توضیح کامل گلوگاه به همراه بنچمارک و ویدئو (کامل ترین مقاله فارسی زبان گلوگاه)

مسئله گلوگاه (Bottleneck) یکی از مهمترین مشکلات تکنیکال در سخت افزار است.در گذشته با دو مقاله به Bottleneck پرداخته و آن را از منظر سخت افزار و شبکه مورد بررسی قرار داده ایم.اما از آنجایی که گلوگاه موردی بسیار حیاتی است،هر چه بیشتر از آن بدانیم بد نیست.در ادامه شاهد یک مقاله کامل از گلوگاه هستیم و در انتها یک ویدئوی بسیار جذاب،از تیم “لیون کامپیوتر” را شاهد هستیم.پس با ما همراه باشید تا اطلاعات خود در زمینه گلوگاه را یکبار برای همیشه کامل کرده و بر آن تسلط یابید.

دوره گرافیک های AGP به بیش از 12 سال پیش برمیگردد زمانی که کارت های گرافیک در بین اکثر بازی خور های آن زمان به دو رقم 128 و 256مگ تقسیم بندی می شدند. در آن زمان مهندسین کامپیوتر یا به اصطلاح نوستالژیک، خدمات کامپیوتری ها معتقد بودند که با ارتقا گرافیک، CPU و RAM همچنین پاور باید ارتقا پیدا کنند. اما واقعا گلوگاهی در این بین پیش می آمد یا مصرف کنندگان درگیر خرافاتی از این دست بودند؟ در عصر امروز که تکنولوژی با سرعت مداومی در حال پیشرفت است، هر ساله هر شرکت کوچک و بزرگی پرچم داری معرفی میکند، چه گوشی هوشمند باشد چه نسل جدید ازپردازنده ها؛ با این حال سال بعد تنها با حدس و گمان میشود مشخصات فنی پرچم دار بعدی را پیش بینی کرد. کامیپوترهای شخصی هم از این قاعده مستثنا نیست. هرچند میشود با اختصاص بودجه ی فقط یکی از قطعات رده بالای PC هایمان یک گوشی هوشمند مد روز خرید و سال بعد همان گوشی را فروخته و با اندکی افزایش بودجه دوباره پرچم دار سال اسمارت فون ها را تصاحب کنیم، ارتقا هر ساله کامپیوترمان چندان به این سادگی نیست.

با این حساب میتوان با قرار گیری در دسته بندی های مختلف اعم از گرافیست، طراح، تدوین گر و گیمر فقط یک قطعه حیاتی کیسمان را برجسته کنیم که بیشتر در روند کار ما تاثیر گذار است و تنها با ارتقای آن به مدل سریعتر و جدیدتر از قافله عقب نمانیم. اما آیا وقعا میشود با جیبی پُر از پول که برای گرافیک جدید له له میزند پا به بازار گذاشت و گرافیک جدید خود را به خورد مادربرد بدهیم و از CPU هم عاجزانه بخواهیم که هوای این میهمان فرخنده را داشته باشد؟ چه عواملی مانع این کار میشوند؟

مهم ترین عامل دخیل در عدم توانایی ارتقا، مبحث جدید و در عین حال قدیمی گلوگاه است. احتمالا تا حدودی با اصطلاح (Bottleneck) یا لفظ فارسی آن گلوگاه آشنا هستید. واقعا گلوگاه چیست؟ در زیر شاهد 3 تعریف به زبان ساده هستیم:

-اگه 200 دلار گذاشتی برای گرافیکت اما پردازندت ضعیفه گرافیکت به اندازه 150 دلارشو برات کار میکنه

-اگه گرافیکت از پردازندت سریع تر باشه گلوگاه میشی چون پردازندت نمیتونه پا به پای گرافیک کار کنه

-حالا که داری گرافیکتو ارتقا میدی باید پردازندتم عوض کنی چون گرافیک سریع تر از پردازنده باعث گلوگاه میشه

