Neuer Artikel: Braucht man die GeForce RTX noch? Raytracing-Tests auf GeForce GTX 10 und 16 Beschleunigern

Nachdem NVIDIA das Raytracing in Echtzeit auf Grafikkarten der GeForce RTX-Serie demonstriert hat, ist es schwer zu bezweifeln, dass genau diese Technologie (in einer angemessenen Kombination mit dem Rasterisierungsalgorithmus) die Zukunft der Computerspiele darstellt. Bis vor kurzem galten Grafikkarten auf der Basis der Turing-Architektur mit spezialisierten RT-Kernen als die einzige Kategorie von diskreten GPUs, die über die passende Rechenleistung hierfür verfügten.

Wie die Tests der ersten Spiele gezeigt haben, die Ray Tracing (Battlefield V, Metro Exodus und Shadow of the Tomb Raider) entfaltet haben, erleben selbst die GeForce RTX-Beschleuniger (insbesondere der kleinste unter ihnen – RTX 2060) bei Aufgaben des hybriden Renderings einen signifikanten Rückgang der Bildwechselrate. Trotz der ersten Erfolge kann das Raytracing in Echtzeit noch nicht als ausgereifte Technologie betrachtet werden. Erst wenn nicht nur die fortschrittlichsten und teuersten Geräte, sondern auch Grafikkarten der mittleren Preisklasse die früheren Leistungsstandards in neuen Wellen von Spielen erreichen, kann erklärt werden, dass der Paradigmenwechsel, den Jensen Huang eingeleitet hat, endlich vollzogen wurde.

Raytracing auf "Pascal" – dafür und dagegen

Doch bereits jetzt, wo noch kein Wort über den zukünftigen Nachfolger der Turing-Architektur gesagt wurde, hat NVIDIA beschlossen, den Fortschritt anzukurbeln. Auf der GPU Technology Conference im letzten Monat gab das grüne Team bekannt, dass die Beschleuniger auf Pascal-Chips sowie die kleineren Vertreter der Turing-Familie (Serie GeForce GTX 16) die Funktion des Raytracings in Echtzeit ebenso erhalten werden wie die Produkte unter der Marke RTX. Heute ist der versprochene Treiber bereits auf der offiziellen NVIDIA-Website erhältlich, und die Liste der Geräte umfasst Modelle der Familie GeForce 10, beginnend mit GeForce GTX 1060 (Version 6 GB), dem professionellen Beschleuniger TITAN V auf Volta-Chip und natürlich die neu eingetroffenen Modelle der mittleren Preisklasse auf TU116-Chip – GeForce GTX 1660 und GTX 1660 Ti. Auch Laptops mit den entsprechenden GPUs haben ein Update erhalten.

Aus technischer Sicht gibt es hier nichts Übernatürliches. Grafikprozessoren mit einheitlichen Shaderblocken konnten Ray Tracing lange vor der Einführung der Turing-Architektur durchführen, obwohl sie damals nicht über die erforderliche Leistung verfügten, um diese Funktion in Spielen nutzbringend einzusetzen. Zudem fehlte ein einheitlicher Standard für Programmiermethoden, abgesehen von geschlossenen APIs wie dem proprietären NVIDIA OptiX. Jetzt, wo es die DXR-Erweiterung für Direct3D 12 und ähnliche Bibliotheken in der Vulkan-API gibt, kann die Spiel-Engine auf sie zugreifen, unabhängig davon, ob der Grafikprozessor mit spezieller Logik ausgestattet ist — solange der Treiber diese Möglichkeit bietet. Die Turing-Chips verfügen über spezielle RT-Kerne für diesen Zweck, während bei GPU der Pascal-Architektur und dem TU116-Prozessor Ray Tracing in Form von allgemeinen Berechnungen auf einem Array von Shader-ALUs implementiert ist.

Allerdings sagt alles, was wir von NVIDIA über die Turing-Architektur erfahren, dass Pascal für Anwendungen mit DXR-Unterstützung nicht geeignet ist. In der letztjährigen Präsentation, die sich auf die Flaggschiff-Modelle der Turing-Familie — GeForce RTX 2080 und RTX 2080 Ti — konzentrierte, präsentierten die Ingenieure folgende Erkenntnisse. Wenn man alle Ressourcen der besten Grafikkarte der letzten Generation — der GeForce GTX 1080 Ti — auf Ray Tracing-Berechnungen konzentriert, wird die Gesamtleistung 11 % dessen nicht übersteigen, was theoretisch mit der RTX 2080 Ti möglich wäre. Ebenso wichtig ist, dass die freien CUDA-Kerne des Turing-Chips gleichzeitig zur parallelen Verarbeitung anderer Bildkomponenten verwendet werden können — zur Ausführung von Shader-Programmen, zur Verarbeitung von nicht-grafischen Berechnungen in Direct3D während der asynchronen Ausführung usw.

