻率負(fù)載優(yōu)化降低性能。

圖6　snx-02測試，Siemens NX應(yīng)用測試，基于8.0版本，模型規(guī)模大幅度提高

表3　SPECviewperf 12的測試得分情況

Siemens NX應(yīng)用實測

在此環(huán)節(jié)，為了盡可能的貼近大多數(shù)讀者的應(yīng)用環(huán)境，我們選擇了用戶基礎(chǔ)更廣泛的Siemens NX 9.0版本，而不是更新的10.0版本。NX是集成產(chǎn)品設(shè)計、工程與制造于一體的解決方案，是國內(nèi)用戶群最大的高端交互式CAD/ CAM（計算機輔助設(shè)計與計算機輔助制造）系統(tǒng)。

由于用戶集中在汽車、船舶、新能源和大型裝備等行業(yè)，Siemens NX經(jīng)常被用于創(chuàng)建和處理高精度的大體量產(chǎn)品模型，其對顯卡的性能需求非常高。NX軟件的用戶最好使用經(jīng)過西門子官方認(rèn)證的專業(yè)顯卡，以保證實現(xiàn)完整的功能，確保穩(wěn)定性。使用普通的顯卡，在NX軟件中模型很容易出現(xiàn)顯示不全、黑面、暗邊和目標(biāo)點選不中等問題，而Quadro M6000是經(jīng)過了西門子官方認(rèn)證的專業(yè)顯卡。

我們測試了兩個范例模型，一個是拉拔機生產(chǎn)線模型，包括拉拔機生產(chǎn)線本體和數(shù)字模型人，用以驗證生產(chǎn)線的工況和流程；另一個是某商用飛機總體數(shù)字化模型。前者選自實際大規(guī)模生產(chǎn)線設(shè)計項目，包含全部動力系統(tǒng)、操作執(zhí)行機構(gòu)和緊固連接件，模型規(guī)模超過1GB。后者是獲獎的建模設(shè)計項目，模型細(xì)節(jié)豐富，包含超過5400多個零部件（含重復(fù)件）。

圖7　拉拔機生產(chǎn)線，使用NX 8.0版本設(shè)計，在NX 9中進(jìn)行模擬測試

我們在軟件中對這兩個模型進(jìn)行實體旋轉(zhuǎn)、平移和剖切，調(diào)整各種視角，并進(jìn)行軟件內(nèi)的渲染。系統(tǒng)出乎意料的快，各種操作幾乎沒有延遲，只是可能由于系統(tǒng)I/O瓶頸，在線框模式下稍顯停滯，硬盤燈狂閃。

圖8　拉拔機生產(chǎn)線，全數(shù)字化的生產(chǎn)線驗證

圖9　某商用飛機整體數(shù)字化模型，加載數(shù)據(jù)過程有些緩慢，但模型操作流暢

圖10　某商用飛機數(shù)字化模型的動力系統(tǒng)

Quadro M6000確實沒有辜負(fù)其40000元以上的價格。

Autodesk AIP應(yīng)用實測

相比定位高端的Siemens NX，AutodeskInventor則是定位中端的三維設(shè)計軟件，其用戶人群同樣十分廣泛，特別是通用機械設(shè)計、通用零部件和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備等領(lǐng)域，擁有越來越廣泛的用戶基礎(chǔ)。AutodeskInventor版本更新很快，我們在本次測試中使用群眾基礎(chǔ)最好的AutodeskInventor 2015版本。

測試項目包括兩個。

第一，直徑1600mm主樁、副樁液壓倒樁臺車裝置。這是實際環(huán)境的大型非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計項目，包含主樁、副樁兩部分，其中不僅含有全套的油缸滑輪總成，還包括全套的桿、板、柱、筋和架結(jié)構(gòu)，模型總體規(guī)模龐大。按照此類設(shè)備的實際設(shè)計環(huán)境（因為主體是鋼結(jié)構(gòu)），我們沒有設(shè)定任何不必要的材質(zhì)和光。操作中，十分流暢，只有切換二、三維視圖時，稍有停滯，但幾乎不影響實際工作。