هرچند برتری پلتفرم PC نسبت به کنسول های سرگرمی مبحث ما نیست اما به خاطر وجود کانفیگ های مختلفی که میتوان از این ابر پلتفرم استخراج کرد مشکلات زیادی هم گریبان گیر آن است، که گلوگاه یکی از آنهاست و موضوع امروز ما. من گلوگاه رو اینطور تعریف میکنم که «هرگاه هر قطعه ای به دلیل ضعف دیگر قطعات نتواند کارایی مورد انتظار کاربر را فراهم کند مطمئننا پای گلوگاه در میان است» اما این ضعف از کجا برمیخیزد؟ واضح است. بودجه. اختصاص دادن بودجه نا درست و غیر متعادل به قطعات تشکیل دهنده یک PC ما را به گلوگاه نزدیک تر میکند. درست است که گرافیک بیشترین تاثیر را در اجرای مناسب و باکیفیت یک بازی دارد اما اما این دلیل مناسبی برای اختصاص بودجه های پایین به دیگر قطعات نیست. همان طور که امکان استفاده از یک سیستم توانمند و پر مصرف با منبع تغذیه های ضعیف غیر ممکن است؛و یا استفاده از هارد دیسک به جای حافظه سالید برای سیستم عامل با این استدلال که «در فریم بر ثانیه هر دو به یک اندازه کارایی میدهند» کاری بس ناجوانمردانه است.

حقیقت امر این است که رهایی کامل از دست گلوگاه امکان پذیر نیست و تنها میشود آن را به حداقل رساند یا نهایتا نامرئی کرد. زمانی ما به هیچ عنوان گلوگاه نداریم که همین اجرای به عنوان مثال یک بازی اول شخص؛ چه پردازنده چه گرافیک هر دو، تا 100% توانشان مشغول انجام وظیفه باشند. تا اینجای کار مشکلی نیست اما این مهم وقتی با شکست مواجه میشود که یک بازی RPG دیگر به آن ظرفیت پردازنده اصلی نیاز ندارد و در عین حال که با گرافیک گلاویز شده و وی را به زمین میزند تا از او فریم بر ثانیه بیشتری بیرون بکشد، هم زمان دست نوازش بر سر CPU میکشد و کاری با وی ندارد. این حالت به عواملی مثل مبحث بهینه سازی، محوریت پردازش بازی ها، موتورپایه ساخت بازی ها، سیستم عامل مورد استفاده ما و … وابسته است.

نکته مهم:

اما بد نیست بدانید که این مشکل تنها برای بازی های کامپیوتری وجود ندارد.شاید یکی از بدترین شرایط گلوگاه در هنگام انجام بازی ها رخ دهد،اما گلوگاه تنها در این قسمت رخ نمی دهد.گلوگاه می تواند در موتورهای پردازشی-مهندسی رندرینگ،سرورها،ارتباط شبکه-سخت افزار شبکه و…نیز به وجود آید.بسیار ساده است.به عنوان مثال یک سیستم را تصور کنید که در هنگام رندر یک متریال داخلی از نرم افزارهایی مانند 3DMax و یا حتی موتورهای رندر،دچار گلوگاه می شود.پردازنده گرافیکی در حداکثر لود کاری خود قرار گرفته است و کاربر در حال استفاده از Viewport و یا عملی مشابه است.در این هنگام درایوهای ذخیره ساز و از همه مهتر حافظه رم نیز به حداکثر توان عملیات مستقیم خود رسیده است؛اما پردازنده همچنان با نیمی از توان واقعی خود در خدمت کامپیوتر است.در نرم افزارهای مهندسی کاربران قادر به تنظیماتی نسبی در سخت افزارهای منبع هستند.به عنوان مثال 3DMax می تواند مواردی مانند انتخاب نوع پردازش (بر اساس CPU و GPU) را در اختیار کاربران قرار دهد.و یا موتورهای رندر بر پایه های متفاوت اعم از CPU Based و GPU Based هستند.در نتیجه یادتان باشد که گلوگاه تنها منوط به انجام بازی های کامپیوتری نیست!

