Neuer Artikel: Braucht man die GeForce RTX nicht mehr? Tests zur Raytracing-Leistung auf GeForce GTX 10 und 16 Grafikkarten.

Nachdem NVIDIA Echtzeit-Raytracing auf den GeForce RTX Grafikkarten demonstriert hat, ist es schwer zu zweifeln, dass diese Technologie (in Kombination mit dem Rasterisierungsalgorithmus) die Zukunft der Computerspiele prägen wird. Bisher galten Grafikprozessoren auf Basis der Turing-Architektur mit spezialisierten RT-Kernen als die einzige Kategorie diskreter GPUs, die über die nötige Rechenleistung dafür verfügt.

Wie die Tests der ersten Spiele zeigen, die Ray Tracing implementieren (Battlefield V, Metro Exodus und Shadow of the Tomb Raider), erleben selbst die GeForce RTX Beschleuniger (insbesondere das Einstiegsmodell RTX 2060) signifikante Einbußen bei der Bildrate in hybriden Renderingszenarien. Trotz der ersten Erfolge kann man Echtzeit-Raytracing noch nicht als ausgereifte Technologie betrachten. Erst wenn nicht nur die fortschrittlichsten und teuersten Geräte, sondern auch Grafikkarten im mittleren Preissegment die bisherigen Leistungsstandards der neuen Spielgeneration erreichen, kann man verkünden, dass der Paradigmenwechsel, initiiert von Jensen Huang, endgültig vollzogen ist.

Raytracing auf Pascal – Für und Wider

Doch bereits jetzt, während noch kein Wort über den zukünftigen Nachfolger der Turing-Architektur verloren wurde, hat NVIDIA beschlossen, den Fortschritt voranzutreiben. Auf der GPU Technology Conference im vergangenen Monat gab das grüne Team bekannt, dass Beschleuniger auf Pascal-Chips sowie die kleineren Vertreter der Turing-Familie (GeForce GTX 16-Serie) die Funktion des Echtzeit-Raytracings erhalten werden, gleichauf mit Produkten der RTX-Marke. Heute kann der angekündigte Treiber bereits von der offiziellen NVIDIA-Website heruntergeladen werden, und die Liste der unterstützten Geräte umfasst Modelle der GeForce 10-Familie, beginnend mit der GeForce GTX 1060 (6 GB-Version), dem professionellen Beschleuniger TITAN V auf Volta-Chip und natürlich den neuen Modellen der Mittelklasse auf TU116-Chip – GeForce GTX 1660 und GTX 1660 Ti. Auch Notebooks mit entsprechenden GPUs sind betroffen.

Technisch gesehen gibt es hier nichts Übernatürliches. Grafikprozessoren mit vereinheitlichten Shader-Blocks konnten Ray Tracing schon lange vor der Einführung der Turing-Architektur durchführen, obwohl sie damals nicht über die nötige Leistungsfähigkeit verfügten, um diese Funktion in Spielen nutzen zu können. Außerdem fehlte ein einheitlicher Standard für Software-Methoden, abgesehen von proprietären APIs wie dem NVIDIA OptiX. Jetzt, wo es die DXR-Erweiterung für Direct3D 12 und ähnliche Bibliotheken in der Vulkan-API gibt, kann die Spiel-Engine darauf zugreifen, unabhängig davon, ob der Grafikprozessor über spezialisierte Logik verfügt – solange der Treiber diese Möglichkeit bietet. Die Turing-Chips haben dafür separate RT-Kerne, während in den Pascal-GPUs und im TU116-Prozessor das Ray Tracing in Form von allgemeiner Berechnung auf einem Array von Shader-ALUs implementiert ist.

