PCGH Rückblick: Entwicklung der 3D-Grafik (Teil 1)

Beginnen wollen wir unseren Rückblick auf die Geschichte der 3D-Karten, welche heute von so illustren Namen wie AMD Radeon HD und Nvidia Geforce 8 dominiert wird, mit der ersten verbreiteten und erfolgreichen 3D-Karte, der Voodoo Graphics. Die Entwicklung der Grafik-Ausgabe inklusive der verschiedenen Format wie HGC, EGA, CGA und dergleichen lassen wir geflissentlich aus. Computerbase hat einen umfangreichen Artikel zu diesem Thema anzubieten, falls sie sich für ältere non-3D-Grafik interessieren. Interessante 3D-Hardware findet bei uns natürlich gebührende Erwähnung, während wir langweilige Flops wie zum Beispiel Intel i740/i752, welche auf Basis von zugekaufter Real-3D-Technologie die Grundlage für die spätere integrierte Chipsatzgrafik bildeten, hier nicht weiter betrachten.

Was wir Ihnen allerdings vorab verdeutlichen möchten, ist die rasante Entwicklung, welche 3D-Chips im Laufe der Jahre durchgemacht haben. Dazu haben wir die Zunahme der Leistungsfähigkeit in verschiedenen, für 3D-Chips wichtigen Bereichen in Balkenform gebracht. Staunen Sie mit uns, wie enorm die Fortschritte der 3D-Grafikchips seit deren Kindertagen sind.








1996: Voodoo Graphics und danach lange nichts

Das Erstlingswerk der Pioniere von 3dfx erschien 1996 und setzte noch auf zwei einzelne Chips: Pixel- und Texel-FX. Beide liefen normalerweise mit 50 MHz und verfügten über die auch heute noch wichtigen Grundlagen der 3D-Beschleunigung: bilineares Texture-Mapping mit Mipmap-Unterstützung, Perspektivenkorrektur, 16-Bit-Z-Buffer, Kantenglättung und sogar eine (palettenbasierte) Texturkompression. Was wenige wissen: Beinahe wären SST-1 und die darauf basierenden Voodoo-Karten nicht einmal auf den Markt gekommen, denn zu den ursprünglichen Preisen von 500 US-Dollar fand sich kein Hersteller, der die Boards in den Handel bringen wollte. Zum Glück für 3Dfx (damals noch mit großem "D") stürzten die Speicherpreise für den benötigten EDO-RAM Anfang 1996 ins Bodenlose und die UVP sank auf eher markttaugliche 300 US-Dollar. Mit Tomb Raider, welches sogar Edge-Antialiasing bot und der per Mini-GL-Treiber beschleunigten id-Engine-Spiele der ersten Generation begann der Siegeszug von 3Dfx. Kaum genutzt wurde im Heimnutzer-Markt die SLI-Fähigkeit des Chips, welche allerdings 3Dfx-Partner Quantum3D im Simulator-Geschäft auszuschlachten wusste. Alle drei Faktoren (Multi-GPU, Beziehungen zu Quantum3D und das Simulatorgeschäft) waren übrigens den Vorgeschichten der 3Dfx-Verantwortlichen zu verdanken, welche allesamt SGI-Erfahrung hatten.


...ferner liefen
Zu dieser Zeit gab es als Konkurrenz höchstens noch die Matrox-Millenium-Karten (später auch die preiswerteren Mystique-Modelle), welche vor der G200-Generation allerdings nur über ein stark eingeschränktes 3D-Repertoire verfügten und nicht einmal bilineare Texturfilterung boten. Die traditionell im OEM-Geschäft starken Produkte von S3 unter dem Familiennamen Virge boten zwar die zeitgemäßen 3D-Features, waren aber zu Recht als 3D-Ent- statt -Beschleuniger verrufen. Auch Ati konnte 3dfx mit ihrer Rage-Reihe damals nicht das Wasser reichen, obwohl die Kanadier aus 2D-Zeiten noch einen sehr guten Ruf und mehr als nur einen Fuß in der Tür des OEM-Geschäfts hatten.