میتوانید CPU را مشغول کنید و 1تا5 درصد افزایش کارایی داشته باشید یا اینکه کارت گرافیک خود را برای کاری که برای آن تعلیم دیده و آماده شده است به اجرای بازیتان با حداکثر تنظیمات و نهایت نرمی تصاویر وادار کنید.مشخصا گزینه دوم تا حدودی بهتر است.

اگر گرافیک شما حین اجرای یک بازی زیر 90% مشغولیت داشته باشد در عین حال که CPU شما در حال خفه کردن خود زیر فشار پردازش با اعدادی بالای 90% است؛ تسلیت عرض میکنم، شما در حال دست و پنجه نرم کردن با گلوگاه هستید. به همین سادگی. این به دان معناست که خواسته های گرافیک شما در هر لحظه بیشتر از چیزی است که پردازنده بتواند در اختیار او قرار دهد، پس گرافیک حین انجام وظیفه مقداری هم چُرت میزند چون کار فرمای وی به قدری کند است که نمی تواند دستوارت بعدی را به موقع برای او ارسال کند.

از آنجایی که پردازنده های مورد استفاده در اکثر سیستم های گیمینگ امروزی اینتل هستند و دسته بندی آن ها ساده تر است؛ بعلاوه سیستم تست ما، همچنین نمونه های موجود بیشتری از این برند در اختیار ما بود ما چهار پردازنده از خانواده Haswell را اینجا آوردیم تا در چهار دسته بندی مورد بررسی قرار بگیرند. چهار پردازنده در چهار کانفیگ مختلف در بخش هسته های واقعی و منطقی (رشته).

پردازنده i7 4790K با 4 هسته واقعی و 8 هسته منطقی

 پردازنده i5 4460 با 4 هسته واقعی و 4 هسته منطقی

 پردازنده i3 4130 با 2 هسته واقعی و 4 هسته منطقی

پردازنده Pentium G3240 با 2 هسته واقعی و 2 هسته منطقی

هرچند هدف آزمایش و نمودار های امروز روشن شدن محل وقوع حادثه گلوگاه است؛ اما میشود از این اطلاعات، مقدار هسته مورد نیاز برای بازی های مختلف را هم استنباط کرد. از این نظر که ما عمدا می بایست با گلوگاه رو در رو شویم، نیاز بود تا توان پردازش گرافیکی ما بسیار بالا تر از این باشد که پردازنده های ارزان تر و ضعیف تر، از ضعف گرافیک سوء استفاده کرده و «تاج و تخت کارایی بالاتر» پردازنده قوی تر از خود را با قیمت کمتر تصاحب کنند. همچنین قابلیت Intel Turbo Boost نیز از بایوس غیرفعال شده است.پس بعد از بررسی عوامل موجود کارت GTX 980Ti رد صلاحیت شد و با دو عدد برادر کوچک تر خود یعنی GTX 980 جایگزین گشت.با این کار، هم میتوان مقدار توان مورد نیاز یک کانفیگ چند گرافیکه از سمت پردازنده اصلی را به تصویر کشید هم توانایی بالاتر از GTX 980Ti را بدست آورد. در ضمن با کانفیک SLI، ما میتوانیم در عوض یک قشر به دو قشر از کاربران که قصد ارتقای گرافیک خود را دارند در این تست پاسخ دهیم. گروه اول کاربرانی که از یک نسل قدیمی تر مثل کپلر GTX 700 یا هم دوره آن از جبهه قرمز یعنی AMD Radeon نظیر R9 200 قصد کوچ به یک گرافیک جدید تر با قابلیت های بیشتر را دارند که در هر دو حالت امکان پذیر بود، اما حالت دوم مصرف کننده هایی که معتقدند عناوین جدید باعث شده که کارت های رده متوسط رو به بالایشان دیگر رمق قبل را نداشته باشند و حالا با وجود امکانات خوب که گرافیکشان در اختیار آنها قرار داده و همچنین با تغییر قیمت های اخیر کمر به دو گرافیکه شدن بسته و SLI و CF را در فاکتور خود جا داده اند.

