Wayland против X11: KDE Plasma 6.4 показывает, что старый протокол всё ещё быстрее и экономичнее

Сравнение производительности сеансов KDE Plasma на базе X11 и Wayland

Игорь Любунчич (ранее отвечавший в Canonical за проекты высокопроизводительных вычислений) провёл серию подробных тестов, сравнив производительность и энергопотребление сеансов KDE Plasma при использовании протоколов дисплея X11 и Wayland.

Ещё в конце июня, в обзоре Plasma 6.4, он заметил, что сеанс на базе Wayland демонстрирует худшую оптимизацию – постоянно нагружает CPU ~на 8% и вызывает периодические всплески нагрузки GPU до 100% даже в режиме простоя, тогда как X11 в аналогичных условиях практически не загружает систему. Эти тревожные наблюдения побудили его провести дополнительные измерения на разных системах и нагрузках, результаты которых подтверждают: традиционный X11 пока существенно превосходит Wayland по эффективности.

Режим простоя на ноутбуке с AMD GPU (KDE Plasma 6.4)

Основные тесты проводились на ноутбуке Lenovo IdeaPad 3 (2019 г.) с интегрированной графикой AMD (Vega) на свежей сборке KDE Plasma 6.4 (KDE neon). В обеих сессиях (Wayland и X11) запускался минимальный набор приложений (только системный монитор и консоль), чтобы измерить базовые накладные расходы каждого графического стека.

Замеры утилитой radeontop (показывает загрузку блоков GPU) при неактивном рабочем столе выявили значительно большее потребление ресурсов в сеансе Wayland. Особенно это проявилось при включении профиля экрана «Color Accuracy» (цветовой точности) вместо стандартного режима «Power Efficiency»(энергоэффективности) – данный профиль в Plasma повышает точность цветопередачи ценой большего расхода ресурсов. В таблице ниже приведены средние показатели загрузки GPU (в %) по различным подсистемам графического конвейера за интервал ~60 секунд простоя:

Как видно, сеанс X11 потребляет меньше GPU-ресурсов по всем параметрам, тогда как Wayland даже в режиме энергосбережения загружает графику сильнее, а переключение в профиль Color Accuracy усугубляет эту разницу. К примеру, средняя загрузка основных блоков рендеринга (Graphics pipe, Shader и т.д.) в Wayland на 20–60% выше, чем в X11. Объём используемой видеопамяти (VRAM) в простое под Wayland был ~26–28%, тогда как под X11 ~22% – разница ~30%. Показатели подтверждают слова разработчиков KDE о том, что профиль Color Accuracy требует больших затрат, и в целом показывают, что X11-сессия заметно «легче» даже в тривиальных простых задачах.

Данные по энергопотреблению также склоняются в пользу X11. Утилита powertop зафиксировала следующие средние значения потребляемой мощности в простое: около 6,09 Вт для сеанса Wayland (и ~6,05–6,08 Вт с профилем Color Accuracy) против 5,67–5,87 Вт для сеанса X11. Таким образом, при бездействии система под X11 потребляла примерно на 3–7% меньше энергии, чем под Wayland. Это означает более медленную разрядку батареи – преимущество X11 составило те самые ~3–7% экономии заряда.

Загрузка CPU в режиме простоя также оказалась ниже при использовании X11. По данным утилиты vmstat, сеанс X11 простаивал с ~98,17% idle CPU (т.е. загрузка CPU всего ~1,83%), в то время как Wayland нагружал процессор чуть сильнее – ~1,97% в режиме энергосбережения и ~2,1% в режиме точности цвета. На первый взгляд разница невелика (десятые доли процента), однако она согласуется с приведёнными выше метриками GPU и энергопотребления. В относительном выражении Wayland тратил на ~7,6% больше CPU-ресурса, чем X11(а с включённым Color Accuracy – на ~14% больше).

Кроме того, внутренние показатели активности системы отличаются еще заметнее. Wayland-сессия генерировала больше фоновой работы: так, в среднем фиксировалось на 25% больше аппаратных прерываний и на 48% больше переключений контекста, чем в X11. В таблице ниже суммированы некоторые измерения vmstat (усреднённые за 60-секундный интервал простоя):

Как видно, при Wayland в очереди на выполнение скапливается больше задач (в 3–5 раз), а также происходит больше обращений к оборудованию (прерываний) и переключений задач, чем при X11. В итоге X11-сессия имеет чуть больший процент простоя CPU (98,17% против ~98,0% у Wayland), что подтверждает: под X11 процессор отдыхает больше. Избыточная фоновая активность Wayland, вероятно, связана с дополнительными накладными операциями в композиторе и драйверах. Хотя эти различия измеряются единицами процентов, они могут суммироваться и оказывать влияние на энергопотребление и отклик системы в длительной перспективе.