Wichtige Modelle 1996:
- 3dfx Voodoo Graphics


1997: Integrierte Konkurrenz aus vielen Häusern
Während sich 3Dfx in diesem Jahr auf den wohlverdienten Lorbeeren der Voodoo Graphics ausruhte und lediglich den ungeliebten Versuch unternahm, den reinen 3D-Beschleuniger mit einem 2D-Teil auf einer Karte - berüchtigt als Voodoo Rush - zu verheiraten, versuchte die Konkurrenz, 3Dfx' Quasi-Monopol bei ernsthaften Zockern zu brechen. Die später von Micron aufgekaufte Firma Rendition brachte mit dem Vérité 2200 einen Chip mit sehr viel Potenzial, hoher Bildqualität, einem teilweise programmierbaren Mikrokernel und einer eigenen API namens RRedline mit. Letztere ist auch der Grund, warum dem Chip kein Erfolg beschieden war: Wie viele Produkte seiner Zeit konnte er seine volle Leistungsfähigkeit nur mit der eigenen API entfalten. Direct X und Open GL waren zwei "Krücken", welche unterstützt werden mussten, aber weit von ihrer heutigen Bedeutung entfernt.


Alternative Ansätze: Power VR
Auch Power VR blieb nach dem PCX-1-Debakel, welcher wie andere Karten der alten Garde nicht über bilineare Filterung verfügte, nicht untätig. PCX-2 sollte es richten und wurde neben der Apocalypse5D auch auf Matrox' m3D eingesetzt. Power-SGL, die eigene Sprache der Chips, ermöglichte einen id-Game-Port, mit dem erstmals sogar 1.024x768 Pixel wählbar waren - das Spiel lief jedoch ziemlich langsam in dieser Auflösung. Die Bildqualität war zu der Zeit allerdings nicht zu schlagen. Schwierig wurde es mit der 3D-Unterstützung "normal" programmierter Spiele, da der Chip nicht über einen dauerhaften Tiefenpuffer verfügte, sondern eine frühe Form des noch zu späten Ehren kommenden Deferred-Renderings nutzte - dummerweise brauchte er dafür viel Vorarbeit im Treiber und diese musste von den damals nicht gerade üppig dimensionierten CPUs kommen - für die Perspektive: Selbst das Abspielen einer DVD war 1997 erst mit Hardwarebeschleunigung über die Grafikkarte oder über dedizierte Zusatzkarten problemlos möglich.

Nvidia: Auferstanden aus Ruinen
Eine weitere Firma versuchte nun, 3Dfx Paroli zu bieten: Nvidia. Nachdem der ambitionierte, aber am Markt vorbentwickelte NV1 die Firma an den Rand des Bankrotts gebracht hatte und auch der NV2, welcher als Grafiklieferant für Segas Dreamcast-Konsole geplant war, keinen Erfolg bei der Ausschreibung hatte, versuchte sich die damals noch kleine Firma mit dem NV3 erneut im PC-Markt. Wichtigste Neuerung des Riva128-Chips: Er war von Grund auf für Direct X und Open GL entwickelt und verfügte über keine eigene API. Zudem war der 2D/3D-Kombichip für damalige Verhältnisse relativ flott getaktet und vereinte konkurrenzfähige 2D- mit guter 3D-Leistung. Eine Reihe von Firmen, darunter STB, ELSA und andere, boten Karten auf Basis des PCI-Chips NV3 an. Wenig später schob Nvidia noch den Riva128 ZX nach, welcher auch auf AGP-Karten eingesetzt werden konnte und bis zu 8 MiByte Videospeicher unterstützte.


3Dfx schlägt zurück - doppelt doppelt!
Nach dem gescheiterten Voodoo-Rush-Projekt konzentrierte sich 3Dfx zunächst auf die erfolgreiche Sparte der reinen 3D-Zusatzboards. Bevor die aufholende Konkurrenz zum Überholen ansetzen konnte, brachten die 3D-Pioniere eine erweiterte Version der Voodoo-Graphics-Chips auf den Markt: Die Voodoo2. Dank modernerem Fertigungsprozess konnte die Taktfrequenz auf 90 MHz angehoben werden, womit sich die Rohleistung beinahe verdoppelte. Zudem setzen die 3Dfx-Ingenieure auf jedes Voodoo2-Board einen zusätzlichen Texel-FX-Prozessor. Damit wurde das gerade in Mode kommende Multi-Texturing auf einen Schlag nochmals um 100 Prozent beschleunigt und zusätzlich Bandbreite eingespart, da die Textureinheiten zwei Texturen pro Durchgang, also ohne zwischenzeitliche Schreib- und Lesezugriffe in den Framebuffer erlaubten (Single-Pass Multi-Texturing). Neu für den Endkundenbereich war die SLI-Technologie. Damals stand es noch für Scan-Line-Interleave und erlaubte es, zwei Voodoo2-Karten zu koppeln um die Fps-Rate nochmals zu steigern. Insgesamt konnten so gegenüber einer (einzelnen) Voodoo Graphics bis zu 620 Prozent Leistungssteigerung möglich werden. Da die Spiele der 1998er-Generation bereits auf höher auflösende Texturen setzten und vielen Spielern die Voodoo-Graphics-Beschränkung auf 640x480 3D-Pixel (ohne Z-Buffer waren 800x600 möglich) bereits sauer aufstieß, erweiterte man auch den - immer noch aus EDO-Modulen bestehenden und in Framebuffer und Texturspeicher getrennten - VRAM. Für alle Voodoo2-Modelle gab es einen 4 MiByte großen Framebuffer, welcher einer Einzelkarte 800x600 Pixel in 3D erlaubte und im SLI gemeinsam genutzt werden konnte, sodass 1.024x768 Bildpunkte möglich wurden. Für Texturen standen - je nach Modell - 4 bis 8 MiByte zur Verfügung.