Alles, was wir über die Turing-Architektur von NVIDIA wissen, weist darauf hin, dass Pascal nicht für DXR-fähige Anwendungen geeignet ist. In einer Präsentation vom letzten Jahr, die sich mit den Flaggschiff-Modellen der Turing-Familie — GeForce RTX 2080 und RTX 2080 Ti — beschäftigte, lieferten die Ingenieure die folgenden Berechnungen. Wenn alle Ressourcen der besten Grafikkarte der letzten Generation — der GeForce GTX 1080 Ti — auf Raytracing-Berechnungen verwendet werden, wird die endgültige Leistung die 11 % dessen, was der RTX 2080 Ti theoretisch leisten kann, nicht übertreffen. Ebenso wichtig ist, dass die freien CUDA-Kerne des Turing-Chips gleichzeitig für die parallele Verarbeitung anderer Bildkomponenten — die Ausführung von Shader-Programmen, die Warteschlange nicht-grafischer Berechnungen in Direct3D bei asynchroner Ausführung und so weiter — genutzt werden können.

In der realen Spielsituation ist alles komplexer. Entwickler nutzen auf bestehender Hardware die DXR-Funktionen dosiert, während der Großteil der Rechenleistung nach wie vor durch Rasterisierung und Shader-Anweisungen beansprucht wird. Zudem laufen viele Effekte, die mit Raytracing erzeugt werden, auch gut auf CUDA-Kernen der Pascal-Chips. Zum Beispiel erfordern spiegelnde Oberflächen in Battlefield V kein sekundäres Raytracing, sodass sie auch von leistungsstarken Grafikkarten der vorherigen Generation bewältigt werden können. Dasselbe gilt für die Schatten in Shadow of the Tomb Raider, auch wenn das Rendern komplexer Schatten, die von mehreren Lichtquellen erzeugt werden, eine größere Herausforderung darstellt. Global Illumination in Metro Exodus hingegen bereitet selbst dem „Turing“-Design Schwierigkeiten, und von Pascal kann in dieser Hinsicht keine vergleichbare Leistung erwartet werden.

Trotz allem gibt es einen erheblichen Unterschied in der theoretischen Leistungsfähigkeit zwischen den Vertretern der Turing-Architektur und ihren nahen Verwandten auf Pascal-Basis. Dabei spielen nicht nur die RT-Kerne zugunsten von Turing eine Rolle, sondern auch zahlreiche allgemeine Verbesserungen, die für Beschleuniger der neuen Generation typisch sind. So können die Turing-Chips Operationen an Fließkomma- (FP32) und Ganzzahl- (INT) Daten parallel ausführen, verfügen über einen großen lokalen Cache-Speicher und spezielle CUDA-Kerne für Berechnungen mit reduzierter Genauigkeit (FP16). All dies bedeutet, dass Turing nicht nur besser mit Shader-Programmen umgehen kann, sondern auch vergleichsweise effektiv Raytracing berechnen kann, ohne spezialisierte Einheiten. Denn der ressourcenintensive Rendering-Prozess beim Raytracing wird nicht nur durch die Suche nach Schnittpunkten zwischen Strahlen und geometrischen Elementen (an denen die RT-Kerne beteiligt sind) ressourcenintensiv, sondern auch durch die Berechnung der Farbe an den Schnittpunkten (Shading). Übrigens gelten die genannten Vorteile der Turing-Architektur vollumfänglich auch für die GeForce GTX 1660 und GTX 1660 Ti, obwohl der Chip TU116 keine RT-Kerne hat, weshalb die Tests dieser Grafikkarten mit Software-Raytracing von besonderem Interesse sind.

Genug der Theorie, denn wir haben bereits Daten zur Leistung von Pascal-Grafikkarten (sowie der jüngeren Turing-Modelle) in Battlefield V, Metro Exodus und Shadow of the Tomb Raider basierend auf eigenen Messungen gesammelt. Es ist anzumerken, dass weder der Treiber noch die Spiele die Anzahl der Strahlen regeln, um die Belastung der GPU ohne RT-Kerne zu verringern. Das bedeutet, dass die Qualität der Effekte auf GeForce GTX und GeForce RTX identisch sein sollte.

