智能显卡切换 NVIDIA OPTIMUS全解析

什么是NVIDIA OPTIMUS技术？

· 导语

　　长期以来，笔记本设计总是存在一个难题，那就是如何在性能和续航之间找到平衡点。我们看到现在的大多数机型，要么拥有强劲的硬件配置，但拔掉电源就只能工作两三小时；要么能持续使用六小时以上，但处理器和显卡配置又差强人意。

　　为了解决这个难题，近几年来出现了双显卡切换技术，用户可自己决定要高性能还是高续航，但它们还不够智能化，多数需要用户手动切换，有些甚至重新启动后才能正常工作，最重要的是，它们无法根据系统负载情况自动切换。

智能显卡切换 NVIDIA OPTIMUS全解析

　　NVIDIA公司最新公布的OPTIMUS技术正是在这方面有所突破，它可以根据系统负载的高低，来自动判断该用独显还是集显，这样就在始终保持良好性能的同时，尽可能地延长电池续航时间。简而言之，就是今后的显卡也更“聪明”了。

第一代显卡切换技术回顾

· 第一代显卡切换技术回顾

　　2006年2月28日，索尼推出了全球首款双显卡切换笔记本：SZ系列，它配备了GeForce Go 7400独显与GMA950集显两颗图形芯片（后来升级为8400M GS与GMA X3100），只需轻轻拨动键盘上方的快捷键即可实现切换。

　　这款具有革命性改进的笔记本，也一度获得了众多商务用户的青睐，许多人都喜欢在固定场所使用独立显卡（电源供电），在户外使用集成显卡（电池供电）。

首款具备双显卡切换功能的索尼SZ笔记本

　　但是，索尼SZ也有不尽如人意的地方，就是每次都需要重启系统，才能让另一颗图形芯片开始工作。这意味着用户如果想切换的话，必须先保存并关闭所有正在运行的程序，然后重新启动，这多少显得有些麻烦。

以前是硬件切换，现在是软件切换

　　究其原因，当时的显卡切换是由硬件控制的，我们仔细观察索尼SZ的主板，就会看到许多细小的Mux（多路复用器），由它们来决定来让哪个显卡工作。这种设计增加了主板尺寸和PCB层数，既提升制造成本，又存在工作寿命的问题。

第二代显卡切换技术回顾

· 第二代显卡切换技术回顾

　　2008年，NVIDIA公司推出了由软件控制的双显卡切换技术：Hybrid图形模式，它最大的改进就是切换时无需重启系统，比起索尼SZ来说确实方便了很多。但是，它只能通过改变电源管理模式来实现，设置起来还是比较麻烦，而且有时用户自己也弄不清当前是哪个显卡在工作。

NVIDIA曾经的双显卡切换技术

　　与此同时，AMD-ATI也推出了双显卡切换技术，它将切换选项集成到图形控制面板和右键菜单中，在桌面上点右键即可找到该选项，从而快速打开切换软件，操作起来更为方便一些。此外，部分机型甚至还有CrossFire功能，可让独显和集显同时工作，从而获得比仅用独显更好的性能。

AMD-ATI的双显卡切换技术

　　但是，以上两项技术都只能算是半自动的，无法根据系统负载情况自动切换，这对初级用户而言就显得不够人性化，有些人一直不明白该如何操作，有些则意味自己已经切换了，但实际上却没有；而对高级用户而言，每天来回切换好几次多少也会觉得麻烦。

OPTIMUS工作原理（上篇）

· OPTIMUS工作原理（上篇）

　　在汽车领域，混合动力车就是全自动切换的，无需驾驶者去思考该用发动机还是电机，省心又节能。同样地，在处理器领域，英特尔酷睿i5和i7处理器也加入了一项名为“睿频”的新技术，它可以根据系统当前的负载情况，来决定启用多核处理器的其中一个核心或几个线程，令它们超频工作，同时关闭暂时不用的核心，从而减少电力浪费，实现能源利用最大化。这些新技术，归根结底都可用“智能”两个字来概括。

　　如今的笔记本，显卡的重要性已经和处理器相差无几，尤其是在3D游戏、高清电影、专业绘图等特定应用中，显卡往往能发挥出事半功倍的效果。因此，既然处理器都更“睿智”了，显卡自然也要有所突破。另外，最新的32纳米处理器都融合了集成显卡，这就意味着双显卡笔电将成为今后的常见机型，此时推出更智能的切换技术也是迫在眉睫。

Optimus可在高续航和高性能间自由选择

　　注：上面这张图片只是想说明Optimus技术可令一款笔记本要么实现高续航、要么实现高性能，用户无需购买两台笔记本。并不是说二者能同时实现，这在目前来看是极为困难的。

集显工作时，独显完全关闭，节省电力

　　采用Optimus技术的笔记本，当系统仅运行一些简单程序、或是仅对处理器有较高要求的大型程序时，Optimus路由会仅让集成显卡工作，而将独立显卡完全关闭，此时的电池续航时间和普通集显本完全一致，同样可以达到4~6小时（六芯电池）甚至8~10小时（八芯电池）。

