Il mondo dei PC portatili, osservato attraverso una retrospettiva ampia, offre alcuni interessanti spunti di riflessione. Se pensiamo al PC portatile degli anni appena precedenti la fine del millennio, osserviamo apparecchi molto costosi, utilizzati principalmente dagli uomini d'affari che non possono fare a meno di una parte del proprio ufficio, sempre e ovunque. Macchine costose sì, ma soprattutto per la miniaturizzazione delle componenti e non per particolari slanci in termini prestazionali.

Passa qualche anno e il PC portatile diventa per tutti. L'indubbia comodità di questi apparecchi, abbinato ad una discesa vertiginosa dei prezzi e a tecnologie sempre più raffinate a prezzi abbordabili, porta il PC portatile all'interno delle case della gente comune. Inizialmente cauto, il mercato dei PC portatili esplode letteralmente con l'avvento del Wi-Fi e con la diffusione di tali connessioni sul territorio.

Da allora ai giorni nostri sono stati fatti molti altri passi, sebbene in maniera più silenziosa. Uno di questi, di indubbia importanza, è l'integrazione di un processore dedicato alla grafica 3D in apparecchi che fino a qualche anno prima poco o nulla avevano a che fare con questo mondo. 3D in senso esteso, sia chiaro: non solo di videogiochi stiamo parlando, ma anche di quei settori professionali o multimediali in cui il 3D gioca un ruolo di primo piano, impossibili da approcciare su un portatile privo di GPU.

Nascono quindi molti portatili con GPU dedicata, realizzati con differenti livelli di potenza e con un occhio sempre attento ai consumi, al fine di non impattare troppo sull'autonomia di esercizio con alimentazione da batteria. Occorre inoltre prestare attenzione alla tipologia e al brand della GPU, motivo per cui ripassiamo velocemente due terminologie comuni nel mondo mobile. Tecnicamente ogni PC portatile ha una GPU, letteralmente Graphic Processing Unit. Se vedete qualcosa sul monitor, evidentemente c'è un chip che si è fatto carico di mandare segnali al pannello affinché avvenga la corretta visualizzazione dei contenuti. Nel gergo comune, non tecnicamente corretto ma ormai sdoganato,  per GPU si intende quel chip in grado di riprodurre contenuti sia 2D che 3D, fatto che lascia fuori dalla catalogazione tutte le GPU in senso stretto del passato remoto.

Esistono oggi quelle che vengono indicate con GPU integrate o discrete. Con GPU integrata si intende che la funzione di GPU è svolta da un chip integrato nel chipset o, in tempi più recenti, anche nel package del processore stesso. GPU integrate per eccellenza sono quelle marchiate Intel contraddistinte da basso costo, consumi contenuti così come le performance in 3D o con applicazioni DirectX, ben lontane dalla sufficienza. Queste soluzioni vanno in crisi anche con Google Earth, per intenderci.

La GPU discreta è invece un chip vero e proprio, Nvidia o AMD-ATI, che viene aggiunto al normale corredo elettronico della scheda madre, dotato molto spesso di una memoria dedicata. Come è facile intuire siamo di fronte ad una soluzione preferibile a quella integrata se si osservano le prestazioni, in quanto si tratta di modelli derivati direttamente da quelli per il mondo desktop, sebbene con i dovuti adattamenti energetici. Se si cerca esclusivamente autonomia di esercizio allora può essere preferibile un design più semplice come quello della sola GPU integrata.

Eppure non è così semplice: c'è chi vuole o necessita della botte piena e della la moglie ubriaca contemporaneamente. Esistono da qualche tempo anche i sistemi ibridi, che permettono cioè di utilizzare, in base alle necessità, il sottosistema video discreto o quello integrato, magari anche in contemporanea. Pregi e difetti di questi sistemi? Nella prossima pagina.

Ad oggi, il 20% dei PC portatili venduti sono netbook. Nei PC portatili tradizionali si osserva un altro trend, ovvero la continua crescita in numero dei modelli che vanno ad integrare una GPU discreta. I motivi non sono ovviamente solo videoludici, poiché esiste anche software che esula da questo particolare contesto che utilizza la GPU per rendere al meglio l'esperienza d'uso. Il software dunque è al centro di una rivoluzione più o meno silente. Alcuni esempi vengono da Mictosoft Windows 7, Mac OS X Snow Leopard e relativo supporto a OpenCL, Adobe, che uscirà con un nuovo motore in grado di utilizzare la GPU, per non parlare di Flash Player 10.1. Ed è solo l'inizio.