In echten Spielen ist die Situation komplizierter, da die Entwickler auf der vorhandenen Hardware die DXR-Funktionen dosiert nutzen und der Löwenanteil der Rechenlast nach wie vor von Rasterisierung und Shader-Anweisungen beansprucht wird. Darüber hinaus können viele verschiedene Effekte, die durch Raytracing erzeugt werden, auch gut auf CUDA-Kernen von Pascal-Chips ausgeführt werden. Zum Beispiel beinhalten spiegelnde Oberflächen in Battlefield V keine sekundäre Reflexion von Strahlen, was sie zu einer machbaren Belastung für leistungsstarke Grafikkarten der letzten Generation macht. Das Gleiche gilt für die Schatten in Shadow of the Tomb Raider, obwohl das Rendern komplexer Schatten, die von mehreren Lichtquellen gebildet werden, bereits eine schwierigere Aufgabe darstellt. Globales Licht in Metro Exodus stellt selbst für den Turing-Chip eine Herausforderung dar, und von Pascal kann in irgendeiner Weise keine vergleichbaren Ergebnisse erwartet werden.

Wie auch immer, es besteht ein mehrfacher Unterschied in der theoretischen Leistungsfähigkeit zwischen Vertretern der Turing-Architektur und ihren nächsten Silizium-Analogien auf Pascal-Basis. Dabei spricht nicht nur das Vorhandensein von RT-Kernen für Turing, sondern auch zahlreiche Verbesserungen allgemeiner Art, die für Beschleuniger der neuen Generation typisch sind. So können Turing-Chips Operationen parallel auf Fließkomma- (FP32) und Ganzzahl- (INT) Daten ausführen, verfügen über einen großen lokalen Cache und separate CUDA-Kerne für Berechnungen mit verringerter Genauigkeit (FP16). All dies bedeutet, dass Turing nicht nur besser mit Shader-Programmen zurechtkommt, sondern auch vergleichsweise effektiv die Raytracing-Berechnungen ohne spezialisierte Blöcke durchführen kann. Denn die ressourcenintensive Verarbeitung mit Ray Tracing wird nicht nur durch die Suche nach Schnittpunkten zwischen Strahlen und Geometrie (worauf sich die RT-Kerne konzentrieren) verursacht, sondern vor allem durch die Berechnung der Farbe am Schnittpunkt (Shading). Übrigens gelten die genannten Vorteile der Turing-Architektur auch für die GeForce GTX 1660 und GTX 1660 Ti, obwohl im Chip TU116 keine RT-Kerne vorhanden sind, weshalb die Tests dieser Grafikkarten mit Software-Raytracing von besonderem Interesse sind.

Aber genug von der Theorie, denn wir haben bereits Daten zur Leistung der "Paskals" (sowie der kleineren "Turing"-Modelle) in Battlefield V, Metro Exodus und Shadow of the Tomb Raider basierend auf eigenen Messungen gesammelt. Es sei darauf hingewiesen, dass weder der Treiber noch die Spiele selbst die Anzahl der Strahlen regulieren, um die Belastung der GPU ohne RT-Kerne zu verringern, was bedeutet, dass die Qualität der Effekte auf GeForce GTX und GeForce RTX gleich sein sollte.

Teststand, Testmethodik

Die Werte für die durchschnittliche und minimale Bildrate stammen aus einem Array von Renderzeiten für einzelne Frames, das vom integrierten Benchmark (Metro Exodus, Shadow of the Tomb Raider) oder dem OCAT-Tool aufgenommen wird, falls der Benchmark im Spiel nicht vorhanden ist (Battlefield V).

Die durchschnittliche Bildwiederholfrequenz in den Diagrammen ist der Kehrwert der durchschnittlichen Frame-Zeit. Um die minimale Bildrate zu bewerten, wird die Anzahl der Frames gezählt, die in jeder Sekunde des Tests erstellt wurden. Aus diesem Array von Zahlen wird der Wert gewählt, der dem 1. Perzentil der Verteilung entspricht.