OPTIMUS工作原理（下篇）

· OPTIMUS工作原理（下篇）

　　当系统开始运行大型3D游戏、高清视频、支持GPU加速和CUDA的软件时，Optimus路由则会立刻启用NVIDIA独立显卡，令其负责所有的渲染工作，然后将渲染结果通过异步拷贝引擎提交给集显，由集显来完成显示部分的工作。虽然二者没有同时渲染一幅画面，但像这样各自分工也是效率很高的协调工作方式。

独显工作时，集显只负责显示，不负责渲染

　　在下面这张图片中，我们可以清晰地看到Optimus技术的渲染过程，其中独显只负责渲染，而集显则被分成渲染和显示两个部分。当一个任务启动后，路由会先自动判断该用集显还是独显，然后将渲染结果提交给集显的显示部分去呈现出来。

Optimus的两个关键技术：路由和拷贝引擎

　　Optimus与以往显卡切换功能的不同之处，就在于路由和拷贝引擎这两大关键技术，其中路由是一个智能单元，而异步拷贝引擎则可以将显存中的数据复制到内存中去，同时不影响3D引擎的渲染过程，它们是相互独立的，因此丝毫不会降低渲染速度。

　　另外需要补充的是，Optimus路由除了能够自动识别系统负载之外，还内置了一个资料库，这个资料库记载了数量庞大的各类软件（包括游戏），当其中某个软件启动时，Optimus无需侦测负载即可知道该用哪个显卡。而每当用户连接网络时，这个资料库还会在后台默默更新，十分人性化。

亲身体验智能切换技术

· 亲身体验智能切换技术

　　下面，我们就实际体验一下Optimus的切换过程。据NVIDIA透露，目前已有许多国际一线品牌准备与NV合作，推出具备这种智能切换技术的新款笔记本。其中动作最快的是华硕，现已推出U30Jc、UL50Vf、N61Jv和N82Jv等多个型号，涵盖了13~17英寸的各种机身尺寸。此外，索尼也即将发布同类产品，它将会在原有的独显/集显手动切换按键的旁边，在旁边加入一个自动切换功能，在键盘上方设计一个三角形的快捷键。

Optimus笔记本，可随时查看独显是否已启用

玩简单小游戏时，集显足以胜任，因此独显仍关闭

播放普通视频用集显，高清则用独显（和播放器也有关系）

　　在一些对图形渲染要求不高的应用中（比如运行办公软件、简单小游戏、普通分辨率的电影等等），由于用独显和集显的效果几乎没有任何区别，所以此时仅有集显在工作，独显则处完全关闭状态——如上图所示，小窗口里的NVIDIA GPU状态为OFF。

启动大型3D游戏时，独立显卡自动开始工作

启用支持CUDA的软件时，独立显卡自动开始工作

　　而在启动大型3D游戏、高清视频以及支持CUDA的软件后，Optimus技术则会自动启用独立显卡开始工作，从而给用户带来更为流畅的体验。因为如果用集显来运行这些程序，通常都会出现不流畅的情况，同时给处理器带来极大负担。通过上面这段视频，您可以亲眼看到显卡是如何切换的。

硬件参数和3DMark06成绩

· 硬件参数和3DMark06成绩

　　本次用于测试的是来自华硕的UL50Vf笔记本，它采用了酷睿2双核SU7300处理器，GS45主板芯片组（整合GMA X4500集成显卡），2×2GB DDR3-1066内存和320GB硬盘，以及GeForce G210M独立显卡，屏幕大小为15.6英寸。除了支持Optimus技术之外，其它配置并无特别之处。不过NVIDIA公司也表示，Optimus同样对最新的酷睿i系列处理器平台有着很好的支持。

用Everest查看测试平台的配置信息

GeForce G210M独立显卡的详细参数

　　这款笔记本采用了G210M中低端独立显卡，它基于GT218内核以及40纳米工艺，拥有16个流处理器和64bit显存位宽，核心频率为606MHz，配备DDR3显存，显存频率为790MHz。它的性能虽然和GT240M这样的中高端独立显卡还有较大差距，但也可以应付一些不是特别复杂的热门游戏了。

GMA X4500集成显卡的详细参数

G210M独显的3DMark06得分：3335

3DMark06得分对比（SU7300处理器）

　　从3DMark06的测试成绩来看，G210M独立显卡的性能大约是GMA X4500集成显卡的4~5倍左右。举例而言，如果一款游戏用集显只有10帧/秒（很不流畅），那么用独显就有接近30帧/秒（较为流畅），性能提升还是很明显的。当然，如果换成GT 335M这样的中高端独显，效果则会更好。