Videosorveglianza e tv tuner sono alcuni degli ambiti che molto presto sfrutteranno la potenza delle GPU, come testimonia l'attesa, per fine 2010, di un centinaio di applicazioni in questi ambiti. Crescono anche le esigenze più comuni come la risoluzione, dettata dall'universo HD che sta permeando sempre più il nostro quotidiano. Video, editing, slideshows, macchine fotografiche, film: il settore è chiaramente e sotto gli occhi di tutti al centro di una vera e propria rivoluzione. Stiamo omettendo volutamente i videogiochi, dando per scontato il beneficio che trarranno da processori grafici 3D sempre più raffinati.

Torniamo a stringere il campo sui PC portatili: sempre più il notebook è utilizzato come piattaforma di gioco, considerando che la quasi totalità degli appassionati non è alla ricerca della soluzione più performante del mercato, che vincola inesorabilmente la propria passione ad un sistema desktop.

Come detto alla fine dell'introduzione, è da qualche anno che è nata l'esigenza di PC portatili con GPU discrete attivabili dall'utente in base alle esigenze. Ripercorriamo velocemente le tappe di questo trend in casa Nvidia. La prima generazione risale al 2006, con la presentazione del modello VAIO SZ110B. Un sistema che ora appare rudimentale: l'ambiente di lavoro era ancora Microsoft Windows XP e, in seguito all'attivazione manuale di un pulsante e ad un riavvio della macchina, si poteva utilizzare la GPU discreta al posto dell'integrata. Svantaggi: chiedere tutte le applicazioni, salvare, riavviare, attendere e ripartire. Dal punto di vista hardware invece è la complessità del design elettronico a costituire una sfida che, sebbene superata, costringeva a realizzare una piattaforma specifica per ogni modello di notebook.

Passano due anni e si arriva a qualcosa di più raffinato. Lo switch è ora software e non è più necessario riavviare, grazie anche a qualche innovazione nel sistema operativo Microsoft Windows Vista rispetto al predecessore. Si paga comunque ancora un prezzo, che consiste nel chiudere tutte le applicazioni attive, attendere un fastidioso sfarfallio di 5-10 secondi e ripartire. Un fastidio, se si è soliti lavorare con decine di finestre attive dei vari applicativi.

Rimangono quindi dei problemi e dei fastidi. Oltre alle considerazioni fatte, bisogna fare i conti anche con problemi energetici: se si lascia attivata la GPU discreta il consumo aumenta, mentre se si opta per lavorare con quella integrata si rinuncia alle prestazioni. E' poi dimostrato che gli utenti dei portatili con selettore switch tendono a non utilizzare questa caratteristica, cosa che comportebbe il cambiare processore grafico anche decine di volte al giorno, costretti tutte le volte a chiudere tutte le applicazioni e a riaprirle. Da indagine Nvidia, solo l'1% degli utenti con GPU integrata e discreta utilizzano questa funzionalità con costanza, siano essi utenti del mondo Windows che i possessori dei MacBookPro Unibody.

Una tecnologia buona, ma acerba. La risposta a questi problemi, che ci è stata mostrata in anteprima in una fredda e piovosa Silicon Valley circa due settimane fa, si chiama Nvidia Optimus. Cerchiamo di capire di cosa si tratta.

Iniziamo col dire cosa non è Nvidia Optimus: non è nuovo silicio per la gioia dei videogiocatori e non è una nuova scheda video riadattata in base alle esigenze. Nvidia Optimus è una tecnologia, un connubio fra software e hardware che automatizza il passaggio dall'utilizzo della grafica integrata a quella discreta in modo invisibile per l'utente, senza la necessità di eseguire manualmente il passaggio e senza la necessità di chiudere le applicazioni. Quando non serve la GPU discreta è completamente spenta, mentre quando serve si attiva automaticamente senza che ci si accorga di nulla, prestazioni a parte.