第二，3000KW水下泥泵齒輪箱的動畫渲染和輸出。水下泥泵齒輪箱的結(jié)構(gòu)簡單，但體量巨大，而且進(jìn)行實時、動態(tài)的渲染和播放，以檢驗各部件的運動情況，這是AutodeskInventor用戶常用的工作內(nèi)容。這個工作比較挑戰(zhàn)顯卡的渲染和計算能力。實際效果和我們預(yù)期類似，整體過程流暢，速度飛快。而且當(dāng)我們將輸出分辨率提高到2K水準(zhǔn)后，仍然保持流暢。

我們連續(xù)渲染多次，不斷提高分辨率，最終結(jié)果幾乎都在一分鐘內(nèi)完成，這對設(shè)計工作的遲滯可以忽略不計。當(dāng)然，此類機械部件項目雖然體量巨大，但往往材質(zhì)和光源要求不高，作為高端顯卡Quadro M6000，也是應(yīng)有的表現(xiàn)。

圖11　直徑1600mm主樁液壓倒樁臺車裝置

圖12　3000KW水下泥泵齒輪箱的渲染模擬動畫，用于驗證部件的運動情況和實際工況

Showcase應(yīng)用實測

Showcase是強大的數(shù)字樣機創(chuàng)建工具，此前是獨立的軟件解決方案，后被Autodesk收歸旗下。

因為創(chuàng)建物理樣機的過程和成本都很高，在產(chǎn)品驗證階段使用Showcase創(chuàng)建逼真的數(shù)字樣機，可以實現(xiàn)保持高效的同時，大幅度降低成本，因此受到了汽車、電器、消費品等領(lǐng)域用戶的歡迎。

巧妙地應(yīng)用Showcase軟件，結(jié)合Quadro M6000此類專業(yè)顯卡的高性能，創(chuàng)建、渲染的逼真數(shù)字模型，幾乎在材質(zhì)、光感上可以亂真。

我們在這個環(huán)節(jié)的測試中使用了某航天企業(yè)工程師設(shè)計的“手電鉆”方案，合理設(shè)定材質(zhì)和光源后，進(jìn)行高分辨率渲染，結(jié)果如下圖。

圖13　手電鉆照片級渲染，每個零部件的材質(zhì)都是單獨選擇的

圖14　更換攝像機（視角）、光源、材質(zhì)和分辨率后，多次渲染的效果始終保持高速、流暢

我們選擇的背景不太好，降低了整體質(zhì)感。但是，手電鉆模型本身的真實感一流。Showcase針對NVIDIA的專業(yè)顯卡有優(yōu)化，可以最大程度地發(fā)揮GPU硬件渲染的效能，加上Quadro M6000的硬件性能給力，整個渲染過程可用高速來形容。工程師日常渲染（中等分辨率）大約需要5分鐘（某品牌工作站），而在我們的Quadro M6000測試平臺上，僅僅用了59秒，過程中，GPU幾乎全速工作。

這種效率正是實際工作中工程師需要的，省下的時間可以多做些任務(wù)，當(dāng)然，也可以去抽根煙。

COMSOL分析計算應(yīng)用實測

COMSOL是多物理場建模和仿真分析軟件，COMSOL起初只是Matlab的一個工具箱——Toolbox 1.0。后來改名為Femlab，開始為行業(yè)用戶所熟悉和應(yīng)用。從3.2版本開始，正式命名為COMSOL Multiphysics。這個軟件的優(yōu)勢就在于多物理場耦合方面，這套軟件曾經(jīng)被NASA技術(shù)雜志選為“年度最佳產(chǎn)品”。

COMSOL Multiphysics對Quadro M6000壓力不在于建模、渲染，而在于GPU輔助計算能力。COMSOL Multiphysics是支持多核心、多線程CPU和GPU加速的仿真分析軟件之一，而且解算效率非常高。

我們在本測試中進(jìn)行了一個相對簡單的流固體耦合算例，僅用于驗證和測試Quadro M6000的GPU加速能力。

實際測試中，我們首選關(guān)閉解算器的GPU輔助加速，整個項目計算時間需要662秒。然后，我們打開GPU加速，結(jié)算時間縮短為192秒，縮短了70%的時間！