Teststand, Testmethodik

Die durchschnittlichen und minimalen Bildfrequenzwerte werden aus dem Zeitarray des Renderns individueller Frames abgeleitet, das von dem integrierten Benchmark (Metro Exodus, Shadow of the Tomb Raider) oder dem OCAT-Tool aufgezeichnet wird, falls dies im Spiel nicht vorhanden ist (Battlefield V).

Die durchschnittliche Bildwechselrate in den Diagrammen ist der Wert, der dem durchschnittlichen Frame-Zeitwert entgegengesetzt ist. Zur Schätzung der minimalen Bildfrequenz wird die Anzahl der in jeder Sekunde des Tests gerenderten Frames berechnet. Aus diesem Zahlenarray wird der Wert ausgewählt, der dem 1. Perzentil der Verteilung entspricht.

Teilnehmer des Tests

An den Leistungstests nahmen folgende Grafikkarten teil:

• 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

Da Battlefield V selbst ein relativ anspruchsloses Spiel ist (insbesondere in den Auflösungen 1080p und 1440p) und Raytracing nur sporadisch eingesetzt wird, hat der Test mit der GeForce 10-Serie bei der DXR-Option vielversprechende Ergebnisse geliefert. Allerdings mussten wir bei den Modellen ohne Unterstützung für Raytracing auf die Modelle GTX 1070/1070 Ti und GTX 1080/1080 Ti beschränken. Die Spiele von Electronic Arts reagieren skeptisch auf häufige Hardwarewechsel und sperren den Benutzer für einen Zeitraum von einem bis mehreren Tagen. Daher werden die Leistungswerte der GeForce GTX 1060 und zweier Modelle der GeForce GTX 16 Serie später in diesem Artikel erscheinen, sobald Battlefield V die Beschränkungen unserer Testmaschine aufhebt.

Prozentual betrachtet erleben alle Testteilnehmer bei unterschiedlichen Raytracing-Qualitätseinstellungen unabhängig von der Bildschirmauflösung etwa denselben Leistungsabfall. 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 % sinkt.

Wenn es um die höheren Modelle der GeForce 10-Serie geht, verliert das Spiel bei 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 in Anspruch nimmt. Es ist zu beachten, dass in vielen, wenn nicht in den meisten Spielszenen von Battlefield V kein deutlicher Unterschied zwischen den Einstellungen Low und Medium sowie zwischen High und Ultra besteht – weder in der Bildschärfe noch in der Leistung. In der Hoffnung, dass die Pascal-Grafikprozessoren empfindlicher auf diese Parameter reagieren, haben wir Tests bei allen vier Einstellungen durchgeführt. Tatsächlich wurden gewisse Unterschiede sichtbar, jedoch nur bei einer Auflösung von 2160p und innerhalb von 6 % FPS.

In absoluten Zahlen kann jeder der leistungsstärkeren Beschleuniger mit Pascal-Chips eine Bildrate von über 60 FPS im 1080p-Modus bei verringertem Reflexionsqualität unterstützen, während die GeForce GTX 1080 Ti sogar bei Raytracing in hoher Qualität vergleichbare Ergebnisse liefert. Wechseln wir jedoch zur Auflösung 1440p, bieten nur die GeForce GTX 1080 und GTX 1080 Ti einen komfortablen Framerate von 60 FPS oder mehr bei Raytracing-Qualität auf niedrigem oder mittlerem Niveau an; im 4K-Modus hat keine der Grafikkarten der vorherigen Generation die notwendige Rechenleistung (außer dem Flaggschiff GeForce RTX 2080 Ti aus der Turing-Reihe).

Wenn wir Parallelen zwischen den spezifischen Beschleunigern der Marken GeForce GTX 10 und GeForce RTX 20 ziehen, dann kann das beste Modell der vorherigen Generation (GeForce GTX 1080 Ti), das in klassischen Renderaufgaben ohne DXR der GeForce RTX 2080 entspricht, im Raytracing mit reduzierter Qualität auf das Niveau der GeForce RTX 2070 abfallen und hat bei hoher Qualität höchstens die Möglichkeit, mit der GeForce RTX 2060 konkurrieren zu können.

Quelle: 3dnews.ru