Wichtige Modelle 1997:
- Matrox m3D (PCX2)
- Nvidia Riva 128 (NV3)
- Ati Rage3D (Rage)
- 3DLabs Permedia II
- 3Dfx Voodoo 2 (SST-2)


1998: Die Suche nach dem Vooodoo-(2)-Killer
Die Konkurrenz trat, nachdem der erste Schock überwunden war, natürlich abermals an, um die Vormachtstellung von 3Dfx zu brechen. Nvidia kündigte mit dem TNT (Twin-Texel-Engine) sogar einen Voodoo2-SLI-Killer an, der ersten Planungen zufolge mit damals flotten 125 MHz laufen sollte. Heraus kam dann, wie so oft in der Geschichte, aufgrund von Fertigungsproblemen und Verzögerungen ein Produkt, welches die Vorschusslorbeeren nicht verdient hatte. Die finale Riva TNT lief dann mit 90 MHz Chiptakt und erreicht so gerade die Texelfüllrate einer Voodoo2. Zwar reichte es, um in vielen Spielen mit einer Voodoo2 gleichzuziehen und in einigen sogar schneller zu sein, aber gegen ein SLI-Gespann kam 1998 einfach keine andere Lösung an. Auf der Feature-Seite tat sich allerdings etwas. Da 3Dfx mit Voodoo2 und Voodoo Banshee "nur" einen neuen Aufguß bewährter Technologie brachte, blieb es Nvidia, Matrox überlassen, den marketingträchtigen Kampf um neue Features einzuläuten. Dies taten die entsprechenden Abteilungen der Firmen dann auch ausgiebig und neben der reinen Fps-Leistung, welche damals noch kritischer als heute war, traten erstmals Features wie trilineare Texturfilterung, 32-Bit-Rendering und Texturauflösungen von mehr als 256x256 Texeln auf den Plan.

Matrox bot nach der kritischen, mit der zugekauften m3D überbrückten Übergangsphase, erstmals einen konkurrenzfähigen 3D-Chip in Form des G200 an. Dieser kam sowohl auf der günstigeren Mystique als auch auf der traditionell im High-End-Bereich angesiedelten Millenium zum Einsatz. Standardkonfiguration des mit einer erstklassigen Bildqualität und guter, aber nicht überragener Performance versehenen Chips waren 8 MiByte Videospeicher, welche sich bei einigen Karten durch ein Aufsteckmodul noch auf 16 MiByte verdoppeln liessen. Zumeist mussten die Mystique-Karten sich dabei mit SD-RAM begnügen, während die Millenium-Modelle den etwas schnellerer Burst-Write von SGRAM nutzen konnten. Besonders im damals noch zumeist recht langsamen 32-Bit-Modus konnten die Matrox-Karten dank ihres Dual-Independent-Bus genannten Speicherinterfaces punkten, welcher eine effizientere Nutzung der Bandbreite erlaubte. Der Erfolg der G200-Reihe war lange Zeit durch das Fehlen eines Open-GL-ICDs, also einer Treiberunterstützung für Hardwarebeschleunigung von Open GL, behindert. Die API, damals noch wichtiger als heute, konnte nur durch einen Leistung fressenden Direct-3D-Wrapper genutzt werden, was an den ohnehin immer knappen Fps-Raten zehrte.

Obwohl Ati ihren Rage128 getauften 3D-Chip bereits im Dezember 1998 zur Rezension an die Press auslieferte, waren die Karten auf Basis dieses Chips erst 1999 erhältlich -daher verschieben wir diese in das passende Jahr.