Для более глубокого анализа Игорь также выполнил профилирование ядра с помощью утилиты perf. Она зафиксировала статистику низкоуровневых счётчиков производительности (циклы CPU, кэш, инструкции и пр.) на холостом ходу системы. Результаты снова в пользу X11 – старый добрый X-сервер совершает существенно меньше работы «под капотом». Ниже приведены основные показатели за ~60 секунд простоя для Wayland (в двух режимах) и X11:

Эти цифры показывают, что в пустом простое Wayland «накручивает» почти вдвое больше тактов и инструкций CPU, чем X11, и выполняет больше вспомогательных операций (промахов страниц, переключений контекста и т.д.). Например, за равное время Wayland-сессия выполнила ~780–901 млн инструкций, а X11 – лишь ~483 млн, то есть примерно в 1,6–1,9 раза меньше. Аналогично, у Wayland вдвое больше суммарных циклов CPU. Процент «простаивающих» циклов (stalled cycles) тоже несколько выше у Wayland, что указывает на менее эффективное использование конвейера. В совокупности это подтверждает вывод: сеанс X11 заметно более «худой» по нагрузке на процессор, тогда как Wayland ведёт больше работы даже при отсутствии активных задач.

Важно, что при этом Игорь не обнаружил какого-то одного сбойного компонента, который мог бы объяснить 100%-е всплески GPU под Wayland – проблема носит системный характер. Он делает вывод, что повышенная нагрузка Wayland обусловлена не багом, а общей неоптимизированностью кода (как самого композитора KWin/Wayland, так и окружения). Современный софт в целом часто грешит расточительным потреблением ресурсов, и Wayland не исключение. На мощных современных ПК эти издержки могут казаться незначительными (теряются в «округлениях» на 32-ядерных CPU), но на обычном ноутбуке они явно проявляются в виде лишней нагрузки.

Тестирование на системе с графикой NVIDIA (Kubuntu 24.04)

После экспериментов на интегрированной AMD-графике были проведены аналогичные тесты на другой конфигурации – ноутбуке Lenovo Y50-70 с процессором Intel и дискретным GPU NVIDIA (смешанная графика), под управлением Kubuntu 24.04 (KDE Plasma 5.27). Цель – проверить, сохранятся ли тенденции на другом оборудовании и в более старой версии Plasma. Результаты оказались сходными: сеанс Wayland вновь продемонстрировал больший «аппетит» по сравнению с X11.

В режиме простоя энергопотребление составляло примерно 22,42 Вт под Wayland против 21,86 Вт под X11 (т.е. на ~0,5 Вт выше). Нагрузка CPU при этом вообще была мизерной в обоих случаях (доли процента), но и здесь X11 чуть выиграл: ~0,050% CPU против 0,067% у Wayland (в относительном выражении Wayland потреблял ~34% больше CPU, хотя абсолютные цифры крайне малы). Количество переключений контекста в простое под Wayland достигало ~43,8 в секунду, тогда как под X11 – около 34,1 в секунду (на 28% меньше).

Под нагрузкой разброс увеличился. При воспроизведении 4K-видео (60 FPS) в VLC плеере Wayland нагружал CPU примерно до 12,5%, в то время как X11 – лишь до 4,3%, то есть примерно в 3 раза меньше. Разница в графической производительности тоже ощутима: в тесте WebGL Aquarium (отрисовка 3D-рыбок в браузере) с ~15 000 объектов Wayland выдавал около 16 FPS, тогда как X11 устойчиво держал ~29 FPS – почти двукратный перевес в пользу X11. Эти наблюдения совпадают с данными на AMD-графике и подтверждают, что эффективность X11 заметно выше во множестве сценариев, от простоя до мультимедиа.

(Примечание: в тесте WebGL на системе с NVIDIA Wayland показал чуть меньшее энергопотребление при высоких нагрузках GPU, но это объясняется тем, что он уткнулся в лимит производительности и просто не мог выдать больше кадров – фактически «берёг энергию» ценой низкого FPS .)