نکته:

به یاد داشته باشید که کارت گرافیک های پاسکال در راه عرضه به بازار هستند.تابستان امسال می توانید شاهد کارت گرافیک هایی باشید که با خرید حتی یک عدد از آنها،از توانی برابر با پیکربندی Multi GPU-SLI بهره مند شوید.در نتیجه علاوه بر ذخیره بودجه مصرفی،می توانید مانور اصلی را متوجه پردازنده (CPU) نمائید.یادتان باشد که API های جدید مانند Vulkan نیز تا مقدار بسیار زیادی موجب کاهش سربارهای پردازشی و گلوگاه شده اند!

حالا که سخت افزار ما مشخص شد، بهتر است کمی هم در باره نرم افزار هایمان صحبت کنیم.از آنجایی که همچنان DX12 تکلیف مشخصی ندارد و مراحل آزمون و خطا را طی میکند، به عناوین قدیمی تر که به روانی کره روی نان ما پهن میشدند، رضایت دادیم و تمامی این عناوین خوش ساخت برای PC را بر روی سیستم عامل محبوب ماکروسافت ویندوز هفت نسخه 64بیت تست کردیم. بعد از نصب گرافیک های جدید نیاز بود تا راه انداز گرافیک خود را بروز رسانی کنیم. جدید ترین درایور در دسترس ما نسخه شایعه ساز 364.72 بود که بعد از تست با متد های مختلف اعم از نرخ بازسازی 144 هرتز و اجرای عناوین مختلف با و بدون ماژول G Sync همچنین رزولیشن های غیر معمول QHD و 4K … هیچ گونه مشکل یا ناپایداری دیده نشد. با این حال تست های ما در سه رزولیشن 1080×1920 و 1440×2560 و 2160×3840 که سه رزولیشن متداول بین گیمر هاست و به خوبی میتواند تفاوت بین این حالات را نشان بدهد، انجام شد.(هم اکنون آخرین نسخه از درایور انویدیا 368.22 در دسترس است).

از شرایط تست که بگذریم نوبت به اصل ماجرا یعنی نمودار ها می شود. همون طور که اطلاع دارید تست امروز ما رسیدن به مقدار خاصی از FPS یا فریم بر ثانیه نیست، در عوض گرافیک (ها) مورد بررسی قرار میگیرند تا بینیم کدام چینش از پردازش گرافیک ما در کنار کدام پردازنده شروع به از زیر کار در رفته و دچار گلوگاه خواهد شد. با این حساب با نمودار های متداول بررسی کارت های گرافیک رو به رو هستیم که قبلا خدمت مشابهشان ارادت داریم. اما به دلیل اینکه صنعت تصویر برداری محدودیت هایی دارد؛ نشان دادن تست های انجام شده در ویدئو این مقاله عملا بیهوده بود. چرا که اکثر دوربین های فیلم برداری 30 فریم هستند، مانیتور های اکثر ما 60هرتز هستند، هاست آپلود کننده به دلیل موقعیت کشورمان این ویدئو هارا به 25 فریم محدود میکند و تشخیص فریم بالاتر از 60 حتی در حالت زنده هم برای عده ای مقدور نیست چه برسد که ویدئو ضبط شده آن را بخواهیم به تصویر بکشیم. اما اگر خیلی ساده بخواهیم این اعداد را دسته بندی کنیم به این صورت می شود:

60 فریم و بالاتر = بسیار روان مناسب برای آنلاین های اول شخص و MMORPG

50 تا 60 = روان در حد 60

40-50 = روان اما قابل تشخیص و تفاوت نسبت به 60

30-40 = فریم مطلوب برای اکثر بازی ها

30 فریم = حداقل فریم مورد نیاز برای اجرا صحیح

25 فریم = لگ و تاخیر، سخت در نشانه روی

20 فریم = غیر ممکن در اسنایپینگ، لگ فراوان

15 فریم = غیر ممکن در نشانه روی، کلا لگ

10 فریم = تیراندازی به صورت شانسی، غیر قابل تحمل

5 فریم = غیر قابل بازی

اما نکته غیر عادی جدول سمت راست نمودار است که کمی کار را متفاوت از سایر بنچمارک ها میکند. در این جدول مقادیر حداکثر حافظه مورد نیاز کارت گرافیک + حداقل/حداکثر مشغولیت پردازنده، در دو حالت SLI و تکی نشان داده میشود. مشخص است که هر پارامتر با چارت روبه روی خودش متناسب شده تا پیدا کردن آن ها ساده باشد. مثلا جلوی نمودار پردازنده i3 در دقت QHD مقادیر همین پردازنده ثبت شده است. ذکر این نکته مهم است که تعریف گلوگاه زیر فشار رفتن پردازنده تا حداکثر توان آن نیست. شرایطی پیش خواهد آمد که پردازنده در عین حال که بسیار مشغول است از پس وظیفه خودش به خوبی بر آمده و به گرافیک اجازه کم کاری نمیدهد، پس گلوگاهی از سمت پردازنده اصلی نخواهیم داشت. تعریف گلوگاه حالتی است که کارت گرافیک در حداکثر کارکرد خود ناتوان باشد که معمولا با زیر فشار 100% پردازنده اصلی همراه است.مثال تصویر زیر:

خب وقتش رسیده که بعد از ذکر مشخصات سیستم تست، نمودار ها را مورد بازدید قرار بدهیم:

CPU : (Turbo Boost Disable)

i7 – 4790K @ 4.0GHz (4/8) 8MB

 i5 – 4460 @ 3.2GHz (4/4) 6MB

i3 – 4130 @ 3.4GHz (2/4) 3MB

Pentium – 3240 @ 3.1GHz (2/2) 3MB

 MB : GIGABYTE 1150 Sniper Z87

RAM : AData 4x4GB 2400 XPG v2

VGA : Zotac GTX 980 4GB AMP! x2

 PSU : Enermax Platimax 1000w Cooler : Corsair H90

SSD : Hyperx 3K 120GB

 HDD : WD Black 4TB VGA Driver : Geforce 364.72

OS : Microsoft Windows Se7en Ultimate x64

Crysis 3

Dirt Rally

GTA V

Far Cry 4

Hitman

Battlefield 4

The Witcher 3

GRID Autosport

Ungien Heaven

Ungien Valley

همان طور که دیدید غیر از پردازنده Pentium سایر پردازنده ها، حداقل در حالت تک کارت بسیار خوب عمل کردند. اما احتمالا برای شما سوال شده که چرا گلوگاه بیشتر گریبان گیر دقت FHD است در حالی که دقت مناسب گیمرها است و این در حالی است دقت UHD که شرایط سنگینی برای گرافیک ایجاد میکند جان سالم بدر برده است؟ جواب خلاصه این سوال این است که: چون دقت UHD چهار برابر FHD پیکسل دارد،کارت گرافیک به شدت در تلاش است تا همین فریم جاری را رندر کرده و به تصویر بکشد، پس احتیاج کمتری به پردازنده برای ادامه و ارسال دستورات بیشتر دارد چرا که همین حالا هم کلی کار دارد؛ در صورتی که دقت FHD گرافیک تنها با دو میلیون پیکسل سرو کار داره و رندر کردن این مقدار پیکسل به قدری سریع انجام میشود که گرافیک دست خالی و بیکار به ناچار منتظر پردازنده است تا اوامر بعدی را دریافت کند، به همین خاطر گلوگاه از سمت پردازنده ایجاد میشود. پس می شود نتیجه گرفت که هرچه دقت پایین می آید، گلوگاه بیشتر خواهد شد. مانند اینکه پردازنده Pentium برای صنعت گیم احترامی قائل نشد و بازی بسیار پُر لگ به اجرا در می آمد و باگ هایی را به جا می گذاشت، در طرف مقابل i3 بسیار فراتر از انتظار ظاهر شد و به غیر از SLI توانست مثل i5 عمل کند چون در واقع هر دو 4 هسته منطقی دارند و بازی ها این وسط گول میخورند و برای هر پردازنده و چهار هسته آن ها به یک اندازه ارزش گذاشتند و سعی کردند از این منابع حداکثر استفاده را ببرند. از طرفی در این تست فقط i7 بود که به هیچ مشکلی نخورد مخصوصا در حالت SLI که خودش توجیه کننده منطق خرید پردازنده i7 فقط برای پیکر بندی Multi GPU در صنعت PC Gaming میشود.