"Tutto qui?", verrebbe da dire. Se ci pensiamo, le potenzialità di questa tecnologia sono molto interessanti, molto più di quanto si possa intuire dalle righe appena scritte. Cerchiamo di scendere quindi un po' più nel dettaglio, per capire anche le numerose sfide hardware e software che Nvidia ha dovuto affrontare e vincere per presentare una tecnologia convincente.

Fotografiamo la situazione pre-Optiums in casa Nvidia. Legenda: IGP sta per Integrated Graphic Processor, mentre con GPU si intende il chip grafico discreto. Con reboot o senza, le tecnologie precedenti possono essere riassunte nella slide che vedete sopra. Grafica integrata e GPU discreta vanno verso uno switch indicato con mux o muxes, a seconda delle slide che vedrete anche in seguito. Si tratta di strumenti hardware o software con funzioni di multiplexer o moltiplatori, che permettono cioè di selezionare un singolo canale fra diversi segnali di ingresso. A seconda della modalità selezionata, la scena sul monitor verrà generata o dal chip grafico integrato, oppure da quello discreto.

Con Nvidia Optimus spariscono i mux, permettendo di semplificare molto sia il design hardware che l'ecosistema software. A fare da controller grafico è in tutti i casi il path HW/SW che va dal chip grafico integrato al display, mentre la GPU, in caso di intervento, usa un nuovo modo per fornire il frutto dei propri calcoli all'utente esigente o all'applicazione avida di calcolo 3D. Un dettaglio molto importante che tratteremo più avanti.

La slide mostrata in precedenza, relativa alla situazione pre-Optimus, indica uno schema estremamente semplificato delle connessioni presenti in un notebook. Uno scenario più reale, sempre in ambito portatili, lo si può trovare in questa slide. Oltre al normale pannello del portatile sono disponibili anche una porta VGA e, con buona probabilità, una di tipo HDMI. Si tratta di tre path fisici distinti, ognuno dei quali richiede un proprio percorso ed una ingegnerizzazione ad hoc per ogni modello di portatile sul mercato. Da ciò possono nascere problemi di interferenze, complessità architetturali e spesso l'utilizzo di più strati del PCB della scheda madre, proprio in virtù delle numerose connessioni che vanno a complicare uno scheda non certo semplice di suo già dall'inizio. A farne le spese sono i costi, il consumo energetico, l'ottimizzazione driver e la necessità di adattare ogni volta tutti questi fattori a design propri di ogni modello.

Nvidia Optimus semplifica enormemente il routing fisico, poiché non è più richiesta la presenza di mux, anche nel caso di opzioni di output multiple. Il design della scheda madre si semplifica, vengono minimizzati i problemi di interferenze così come i consumi, si perde la necessità di aggiungere strati al PCB, rendendo quindi più facile ed economico realizzare piattaforme notebook con doppia GPU. Scendiamo ancora di più nel tecnico e osserviamo come lavora questa tecnologia.

Nvidia Optimus funziona in maniera differente da ogni altra implementazione di grafica discreta realizzata in precedenza da Nvidia. All'avvio di ogni applicazione o riproduzione video il sistema operativo, che prende le informazioni dal pannello driver Nvidia e da altri profili che vedremo fra poco, si trova nella condizione di dover scegliere a quale delle due GPU far processare il flusso video. Qualora l'applicazione o il video non richiedesse elaborazioni particolarmente gravose, il percorso scelto in questo caso sarà quello che porta alla grafica integrata (in blu nella slide). Questa provvederà a renderizzare le scene, per poi inviarle al display o all'uscita video del caso. In questo caso la GPU grafica discreta risulta completamente spenta, come se non ci fosse.

Differente invece il discorso nel caso di elaborazioni che richiedono l'intervento di una GPU discreta. In questo caso il "Routing Layer" di Optimus va ad instradare la richiesta del sistema operativo già all'inizio del workflow, indirizzando le richieste alla GPU discreta che provvederà ad eseguire i calcoli richiesti, per poi inviare i frame renderizzati direttamente nella memoria di sistema. Il sistema operativo provvederà poi a mandare le scene dalla memoria al display. Una cosa importante da notare: sia nel caso di ricorso alla GPU integrata che nel caso della discreta il prodotto finale, ovvero le scene renderizzate, finiscono nella stessa memoria di sistema, poiché come abbiamo detto in precedenza vi è ora un path unico per le due GPU che porta all'output di visualizzazione. Detto in parole più semplici, le scene renderizzate dalla GPU discreta vengono letteralmente riversate nella stessa memoria dove sarebbero finite quelle generate dalla GPU integrata. Il percorso poi sarà comune, senza la necessità di utilizzare mux e complicazioni software per visualizzare la scena a monitor.

