CPU Limited

Cet article va essayer de montrer ce qu'est le "CPU Limited", phénomène un peu complexe qui traduit l'interaction du processeur avec la carte graphique, et surtout faire des mesures pour se faire une idée objective.
On en entend parler à chaque sortie de cartes graphiques très puissantes et abordables, comme actuellement la HD 4850, que l'on trouve à moins de 150€ en juillet 2008, car il est tentant de monter une nouvelle carte sur son PC un peu ancien.
Mais est-ce vraiment une bonne idée, l'argent dépensé dans une nouvelle carte sera-t-il rentabilisé ?

Sommaire :

Introduction

Le CPU Limited est une expression indiquant que dans un PC, si le CPU est un peu lent par rapport à la carte graphique, celle-ci devra attendre les infos du CPU pour travailler, et ça se traduira par une baisse du nombre d'images par seconde (im/s) dans les jeux.
Ça se manifeste surtout en basse ou moyenne résolution, 1280 et inférieure, car en haute résolution (1680, 1920), la carte graphique a beaucoup de pixels à gérer, et ce phénomène s'estompe.

Plusieurs revues spécialisées ont publié des articles sur le sujet, je cite les deux les plus connues et qui donnent des conclusions plutôt opposées :

CPU Limited selon Puissance PC
CPU Limited selon PC Inpact

Puissance PC conclut que le CPU Limited est un phénomène important, très marqué en moyenne et basse résolution, 1280 et inférieure, et encore sensible en haute résolution, 1680 et 1920, alors que PC Inpact conclut que le phénomène n'est pas très important, la baisse de performances en moyenne résolution 1280 étant réelle mais pas sensible en jeu.

On peut juste remarquer que dans l'article de PC Inpact, les jeux testés ne sont pas très récents : Prey, Far Cry, Serious Sam... alors que les jeux de Puissance PC sont plus variés, certains anciens et d'autres plus récents, notamment Crysis, qui sert souvent de référence, vu sa gourmandise en ressources.
Or des jeux "gourmands" sont nécessaires pour bien se faire une idée du CPU limited, un jeu peu exigeant ne poussant pas le PC dans ses derniers retranchements.
Et aussi, Puissance PC prend en compte le nombre minimum d'images/s, responsable des lags, ce que PC Inpact passe sous silence.

Procédure de test

Je me suis donc décidé à faire des tests avec mes 2 PC sous Windows XP (DX9), avec le même écran, un 19 pouces, résolution 1280 x 1024 :
- un Dell Dimension 8400 de 2005 (chipset carte mère i 925X), avec un P4 650 à 3.4 Ghz , 2Go de DDR2 533 Mhz, 1 slot PCI Express x16 v1,
- un PC assemblé au printemps 2008, carte mère Asus P5KC, C2D E6850 à 3 Ghz, 2 Go de DDR2 800 Mhz, 1 slot PCI Express x16 v1.

J'ai monté successivement sur les 2 PC une GeForce 8600 GT qualifiée d'entrée de gamme, une HD 3850 caractérisant le milieu de gamme, puis une HD 4850 représentant à peu près le haut de gamme .

J'ai fait tourner d'abord un test synthétique, 3DMark06, le score général bien sûr, mais aussi les résultats en images par seconde des 4 jeux proposés, car le score général tient compte de la puissance du CPU, ce qui fausse un peu les résultats.
Puis j'ai essayé Crysis, en détails élevés, sans AA, toujours la même scène.
Ce jeu est souvent pris comme référence des tests des configurations, car il est très exigeant en ressources .
J'ai pris la démo jouable de Crysis, téléchargeable gratuitement, comme ça, même ceux et celles qui n'ont pas le jeu peuvent faire le test sur leur PC et comparer.

Résultats

J'ai relevé les résultats suivants :

Essais 3DMark06

8600 GT sur PC P4 : score : 4200 ; Proxycon : 15.5 im/s ; Firefly : 17.1 im/s ; Canyon : 16.4 im/s ; Deep Freeze : 20.2 im/s.
8600 GT sur PC C2D: score : 4900 ; Proxycon : 16 im/s ; Firefly : 17.6 im/s ; Canyon : 16.8 im/s ; Deep Freeze : 20.6 im/s.

HD 3850 sur PC P4 : score : 5700 ; Proxycon : 22.8 im/s ; Firefly : 21.0 im/s ; Canyon : 37.0 im/s ; Deep Freeze : 28.8 im/s.
HD 3850 sur PC C2D: score : 9500 ; Proxycon : 30.3 im/s ; Firefly : 36.1 im/s ; Canyon : 39.6 im/s ; Deep Freeze : 46.0 im/s

HD 4850 sur PC P4 : score : 5900 ; Proxycon : 22.8 im/s ; Firefly : 21.1 im/s ; Canyon : 43.1 im/s ; Deep Freeze : 29 im/s.
HD 4850 sur PC C2D: score :11 500 ; Proxycon : 35.7 im/s ; Firefly : 44.7 im/s ; Canyon : 53.4 im/s ; Deep Freeze : 60.6 im/s.