游戏：冲突世界，COD6

· 游戏：冲突世界，COD6

　　下面，我们再来看看在实际的大型3D游戏中，启用独显的流畅度能比集显提升多少。首先将要进入的是《冲突世界》（World in Conflict），只需运行一段游戏自带的测试DEMO即可。World in Conflict的故事背景设定在架空的1989年。此时柏林墙没有倒塌，苏联向西欧发动了进攻，美国匆匆派遣自己的军队前往援助它的西方盟友。

　　经过四个月的鏖战后，美国海军已消耗殆尽，苏联突然发动了对西雅图的袭击，并趁势推进到美国腹地。在14个单人任务中，你扮演虚弱的美国守军的一位连队指挥官，虽然没有苏方战役，但多人游戏中却可以扮演红军。尽管只有西方阵营的战役，但其间却充满了波折，让你充分体验到欧洲大陆，苏联偏远地区和纽约城三地的激战。

大型3D游戏《冲突世界》测试DEMO

   
测试DEMO截图（1366×768分辨率 中画质）

   
测试DEMO截图（1366×768分辨率 中画质）

   
测试DEMO截图（1366×768分辨率 中画质）

　　从最后的测试结果来看，G210M独显运行这款游戏的平均帧数为24fps，最低帧数为8fps，虽然说不上很流畅，但也比GMA X4500集显的效果好很多了——后者的平均帧数只有6fps，根本无法正常游戏。

G210M独显运行《冲突世界》的平均帧数：24 fps

   
《COD6》测试截图（800×600分辨率 低画质）

   
《COD6》测试截图（800×600分辨率 低画质）

独显和集显在实际游戏中的平均帧数对比

　　在另一款大型游戏《使命召唤6》（COD6）中，低画质下独显的平均帧数在20fps左右，集显则不足5fps。当然，Optimus技术可以用任何阶层的NVIDIA独立显卡与英特尔集显搭配，以笔者个人而言，很看好GT 335M与HM55的组合，这类14~15英寸笔记本的售价只要控制在6000元以内，一定会获得许多消费者的青睐。

功耗和续航测试，编辑观点

· 功耗和续航测试

　　双显卡切换的意义，在于同一款笔记本上获得较高的图形效能和较长的续航时间，以上我们看到了启用独显后的性能提升幅度，下面我们再来看看仅用集显时的功耗以及续航时间。首先，我们在进行一些简单的日常应用时（比如小游戏、办公软件、网页浏览），用仪器测得笔记本功耗在24瓦左右。

用集显做日常应用，整机功耗为24瓦

用独显玩大型游戏，整机功耗为43瓦

　　接下来我们启动了大型3D游戏，并运行高负荷的测试DEMO，此时我们看到本本功耗上升至43瓦，比刚才增加了79.2%。那么，具体到实际的电池续航时间方面，集显会比独显延长多少呢？下面我们就通过BatteryMark这款软件来考察。由于在Optimus技术下，本本只需集显即可完成BatteryMark测试，因此我们另外找到了一款配置完全相同、但不具备Optimus技术的UL50（只能用独显，集显被屏蔽）来进行对比测试。

独显续航6小时，集显续航11小时（八芯电池）

　　这两款笔记本都配备了84Wh的大容量八芯锂电池，因此无论是独显还是集显，续航时间都比普通六芯电池的笔记本要长一些。不过通过以上两项成绩之间的对比，我们还是可以看到集成显卡在续航时间方面的明显优势，相比独显大约延长了72.3%。更长的续航时间，意味着用户可以在旅途中做更多的事，无论工作还是休闲娱乐，时间都会得到更有效地利用。

· 编辑观点：

　　通过亲自试用和测试，笔者对NVIDIA Optimus双显卡智能切换技术有了一定的了解。总体来看，它和之前的手动/半自动切换技术有所不同，确实做到了纯自动的傻瓜式切换功能，本本会根据系统负载情况来选择最合适的显卡，就像混合动力汽车一样，让用户十分轻松地享受到高速和节能的最优配置。

　　值得一提的是，这项技术的推出时机十分关键。因为英特尔最新的32纳米处理器全部集成了图形芯片，未来所有笔记本都会有集显芯片，如果为了配置独显而将集显屏蔽，无论对厂商还是用户来说都是种遗憾，而将其利用起来实现双显卡切换功能，才是一举两得的解决方案。

　　正是在这一大趋势下，可以预见：未来双显卡笔记本会呈现出爆发式增长态势，这对NVIDIA和AMD-ATI这两大显卡巨头来说，都既是机遇也是挑战。到目前为止，AMD-ATI的切换功能仍然停留在手动层面，因此NVIDIA Optimus技术的推出，是具有重要战略意义的。

　　当然，用户最终能否接受这一新技术，还要通过一段时间的市场考验后才能知道。无论结果如何，这种勇于创新的探索精神还是值得肯定和鼓励的。与此同时，我们也希望AMD-ATI尽快推出类似或更好的技术来抗衡NVIDIA，只有通过良性的竞争，才能让我们消费者获得更多的实惠和更好的用户体验。