Мультимедийная нагрузка на AMD: 4K-видео и WebGL

Помимо измерений в простое, Игорь отдельно протестировал поведение Wayland и X11 при воспроизведении видео 4K@60FPS в VLC и в графическом тесте WebGL Aquarium на том же ноутбуке с AMD APU (Plasma 6.4, драйвер AMD). Для чистоты эксперимента в KDE Plasma (X11) проверили два режима: с включённым композитным эффектом (Compositing ON) и с отключённым (что разгружает систему). Ключевые результаты получились следующие:

• Процессорная нагрузка (CPU) при воспроизведении 4K-видео резко выросла под Wayland. В сеансе KDE X11 CPU был занят лишь на ~3,7% (с отключённым композитингом) и около 9,8% (с композитингом включённым). Для сравнения, в сеансе KDE Wayland загрузка CPU достигала 25,7% (профиль Color Accuracy) и 31,5% (режим Power Efficiency). Таким образом, Wayland потреблял в 8–10 раз больше CPU-ресурса, чем X11, при декодировании видео (даже учитывая, что X11 с отключённым композитингом даёт дополнительный выигрыш). Это свидетельствует о значительно более высокой нагрузке на процессор в графической подсистеме Wayland.
• Количество аппаратных прерываний при проигрывании видео под Wayland оказалось на 5–16% выше, чем под X11. Это косвенно указывает на дополнительные обращения к устройствам/драйверам в режиме Wayland.
• Загрузка GPU при воспроизведении видео не сильно отличалась между сеансами – она была высокой во всех случаях (в районе 55–58% для графического конвейера GPU) и разница между Wayland и X11 составила не более ~2%. Иными словами, само декодирование видео одинаково активно задействует GPU и там, и там; основная разница нагрузки пришлась именно на CPU.
• Энергопотребление при воспроизведении 4K-видео существенно выше в Wayland-сессии. Замеры powertop показали, что Wayland за время теста потреблял примерно 13,8–14,1 Вт (Color Accuracy) и в пиках до 20,4 Вт (Power Efficiency режим), тогда как KDE X11 – около 10,7–12,1 Вт (с композитингом) и 11,4–14,9 Вт (без композитинга). Разница зависит от режима, но в среднем Wayland расходовал на 8–49% больше энергии, чем X11, для воспроизведения того же видео. Наибольший разрыв наблюдался при сравнении оптимального случая X11 (Comp ON ~10,7 Вт) против худшего случая Wayland (PE режим до 20,4 Вт) – почти двукратное превышение. В более сопоставимых режимах (Comp ON vs Wayland CA) разница составила ~15–20% не в пользу Wayland.
• В тесте WebGL Aquarium (отрисовка 3D-графики в браузере) производительность по FPS в целом оказалась сопоставимой между сеансами Wayland и X11: например, KDE Wayland давал ~16–38 FPS (в диапазоне в зависимости от нагрузки и режима питания), а KDE X11 – ~16–42 FPS (с композитингом). Однако при близких кадрах в секунду энергопотребление Wayland всё равно было выше. В среднем Wayland-сессия расходовала ~8% больше энергии, чем X11, для рендеринга одинаковой сцены WebGL. Таким образом, даже когда показатели FPS выровнены, X11 умудряется делать ту же работу чуть «дешевле» с точки зрения ватт.

(Отметим, что отключение композитинга в X11 может заметно повысить FPS и снизить нагрузку, как показали испытания: X11 без композитинга выдал максимальный FPS и минимальную загрузку GPU/CPU . Это дополнительное преимущество X11, недоступное в Wayland, где композитинг неотделим от работы протокола.)

Сравнение Wayland-сессий KDE Plasma и GNOME (Fedora 42 vs KDE neon)

В заключение, Игорь решил сравнить производительность Wayland не только внутри KDE, но и в другом окружении. Для этого он провёл аналогичный набор тестов на Fedora 42 Workstation (GNOME, Wayland), сопоставив результаты с данными KDE neon (Plasma 6.4) на том же ноутбуке с AMD GPU. Конфигурации Fedora GNOME и KDE neon существенно различаются (версии ядра, драйверов, фоновых сервисов и пр.), поэтому цифры нельзя считать строго научным сравнением. Однако общие тенденции в относительнойпроизводительности можно проследить и тут:

• Простои CPU: Сеанс GNOME (Wayland) показал самую высокую загрузку процессора в простое – около 2,2% CPU (т.е. ~97,8% idle). Это даже больше, чем у KDE Plasma Wayland в ресурсоёмком режиме CA (~2,1%). Для сравнения, KDE Wayland (PE) потреблял ~1,97% CPU, а KDE X11 – всего ~1,83% CPU. Таким образом, GNOME/Wayland нагружал процессор на ~20% больше, чем X11 (и на 5–12% больше, чем Plasma Wayland).
• Энергопотребление в простое: В GNOME (Wayland) оно оказалось нестабильным, прыгая от ~5,83 Вт до 7,62 Вт в разных замерах. Для сравнения, KDE Wayland давал ~6,05–6,09 Вт, а KDE X11 – 5,67–5,87 Вт. В лучшем случае Fedora/GNOME потреблял на пару процентов меньше, чем Plasma/Wayland, но в худшем – на ~25% больше. Если усреднить (~6,7 Вт), выходит, что GNOME/Wayland потребляет ~10% больше энергии, чем X11 на том же железе. Столь большой разброс в Fedora частично объясняется отличиями в фоновых процессах и поведении powertop, но тренд ясен: Wayland-сессия GNOME не превосходит KDE по экономичности, а X11 остаётся самым «экономным».
• Простои GPU: Интересно, что в полностью холостом режиме GNOME/Wayland показал самую низкую загрузку GPU среди сравниваемых (ниже, чем KDE X11/Wayland). Однако Игорь объясняет это не лучшей эффективностью GNOME, а разницей в методике: в сеансе KDE для мониторинга был запущен системный монитор Plasma (который сам по себе нагружает GPU), тогда как в GNOME использовался более лёгкий GNOME System Monitor. То есть часть «преимущества» GNOME на графике – артефакт различий измерения. В целом же, без учёта мониторинга, GNOME не демонстрирует меньшего использования GPU под нагрузкой – наоборот, как увидим далее.
• Профилирование CPU (perf): Сбор статистики perf показал, что сеанс GNOME (Wayland) в простое выполнил меньше CPU-инструкций и циклов, чем Plasma/Wayland. Однако при сравнении с X11 всё равно наблюдается увеличение работы. Игорь отмечает, что часть различий может быть обусловлена разными версиями ядра: Fedora использует более свежий/оптимизированный ядро, что могло слегка снизить нагрузку. Тем не менее, GNOME Wayland по-прежнему делает больше «холостой» работы, чем KDE X11.
• Воспроизведение 4K-видео (Wayland vs X11 vs GNOME): В этом тесте сеанс GNOME (Fedora Wayland) потребил чуть меньше CPU (29,6%), чем KDE Plasma Wayland (31,5% в режиме CA). Однако оба существенно отстают от KDE X11, который задействовал лишь ~9,8% CPU на то же видео (примерно в 3 раза меньше, чем GNOME Wayland). Иначе говоря, X11 по-прежнему вне конкуренции – Wayland-нагрузка на CPU в 3 раза выше даже в лучшем случае. Между двумя реализациями Wayland небольшое преимущество оказалось у GNOME (он на ~6% разгрузил CPU относительно KDE/Wayland в режиме PE, хотя и на 15% отстал от режима CA; причины такой инверсии неясны).
• Нагрузка на GPU при видео: Здесь GNOME/Fedora внезапно оказался самым «тяжёлым». По данным radeontop, графический конвейер GPU был загружен на ~58,2% под GNOME, тогда как под KDE (Wayland и X11) – ~56–58%. Разница невелика (1–2%), но по другим показателям GNOME сильно впереди: он задействовал видеопамять (VRAM) ~50,9 единиц, что более чем в 2 раза выше, чем в Plasma/Wayland (~23–24) и на ~15% выше, чем в Plasma/X11 (~44). Объём GTT буфера и тактовые частоты GPU/шейдеров тоже были максимальными в GNOME/Wayland – например, частота шейдеров на 28% выше, чем худший случай Plasma. Эти данные указывают, что Wayland в GNOME потребляет ещё больше GPU-ресурсов, чем Wayland в KDE, возможно из-за особенностей композиции Mutter и других компонентов GNOME.
• Энергопотребление при видео: Расход энергии при воспроизведении 4K-видео подтвердил тенденцию. KDE X11 снова был самым эффективным – ~11,4–14,9 Вт. KDE Wayland (CA) – около 13,8–14,1 Вт, GNOME Wayland – 12,5–15,6 Вт, а KDE Wayland (PE) в пике до 20,4 Вт. Если сравнить сопоставимые условия: GNOME vs KDE Wayland, то Fedora (GNOME) потреблял примерно на ~10% меньше энергии, чем KDE Wayland в режиме PE, и столько же больше, чем в режиме CA. Но оба Wayland-сценария потребляли больше, чем X11 (разница ~8–10%). Таким образом, сеанс X11 вновь показал минимальный расход, тогда как Wayland (будь то KDE или GNOME) тратил больше батареи на ту же задачу.
• Тест WebGL Aquarium: В графическом тесте с 3D-анимацией разница FPS между окружениями оказалась невелика. GNOME Wayland выдавал порядка 26–29 FPS, KDE Wayland – ~16–38 FPS, KDE X11 (Comp ON) – 16–42 FPS (без композитинга ещё выше). Фактически по производительности GNOME сравним с KDE (в пределах разброса). Однако по энергопотреблению картина прежняя: Wayland-сессии потребляли больше энергии на кадр, чем X11. По измерениям, GNOME (Wayland) потреблял ~17–19 Вт, Plasma Wayland – до 27–29 Вт, а Plasma X11 – ~21–29 Вт в этом тесте. Разница между GNOME и KDE обусловлена разными параметрами теста (в Fedora измерялись сценарии с/без зарядки). В целом же при равном FPS сессия Wayland расходует примерно на 5–10% больше энергии, чем X11 (подтверждая аналогичные выводы на другом железе).