ذکر دو نکته را فراموش نکنیم. اول اینکه شاید این استنباط را بکنید که پس خرید پردازنده i7 هیچ منطقی ندارد و بهتر است پردازنده های نسل جدید i3 را مورد انتخاب قرار دهیم. هرچند نمی شود این فرضیه را صد در صد اشتباه اعلام کرد اما با پردازنده بهتر  ضمن بحث آینده نگری فضا برای سایر پردازش ها حین اجرای بازی باز می ماند؛ مثل یک کپی در حال انجام، پخش موزیک، جستجو در وب و… اکثر پردازنده های خانواده i3 از قابلیت اورکلاک به صورت عرف معمول بی بهره اند در حالی که حتی پنتیوم هم یک نمونه اورکلاک شونده مثل 3258 در کارنامه خودش دارد. در ضمن PC همان طور که شعارش را سر میدهیم، PC فقط برای گیم نیست و خیلی از کاربری های دیگر PC هست که همین i7 های 4 هسته ما هم برایشان کم است. اما برای کسانی که پردازنده i5 دارند و قصد SLI داشته اما فکر میکنند که راه برای آن ها بسته است. اگر پردازنده شما از سری K هست این مسئله که اورکلاک در رفع گلوگاه تاثیر دارد مثل روز روشن است اما تا چه حد در برطرف کردن گلگوگاه SLI موثر است؟ اما برای آن دسته i5 های که اورکلاک نمیشوند و حتی i3 ها راه حل چیه؟ راه حل، سازش در کنار گلوگاه هست. اگر پلتفرم شما قدیمی است مثلا Z77 و یک پردازنده i3 یا i5 قدیمی از سوکت 1155 دارید و به تازگی کارت گرافیک های GTX980/970 را خریداری کرده اید، و امید داشته اید که در آینده آن ها را به دو عدد تبدیل خواهید کرد، اما با وجود این تست گلوگاه رو جلوی خودتون میبینید ، راه برای شما هم باز است حتی اگه پردازنده شما اورکلاک نمیشود. اگر واقعا قصد دارید در آینده روی پلتفرم جدید مثل DDR4 بیایید پس با خیال راحت در صورت باز بودن شرایط، کارت دومتان را تهیه کنید. یادتان باشه گلوگاه یک رویداد است نه حادثه. اتفاقی که برای شما می افتد این است که در کنار افزایش فریم که مشخص است، کارت شما چون دچار گلوگاه شده فقط با قدرت کمتری کار میکند و این یک مزیت دارد آن هم اینکه وقتی فشار روی گرافیک کم بشود؛ مصرف انرژی، تولید حرارت و دما، دور فن و نویز پایین تر می آید. پس یعنی شما متضرر نبوده اید.

ممنون که با این مقاله همراه ما بودید. امیدوارم این نوشتار در کنار ویدئو آن بتوانند هم دیگر را تکمیل کنند و در نهایت با از بین بردن یک سری فرضیه های غلط به اسمبل و انتخاب صحیح تر شما و دیگران کمک شایانی کرده باشد.

با تشکر از گروه لیون کامپیوتر