Nasce un problema a monte: cosa deve essere renderizzato dalla GPU integrata e cosa dalla GPU discreta? L'approccio di Nvidia è duplice. Tre sono gli scenari certi che il Routing Layer instraderà verso la GPU discreta:

• Richieste DirectX: qualsiasi esecuzione di gioco 3D o applicazione DirectX
• Richieste DXVA: qualsiasi riproduzione video che richieda l'utilizzo di API DirectX (DXVA = DirectX Video Acceleration)
• Richieste CUDA: applicazioni che utilizzano CUDA

Nel pannello driver, innanzitutto, è presente una lista delle applicazioni installate ed è possibile selezionare, per ognuna, la scelta preferita. Si può quindi decidere se utilizzare sempre e in ogni caso la GPU integrata, sempre la discreta oppure scegliere di volta in volta quale utilizzare. E' ovviamente l'ultimo caso ad interessarci, poiché è alla base delle necessità che Nvidia Optiums Technology intende soddisfare.

Questo è il primo approccio, ma ne abbiamo menzionati due. Il primo è, ad onor del vero, fuori dalla portata dell'utente comune, che poco o nulla sa delle differenze fra GPU discreta ed integrata e soprattutto di quali siano le applicazioni che possano trarre giovamento da GPU potenti o meno. Il secondo approccio è una delle più grosse novità di questa tecnologia, ed intende venire incontro proprio a questa tipologia di utenza (la quasi totalità degli utenti notebook), nonché agli appassionati pigri.

Il menzionato approccio si basa su profili di utilizzo analizzati uno a uno da uno staff Nvidia creato ad hoc, che prenderà in esame le applicazioni che man mano potranno fare ricorso alla potenza della GPU discreta. Verranno così creati dei profili criptati (per motivi di sicurezza e minimizzare i pericoli di backdoor in fase di upgrade automatico), a loro volta inviati ad un web server Nvidia dedicato. Una volta collegato il notebook al web, Nvidia provvederà automaticamente ad inviare al sistema gli aggiornamenti contenenti i profili di utilizzo, che verranno installati automaticamente e senza intervento dell'utente nel proprio PC con tecnologia Optimus. Qualcosa di molto simile agli aggiornamenti Microsoft del sistema operativo, insomma, per avvenendo in background ed invisibili per l'utente. L'operazione è ovviamente disattivabile tramite pannello driver,qualora si preferisse il primo approccio. Questi aggiornamenti garantiscono a tutti gli utenti la creazione automatica dei profili, che indicheranno al sistema operativo quali applicazioni dovranno fruire della GPU discreta e quali no.

Caso 1 senza Copy Engine                                     Caso 2 con Copy Engine

Abbiamo detto in precedenza che la tecnologia Optimus deve essere vista come un modo nuovo di approcciarsi ad un problema noto, mentre poco o nulla riguarda il silicio. In realtà qualcosa cambia a livello di logica di gestione e di architettura, poiché una componente molto importante delle GPU abbinate alla tecnologia Optimus incorporeranno quello che Nvidia chiama Copy Engine.

Optimus non fa ricorso a mux e previene l'insorgenza di problemi in seguito al passaggio da un driver video all'altro, lo abbiano già detto. Per fare ciò, quando viene segnalata la presenza di un applicativo che richiede la GPU discreta, questa trasferisce le scene elaborate dal proprio frame buffer a quello utilizzato dalla memoria integrata, passando attraverso il bus PCI Express. Affinché ciò avvenga senza cali prestazionali rispetto a quanto avverrebbe con la sola presenza della GPU discreta, ha portato Nvidia all'ideazione del Copy Engine.

In scenari normali, senza Copy Engine, è il 3D Engine a farsi carico del trasferimento DMA da memoria a memoria. Questo significa che, per molte volte in un secondo, il motore elabora le scene, si ferma, provvede al trasferimento delle scene stesse dalla propria memoria dedicata a quella utilizzata dalla GPU integrata, per poi riprendere ad elaborare le scene. Le interruzioni sono necessarie per garantire la coerenza e prevenire errori, ma hanno anche un impatto sensibile sulle prestazioni, poiché il 3D Engine non lavora in modo continuativo.