On constate :

la 8600 GT donne un score 3DMark06 inférieur de 10% environ avec le P4, mais cela vient essentiellement de score CPU, qui intervient dans le score général, les résultats sur les jeux étant équivalents (à 0.5 im/s près) avec le P4 ou le C2D.
Elle n'est pas limitée par le CPU dans les 2 cas.

La HD 3850 est sensiblement limitée par le P4, le score général est 40% inférieur, mais là aussi le score CPU défavorise le P4, les résultats sur les jeux étant seulement de 30% inférieurs avec le P4 sur l'ensemble des 4 jeux.

La HD 3850 est donc déjà un peu "CPU limited" avec un P4, de l'ordre de 30%, ce qui n'est pas rien, même si les résultats sont meilleurs qu'avec une 8600 GT (environ + 50% ).

La HD 4850 est encore plus limitée par le P4, car elle donne les mêmes résultats que la HD 3850 sur 3 jeux sur 4.
Cette carte n'offre pratiquement aucun gain de performances par rapport à une HD 3850, associée à un P4.

Essais Crysis démo jouable

Les réglages du jeu sont :
résolution 1280, détails élevés, sans Anti Aliasing,
Les cartes graphiques sont pas overclockées,
Scène du lever du soleil sur la baie , n°19 (l'objectif est de détruire le brouilleur),
J'obtiens les valeurs suivantes, images par seconde mesurées par Fraps sur une durée de 360s environ :

8600 GT sur PC P4 : min : 1 im/s, max : 16 im/s, moyenne : 10.8 im/s ;
8600 GT sur PC C2D : min : 4 im/s, max : 18 im/s, moyenne : 11.2 im/s ;

HD 3850 sur PC P4 : min : 2 im/s, max : 41 im/s, moyenne : 23.7 im/s ;
HD 3850 sur PC C2D : min : 13 im/s, max : 45 im/s, moyenne : 29.3 im/s ;

HD 4850 sur PC P4 : min : 3 im/s, max : 48 im/s, moyenne : 24.9 im/s ;
HD 4850 sur PC C2D : min : 24 im/s, max : 70 im/s, moyenne : 48.3 im/s.

On constate :

Pour la 8600 GT, la différence entre PC P4 ou PC C2D est faible : 0.4 im/s de mieux en moyenne.

Pour la HD 3850, la différence est sensible entre les 2 PC, environ 20% de moins sur le P4.
Malgré cette limitation, cette carte est intéressante pour un PC P4 par rapport à la 8600 GT, car on obtient 2 fois plus d'images/s (23 au lieu de 11).

Pour la HD 4850, on ne remarque pratiquement aucun progrès par rapport à la 3850 sur PC P4, on a 1 image/s de mieux !
Cette carte donne le meilleur d'elle-même sur le PC avec C2D à 3 Ghz, avec une progression de +50% par rapport à la 3850.

On remarque un minimum d'images par seconde nettement plus bas quand les cartes sont sur le PC P4, ce qui sera gênant pour les scènes complexes .
La HD 3850 permet de jouer en High à Crysis sur PC P4 avec 24 im/s de moyenne, mais les scènes avec beaucoup d'intervenants seront difficiles à jouer : 2 im/s au lieu de 13 im/s sur le PC C2D !

Influence de la résolution (taille d'écran)

Faute d'écran plus grand, je n'ai pas fait de mesure en 1680 ou 1920, or le phénomène de CPU Limited s'atténue quand on joue en plus grande résolution, car la carte graphique a davantage de pixels à gérer par image.

La revue PC Update n°39 (Janvier 2009) a fait des mesures avec Far Cry 2 en 1280, 1680 et 1920, en comparant un E6400 à 2.13Ghz (voisin d'un E2200 actuel) avec un E8500 à 3.16Ghz, avec la même carte graphique, une HD 4850.
Les résultats sont les suivants :
- E 6400 + HD 4850 : 52 images/s en 1280, 39 im/s en 1680 et 21 im/s en 1920
- E 8500 + HD 4850 : 81 images/s en 1280, 53 im/s en 1680 et 25 im/s en 1920

On constate qu'en 1280 l'écart est grand entre les 2 processeurs, reste sensible en 1680 et devient négligeable en 1920 :
si on joue en 1280 (19"), il faut un CPU puissant pour tirer parti d'une carte graphique puissante ; si on joue en 1920 (24"), un CPU d'entrée de gamme peut suffire.

Conclusion

Les résultats parlent d'eux mêmes, le "CPU Limited" est important en 1280 x 1024...
Il est encore sensible en 1680x1050, et devient assez faible en 1920x1200.

Donc faites attention lorsque vous voulez remettre à jour votre PC, le changement de carte graphique devant se faire avec précaution, et dans le cas d'une carte graphique très puissante, il faudra aussi changer le CPU, pour tirer le maximum de son nouvel achat, surtout si on joue en 1280 sur un 19".

Si le CPU ne peut pas être remplacé par un modèle vraiment plus puissant, il faudra se limiter dans la puissance de la carte graphique.

En particulier, sur un PC avec un P4 comme CPU, la HD 3850 (ou la HD 4670 actuellement) représente le maximum de l'upgrade pour la carte graphique, les cartes plus puissantes coûteront plus cher sans gain significatif de performances sur un 19".