Testteilnehmer

Bei den Leistungstests wurden folgende Grafikkarten eingesetzt:

• NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti Founders Edition (1350/14000 MHz, 11 GB);
• NVIDIA GeForce GTX 2080 Founders Edition (1515/14000 MHz, 8 GB);
• NVIDIA GeForce RTX 2070 Founders Edition (1410/14000 MHz, 8 GB);
• NVIDIA GeForce RTX 2060 Founders Edition (1365/14000 MHz, 6 GB);
• NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti (6 GB);
• NVIDIA GeForce GTX 1660 (6 GB);

• NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti (1480/11000 MHz, 11 GB);
• NVIDIA GeForce GTX 1080 (1607/10000 MHz, 8 GB);
• NVIDIA GeForce GTX 1070 Ti (1608/8008 MHz, 8 GB);
• NVIDIA GeForce GTX 1070 (1506/8008 MHz, 8 GB);
• NVIDIA GeForce GTX 1060 (1506/9000 MHz, 6 GB).

Battlefield V

Dank der Tatsache, dass Battlefield V selbst ein recht unanspruchsvolles Spiel ist (besonders in den Modi 1080p und 1440p), und die Raytracing-Technologie nur sporadisch eingesetzt wird, brachte der GeForce 10-Serie-Test mit der DXR-Option ermutigende Ergebnisse. Allerdings mussten wir uns bei allen Modellen ohne Raytracing auf den Siliziumebene auf die Modelle GTX 1070/1070 Ti und GTX 1080/1080 Ti beschränken. Die Spiele von Electronic Arts reagieren skeptisch auf häufige Hardwarewechsel und blockieren die Benutzer für einen Zeitraum von einem oder mehreren Tagen. Daher werden die Leistungsmessungen der GeForce GTX 1060 und zweier Geräte der GeForce GTX 16-Serie später in diesem Artikel erscheinen, sobald Battlefield V die Beschränkungen auf unserem Testsystem aufhebt.

In Prozent ausgedrückt erfahren alle Teilnehmer des Tests bei unterschiedlichen Raytracing-Qualitätseinstellungen unabhängig von der Bildschirmauflösung etwa den gleichen Leistungsverlust. So sinkt die Leistung der Grafikkarten der Marke GeForce RTX 20 um 28–43 % bei niedriger und mittlerer Qualität der DXR-Effekte, während sie bei hoher und maximaler Qualität um 37–53 % abnimmt.

Bei den älteren Modellen der GeForce 10-Serie verliert das Spiel auf den Raytracing-Stufen Low und Medium zwischen 36 und 42 % FPS, während bei hoher Qualität (Einstellungen High und Ultra) DXR bereits 54–67 % der Bildwiederholrate beansprucht. Wir möchten anmerken, dass es in vielen, wenn nicht in den meisten Spielszenen von Battlefield V keinen merklichen Unterschied zwischen den Einstellungen Low und Medium sowie zwischen High und Ultra gibt – weder hinsichtlich der Bildschärfe noch der Leistung. In der Hoffnung, dass die Pascal-Grafikprozessoren empfindlicher auf dieses Kriterium reagieren, haben wir Tests bei allen vier Einstellungen durchgeführt. Tatsächlich traten gewisse Unterschiede auf, jedoch nur bei einer Auflösung von 2160p und innerhalb von 6 % FPS.

In absoluten Zahlen kann jeder der höherwertigen Beschleuniger auf Pascal-Chips eine Bildrate von über 60 FPS im 1080p-Modus bei reduzierter Reflexionsqualität unterstützen, während die GeForce GTX 1080 Ti sogar im High-Raytracing-Modus ein ähnliches Ergebnis anstrebt. Wechselt man jedoch zur Auflösung 1440p, bieten nur die GeForce GTX 1080 und GTX 1080 Ti eine komfortable Bildrate von 60 FPS oder mehr bei Raytracing in niedriger oder mittlerer Qualität, und im 4K-Modus hat keine der Grafikkarten der letzten Generation die erforderliche Rechenleistung (wie übrigens auch keine Turing-Karte, abgesehen vom Flaggschiff GeForce RTX 2080 Ti).

Wenn man Parallelen zwischen den konkreten Beschleunigern der Marken GeForce GTX 10 und GeForce RTX 20 sucht, stellt das beste Modell der letzten Generation (GeForce GTX 1080 Ti), das bei Standard-Rendering ohne DXR dem GeForce RTX 2080 entspricht, einen Rückgang auf das Niveau der GeForce RTX 2070 bei reduzierter Raytracing-Qualität dar, während es bei hoher Qualität höchstens gegen die GeForce RTX 2060 bestehen kann.

Quelle: 3dnews.ru