Il Copy Engine si prefigge di copiare e smistare le scene renderizzate dal 3D Engine, sfruttando la bidirezionalità del bus PCI Express. All'interno della GPU discreta ci sarà quindi un motore 3D (il 3D Engine) sempre al lavoro, affiancato dal Copy Engine che ne previene l'interruzione, facendosi carico esso stesso sia della copia delle informazioni renderizzate, sia del relativo spostamento nel frame buffer della memoria integrata. Da lì poi la strada per arrivare al display o alle uscite video è semplice, come abbiamo visto. Si tratta di una operazione asincrona, in grado di garantire contemporaneamente coerenza e aumentare le prestazioni.

La natura stessa di Optimus prevede la coesistenza contemporanea di due driver video, come molti avranno capito,  dove quello della GPU integrata risulta sempre attivo. Non si tratta di una cosa scontata, resa possibile da Microsoft solo a partire da Windows 7.

Si può notare la presenza contemporanea dei due driver video, anche nel caso di GPU discreta spenta. Questo ha permesso di evitare, come in passato, di creare un driver interposer, di fatto uno stratagemma per ingannare sistemi operativi in grado di dar retta ad un solo driver. La realizzazione di un driver interposer non è per nulla semplice: oltre a dover creare un driver in grado di funzionare bene (con numerosi mux e complicazioni varie), costringeva ad una collaborazione molto stretta più con altre aziende, magari in concorrenza diretta nelle GPU in ambito notebook (qualcuno ha detto Intel?).

Sia chiaro: in caso si possieda un portatile "switch" con Microsoft Windows Vista e si aggiorni al più recente Windows 7, permane la necessità di un driver interposer. Per godere delle caratteristiche di Optimus è necessaria la contemporanea presenza di architettura adeguata e pensata ad hoc e Microsoft Windows 7.

Il portatile in prova, equipaggiato con la tecnologia Optimus di Nvidia, è un prodotto ASUS della famiglia UL (UnLimited) con sigla di UL50Vf. Sebbene non venga ancora comunicato il costo, molti indizi fanno pensare ad un modello dal prezzo tutto sommato economico, anche se il modello appartiene alla gamma degli ultrasottili. La semplificazione hardware-software della tecnologia Optimus, inoltre, ci permette di azzardare una previsione: questa nuova tecnologia non sarà utilizzata solo su portatili di rango, ma troverà la sua collocazione anche in sistemi più economici. Ne è la prova la compatibilità anche con sistemi basati du Intel Atom Pine Trail, come vedremo in seguito.

Il modello ASUS in prova ne è la dimostrazione. Qualità costruttiva nella media, senza materiali pregiati, pannello 15,6" da 1366x768 "mainstream", HD di 320GB sono alcuni indizi che ci fanno ipotizzare un prezzo di acquisto non troppo elevato.

In bella evidenza il logo Nvidia Optimus,di fianco a quello della GPU grafica utilizzata, Nvidia GeForce 210M con 512MB di memoria dedicata.  Si tratta di una soluzione con clock a 1500MHz e 16 stream processors,  sufficienti a surclassare le prestazioni in 3D della soluzione integrata nel chipset Intel serie 4. Abbiamo condotto alcuni test sul portatile  ASUS UL50Vf in merito alla durata della batteria, sia con Optimus attivata, sia disabilitando completamente la GPU discreta. Questi i risultati:

Premessa: i test condotti sono da considerarsi indicativi, poiché l'utilizzo ordinario del PC è una cosa molto personale. Il dato relativo alla suite eseguita con Optimus attivo è suscettibile di cambiamenti davvero sensibili in base all'utilizzo. Utilizzare il portatile esclusivamente per giocare può influire in maniera ben più drastica sull'autonomia, mentre un utilizzo prettamente "office" permette di passare le 7 ore, come evidenziato nell'analisi relativa allo scenario con GPU discreta disabilitata.