圖15　COMSOL Multiphysics流固耦合計算項目的網(wǎng)格劃分情況

本測試選擇的模型結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)格劃分也比價粗疏，仍然節(jié)省了70%的時間。我們可以設(shè)想，那些往往需要數(shù)個、十?dāng)?shù)個小時解算的項目，如果采用了Quadro M6000的GPU加速，將帶來多大的價值。例如，下圖的民用船舶設(shè)計中，進(jìn)行相應(yīng)的初步流體分析，就可以利用GPU加速能力。

圖16　NX中設(shè)計的高速摩托艇，同樣可以在流體分析軟件中利用GPU加速

另外，我們在測試中發(fā)現(xiàn)，GPU加速開啟后，解算器對GPU的占用還是比較高的，同期進(jìn)行其他圖形計算工作會受到一定影響。因此，這種應(yīng)用模式對于規(guī)模大的項目，比較適合利用空余時間集中解算。對于設(shè)計中的簡單實時驗證分析，則可以高效完成。

測試結(jié)論

經(jīng)過基準(zhǔn)測試和一系列三維設(shè)計、渲染（靜態(tài)、動態(tài)）和仿真分析實景測試，從高端三維軟件到流行三維軟件，從飛機、汽車體量的模型到生產(chǎn)線、非標(biāo)準(zhǔn)工具模型，從輔助建模到GPU加速解算，Quadro M6000 24GB證明了其定位和價值。幾乎所有的項目都保持了全流程的順暢，而且依靠ISV認(rèn)證NVIDIA驅(qū)動，各種模型顯示不存在任何現(xiàn)實錯誤和缺陷，個別需要效率的項目（如渲染和解算）確實有助于大幅度提高工作效率、縮短工作周期。

需要說明的是，在本次測試中，我們沒有設(shè)置任何二維項目，以Quadro M6000 24GB的性能和定位，應(yīng)付二維圖形實在是太容易了。我們也沒有進(jìn)行普通商業(yè)圖形和消費娛樂圖形傾向的基準(zhǔn)測試，這些都不是Quadro M6000的目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境，畢竟沒什么人花幾萬元購買Quadro M6000 24GB僅僅是為了畫拓?fù)鋱D或玩游戲的吧。

那么，在制造業(yè)和建筑業(yè)領(lǐng)域，誰是Quadro M6000 24GB的核心用戶呢？航空航天、汽車、船舶、大型裝備和建筑設(shè)計等領(lǐng)域的用戶顯然對上號了。這些行業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品價值和利潤較高，以Quadro M6000 24GB生產(chǎn)工具的定位，其價格并不是不能接受。這些行業(yè)的一套加工設(shè)備、檢測設(shè)備動輒百萬、千萬，單套產(chǎn)品的價值從十幾萬、幾十萬到上億元，在產(chǎn)品總體設(shè)計和產(chǎn)品驗證環(huán)節(jié)采用幾萬元的專業(yè)顯卡，從而顯著提高效率、減少設(shè)計驗證的迭代次數(shù)、縮短設(shè)計周期，是非常合理的。另外，這些行業(yè)的產(chǎn)品體量大，模型和場景數(shù)據(jù)量大，需要Quadro M6000 24GB的高性能加持。

實際上，高端行業(yè)用戶的需求是沒有上限的，越強越好，越強越不嫌強。單片的Quadro M6000 24GB顯然離需求上限還遠(yuǎn)，規(guī)模更大、更復(fù)雜的模型和場景，系統(tǒng)集成度越來越高的產(chǎn)品，制造業(yè)和建筑業(yè)不斷整合的業(yè)務(wù)流暢，會不斷推高圖形、圖像處理的性能需求。

注：

（1）感謝NVIDIA公司提供本次測試用Quadro M6000 24GB顯卡。

（2）感謝來自上海鉅立、泰安航天特種車、江蘇圣潔達(dá)、上海交通大學(xué)等企業(yè)和機構(gòu)的工程技術(shù)人員在本次測試過程中提供的幫助。