В итоге, сравнение показало, что реализация Wayland в KDE Plasma оказалась несколько более производительной, чем в GNOME (Fedora) – по крайней мере, GNOME-сессия потребляла ещё больше CPU/GPU ресурсов в простое и под нагрузкой, чем KDE-сессия. Однако любой вариант Wayland пока уступает X11, который стабильно демонстрирует меньшую нагрузку и экономичность на одном и том же оборудовании.

(Ниже приведена итоговая сравнительная таблица некоторых метрик для четырёх сценариев: Fedora 42 (GNOME Wayland), KDE neon Wayland (режим PE), KDE neon Wayland (режим CA) и KDE neon X11 (с композитингом), взятых из разных разделов тестирования.)

(Примечание: строка «Инструкции CPU (idle)» указана качественно в относительных величинах – во сколько раз больше инструкций выполнено по сравнению с X11. Из профилей perf: Wayland (PE) ~780 млн, Wayland (CA) ~901 млн, X11 ~483 млн инструкций за одинаковое время.)

Выводы

Результаты всех этих тестов однозначны: протокол X11 пока рано списывать со счетов. Несмотря на свой возраст, X11-сессия оказалась более производительной и экономичной практически по всем параметрам, чем современный сеанс на базе Wayland. Разница проявляется и на интегрированной графике AMD, и на гибридной системе с NVIDIA, и в разных окружениях (KDE Plasma 5/6, GNOME) – везде «старый» X11 нагружает систему меньше, выдавая зачастую лучшую производительность (FPS).

Wayland в текущем состоянии явно требует дальнейшей оптимизации. Даже для тривиальных задач (показывать пустой рабочий стол) он потребляет больше циклов CPU и активнее дёргает GPU, чем X11. Под серьёзной нагрузкой (видео, 3D) эти накладные расходы многократно усиливаются, приводя к избыточному использованию CPU и энергии. Никаких критических багов, объясняющих такое поведение, не обнаружено – проблема в самом принципе работы и текущей реализации Wayland, которая пока менее эффективна, «тяжелее» архитектурно.

Интересно, что реализация Wayland в KDE Plasma оказалась чуть лучше оптимизирована, чем в GNOME: Plasma-сессия на Wayland потребляет несколько меньше ресурсов, чем GNOME/Wayland (Fedora) на том же железе. Тем не менее, даже Plasma/Wayland заметно уступает Plasma/X11. Сам Игорь Любунчич резюмирует это так:

«X11 по-прежнему работает лучше практически во всех сценариях – это подтверждается моими измерениями мощности, CPU, GPU и FPS: X11 обеспечивал более быстрый и лёгкий режим работы как в Plasma 5, так и в Plasma 6, на AMD и Nvidia графике».

Таким образом, пока Wayland не достиг зрелости и оптимальности X11, принудительный переход на него несёт риски деградации производительности. Данные тесты показывают четкий тренд в пользу X11: он остаётся самым оптимальным решением с точки зрения эффективности использования ресурсов. Wayland же, будучи более современным протоколом, ещё нуждается в серьёзной доработке, чтобы как минимум сравняться с X11 по базовой производительности. Как отмечает автор, «держите X11 под рукой» – во благо пользователя и будущего Linux-Desktop’а , по крайней мере до тех пор, пока разработчики не сделают Wayland действительно лёгким и быстрым.

TL;DR: X11-сессия сегодня выигрывает у Wayland-сессии по всем фронтам: меньше грузит CPU/GPU в простое и под нагрузкой, экономит 5–15% энергии, даёт более высокие FPS в графических задачах. Wayland же предстоит длинный путь оптимизации, прежде чем он сможет без компромиссов заменить X11 в плане производительности.