Abbiamo condotto un piccolo test per ottenere indicazioni sull'impatto energetico dei vari scenari di utilizzo. In fase di navigazione, senza applicativi Flash 10.1 che richiedano l'intervento della GPU discreta, il consumo a monte, misurato direttamente dalla presa di corrente, ammonta a circa 20W, che diventano quasi 29W nel caso di riproduzione di filmati HD con accelerazione hardware a carico della GPU Nvidia.

Una situazione inesorabilmente destinata a peggiorare in ambito videoludico, dove ad essere stressata non è solo la GPU ma anche il processore. Ne è un esempio il consumo di circa 45W misurato durante il benchmark di World In Conflict. A titolo informativo, i risultati ottenuti con World in Conflict ad impostazioni grafiche medie e risoluzione nativa di 1388x768 pixel sono stati di 44 frame di picco, 9 di minimo e 26 in media.

Il compito di cui si fa carico la tecnologia Nvidia Optimus è tutto sommato semplice da riassumere: poter usufruire di buone performance grafiche in modo istantaneo e automatico in un PC portatile senza però sacrificare l'autonomia, in quanto il sistema passerà ad utilizzare la GPU integrata non appena le esigenze di sistema non necessiteranno della GPU discreta. Non più intervento manuale per passare da una GPU all'altra, dunque, ma un sistema automatico, istantaneo e invisibile.

Credetemi: non è semplice parlare di una tecnologia che, per sua natura, si prefigge di rimanere invisibile. Nvidia Optimus Technology si fa carico del passaggio dalla grafica discreta a quella integrata in sordina, senza dire nulla, al fine di migliorare l'esperienza d'uso in ambito portatili laddove è necessaria l'accelerazione 3D. Possono essere videogiochi, playback di filmati ad alta risoluzione o applicazioni CUDA, poco importa: saranno i profili automatici o quelli  scelti dall'utente a fare il lavoro di switch.

Molto interessante ci è apparsa la semplificazione hardware e software che tale tecnologia porta in dote: la riduzione dei contatti elettrici, con la contemporanea possibilità di  utilizzare un driver video oppure l'altro, potrà giovare alla realizzazione di macchine più economiche, che potranno regalare soddisfazioni a livello di prestazioni senza sacrificare l'autonomia.

Nvidia prevede che saranno circa 50 i modelli di notebook che si fregeranno del logo Optimus entro l'estate 2010, prodotti da una buona parte dei brand in circolazione. Sebbene interrogati direttamente sulla questione, non siamo riusciti ad ottenere informazioni per quanto riguarda i sistemi Apple. Se dal punto di vista hardware nulla cambia, l'ambiente Mac OS X richiede differenti driver, mentre posso tranquillamente ammettere di ignorare se in tale sistema operativo esiste la possibilità di utilizzare due driver video contemporaneamente. Non resta che attendere per capire se e quando tale tecnologia entrerà anche nei prodotti con la mela mordicchiata, sia essa in forma anonima o sotto altre spoglie.

Nvidia Optimus Technology potrà essere utilizzata da piattaforme Intel Core 2 Duo "Penryn", Atom N4xx "Pine Trail" e anche da quelle equipaggiate con processori Core i3, i 5 e i7 "Arrandale". Ricordiamo che queste ultime CPU vantano la presenza della GPU all'interno del package, fatto che non impedisce la presenza della tecnologia Nvidia anche con questa particolare architettura. In abbinamento alla suddette piattaforme troveremo, a seconda dei modelli, processori grafici Nvidia delle famiglie GeForce 300M e 200M (210M nel caso del portatile ASUS utilizzato durante la prova), oltre alle future generazioni ION e alle GeForce M (Mobile) derivate da Fermi. Potete visualizzare alcune immagini del portatile ASUS UL50Vf accedendo alla nostra gallery dedicata:

Per concludere proponiamo un video, l'unico modo per rendere al meglio le potenzialità di Optimus. Grazie ad un tool realizzato da Nvidia è possibile vedere se e quando la GPU discreta è attiva, permettendo di aumentare le prestazioni video solo quando vi è una reale necessità. Il sistema ci è sembrato funzionale e correttamente implementato, almeno sul sample in nostro possesso. La possibilità di usufruire di una buona potenza elaborativa sul piano grafico non ha pregiudicato l'autonomia di esercizio qualora questa non serva, come testimoniano le oltre 7 ore di autonomia. Il tutto senza effettuare swicth manuali, riavii o chiusura di applicazioni. Buona visione.