Im Herbst erfolgte ein weiterer, dieses Mal erfolgreicherer Versuch von 3Dfx, in den Kombikarten-Markt einzusteigen: Die Voodoo Banshee. Mit einem kombinierten 2D-/3D-Kern und einer Taktfrequenz von 100 MHz für Chip und Speicher konnte die Karte in Single-Texturing-Spielen sogar einer Voodoo2 davonrennen. Erstmal konnte sich 3Dfx auch zur Verwendung moderner SD-/SGRAM-Module und einem gemeinsamem VRAM für Framebuffer und Texturen durchringen - 16 MiByte war die Standardbestückung der Banshee-Modelle. Die 3D-Features blieben im Vergleich zu den Vorgänger-Modellen weitgehend unangetastet, einzig die mögliche Auflösung erhöhte sich aufgrund des global nutzbaren VRAMs.

1998 erschien noch der wenig glücklose Savage-3D-Chip von S3, die endlich das Phlegma der Virge-Entschleuniger abgelegt hatten. Dieser Chip bot als einer der ersten eine gute Umsetzung der AGP-Fähigkeiten wie beispielsweise Texturzugriff im Hauptspeicher - eines der damals wesentlichen Features von AGP da separater VRAM noch recht teuer war. Daher erschien der Savage 3D auch hauptsächlich in Konfigurationen mit nur 8 MiByte Videospeicher. Er war darüber hinaus der erste Chip, welcher Texturkompression in Form der Open-GL-Extension S3TC unterstützte. Mit dieser heute zum Standard gehörenden Technik war es möglich, wesentlich detailliertere Texturen bei geringem Speicherverbrauch zu nutzen. Leider krankte der Savage3D zunächst an suboptimaler Treiberunterstützung und später an kaum noch konkurrenzfähiger Performance.



Wichtige Modelle 1998:
- Nvidia Riva TNT
- Matrox G200
- Ati Rage 128
- S3 Savage 3D
- 3Dfx Voodoo Banshee


1999: Voodoo3, G400, TNT2, Geforce und Rage Fury 128 Pro
Das letzte Jahr in unserem ersten Teil der Grafikkartengeschichte beginnt mit der Verfügbarkeit der Rage 128 von Ati. Neben einem Ende 1998 modernen Fertigungsprozess mit 250 Nanometer Strukturbreite, welcher vergleichsweise hohe Taktraten bei gleichzeitig niedriger Leistungsaufnahme sicherstellen sollte, fand auch ein ausgeklügelter Pixel- und Texel-Cache Platz im Chip. Dieser sorgte dafür, dass die Speicherbandbreite effizient genutzt werden konnte und auch beim immer bedeutsamer werdenden 32-Bit-Rendering die Leistung nicht so stark einbrach, wie zum Beispiel bei Nvidias TNT-Chips. Zudem unterstützte der Rage 128 die DVD-Wiedergabe mit Hardwarebeschleunigung für iDCT, einer Dekodierungsstufe, welche bislang von der CPU ausgeführt werden musste. Damit konnten auch schwächere Rechner problemlos zur DVD-Wiedergabe genutzt werden. Auch waren die Rage-128-Modelle mit die ersten 3D-Karten für Endverbraucher, welche über 32 MiByte Videospeicher verfügte.

Matrox gelang ebenfalls ein Comeback mit dem G400, einer weiter entwickelten und höher getakteten Version des G200. Mit bis zu 32 MiByte, der von Matrox bekannten, exzellten 2D-Qualität und einem "MAX"-Modell, welches durch erhöhte Taktraten von bis zu 166/200 MHz speziell für Gamer gedacht war, konnte sich die kleine kanadische Firma für kurze Zeit an der Benchmarkspitze halten - besonders im 32-Bit-Modus, wo abermals die hohe Effizienz des Dual-Independent-Bus, die hohe Speichertransferrate durch 200 MHz RAM-Takt und eine gute Rohleistung zusammenwirkten.

3Dfx war der finanzielle Erfolg durch Voodoo2 und Banshee offenbar nicht genug und so kaufte man kurzerhand das mexikanische Produktionswerk von STB um dort die neuen Karten der Voodoo-3-Reihe selbst herzustellen. Die erstmals unter dem Label 3Dfx vertriebenen Modelle boten im Grund eine schneller getaktete Voodoo Banshee, der die zweite Textureinheit wieder hinzugefügt worden war. Mit bis zu 16 MiByte VRAM und synchronen Taktraten bis 183 MHz (V3 3500; V3 3000: 166 MHz, V3 2000: 143 MHz) konnte 3Dfx die Leistung eines Voodoo2-SLI-Verbundes plus einer 2D-Karte nun auf einen Schlag bieten. In Sachen 3D-Features tat sich allerdings immer noch nichts, sodass der Pionier von einst in dieser Hinsicht nur noch die Nachhut bilden konnte. Im Hintergrund gediehen die Pläne für eine neue Voodoo-Generation nur langsam.

Nvidia konnte mit dem TNT2 das verwirklichen, was der TNT hätte leisten sollen und mehr. Die meisten Karten verfügten über die ehedem angepeilten 125 MHz Taktfrequenz und konnten mit bis zu 32 MiByte Videospeicher umgehen. Zudem erschienen mit Ultra, Pro und M64 verschiedene Modelle des Chips, sodass Nvidia alle Marktsegmente bedienen konnte. Während Pro und besonders die TNT2 Ultra mit höheren Taktraten gegen Matrox' G400, 3dfx' V3 3500 und Atis Rage 128 Pro kämpften, bot die M64 mit halbiertem Speicherinterface kaum brauchbare Spieleleistung, profitierte aber bei weniger informierten Käufern vom guten Namen der schnellen TNT2-Modelle. An den sonstigen Stärken und Schwächen der TNT-Architektur hatte Nvidia allerdings nichts geändert, da man bereits die Pläne für die im Herbst erscheinende Geforce in der Hinterhand hatte.

Diese erschien im Herbst und stellte - laut Planung - den ersten Chip mit hardwarebeschleunigter Geometrietransformation und -beleuchtung dar. Laut Planung deshalb, weil S3 Graphics kurz zuvor die Platzierung des auf dem Papier rasend schnellen Savage 2000 gelang, welcher ebenfalls über Hardware-TnL verfügen sollte. Diese Einheit war allerdings nicht fehlerfrei und kostete oftmals Performance, wenn sie denn überhaupt genutzt wurde. Auch sonst krankte der vielversprechende Chip mit interessanter Architektur an unzulänglichen Treibern, sodass sein Markterfolg leider ausblieb.

Das störte Nvidia natürlich nicht dabei, die Marketing-Trommel für das neue "Alleinstellungsmerkmal" H-TnL zu schlagen und die Vorteile, die mit dieser Funktion möglich wären, anzupreisen. Tatsächlich jedoch verdankte die Geforce ihren Erfolg größtenteils der erstmals eingesetzten Quad-Renderpipeline. Diese konnte mit vier Pixeln zugleich doppelt soviel Arbeit verrichten, wie bisherige Chips und ohne Performanceverlust trilinear filtern. So brachte der Chip trotz vergleichsweise geringer Taktfrequenzen von 120/150 MHz für Chip und Speicher konkurrenzlose 16-Bit-Spieleleistung. Unter 32 Bit Farb- und Puffertiefe machte sich allerdings der Mangel an nutzbarer Speicherbandbreite und das Fehlen von bandbreitenschonenden Maßnahmen bemerkbar. Die 32-Bit-Krone konnte der Chip daher nicht im ersten Anlauf einheimsen, zumal Ati mit der interessanten, aber leider von Treiberproblemen geplagten Rage Fury Maxx konterte. Diese basierte zwar noch auf "alter" Technologie, verband dafür aber zwei Chips der Rage-128-Pro-Reihe miteinander. Diese wiesen unter 32 Bit sowieso nur einen geringen Fps-Einbruch auf und so gebührte 1999 Ati die Performancekrone in 32 Bit. Leider konnte der Dual-Chip-Modus unter dem immer populärer werdenden Windows 2000 (und später Windows XP) aufgrund passender Treiber nicht genutzt werden.

Zum Abschluss noch ein Wort zu H-TnL: Neben den aufkommenden Techdemos waren lediglich die populären Spiele auf Open-GL-Basis in der Lage, Teile von H-TnL (die Transformation für statische Level-Geometrie) zu nutzen und so wenigstens ein bißchen von der neuen Technik zu profitieren. Unter Direct 3D dauerte es sehr lange, bis erste Spiele erschienen, die wirklich von H-TnL profitierten. Eines der oben genannten Techdemos ist übrigens von einem deutschen Team namens Crytek programmiert worden und trug den Namen "X-Isle" und spielte auf einer palmenbewachsenen Insel...

Wichtige Modelle 1999:
- Ati Rage 128 (Pro)
- Nvidia Riva TNT2
- 3dfx Voodoo 3 (Avenger)
- PowerVR 250
- Matrox G400
- S3 Savage 4
- S3 Savage 2000
- Nvidia Geforce 256