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

Nachdem wir bereits die Geburtsstunde und den Siegeszug von 3D-Beschleunigern im Spielebereich sowie die ersten zaghaften Versuche, die Programmierbarkeit der Grafikchips zu erweitern und damit Grundlagen für heutige GPUs zu legen, beleuchtet haben, werfen wir im heutigen Teil der Reihe einen gründlichen Blick auf die Shader-Ära.

Falls Sie die ersten beiden Teile verpasst haben oder sie sich noch einmal in Erinnerung rufen wollen, hier die direkten Links:

• PCGH Rückblick: Entwicklung der 3D-Grafik (Teil 1)
• PCGH Rückblick: Entwicklung der 3D-Grafik (Teil 2)



Was wir Ihnen vorab noch einmal nahebringen möchten, ist die rasante Entwicklung, welche 3D-Chips im Laufe der Jahre durchgemacht haben. Dazu haben wir die für 3D-Chips wichtigsten Bereiche in Balkenform gebracht. Staunen Sie mit uns, wie enorm die Fortschritte der 3D-Grafikchips seit deren Kindertagen sind.





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Geforce 4 - viel Aufregung und ein bisschen mehr Geschwindigkeit
Im Frühjahr 2002 konterte Nvidia die gerade ein paar Monate verfügbare Radeon 8500 mit einer aufgebohrten Version der Geforce 3. Wie schon beim Wechsel von Geforce 256 auf Geforce 2 wurde die Erweiterung einer bestehenden Architektur großzügig mit einer komplett neuen Namensgeneration bedacht. Die neue Karte gab es jedoch in zwei Sub-Serien: Ti (tanium) und MX. Erstere bot Taktraten von über 300 MHz bei Chip und Speicher, vier Pixelpipelines mit je zwei Textureinheiten und Unterstützung für Pixel-Shader 1.3 - Atis Radeon 8500 mit PS1.4-Support war technologisch also immer noch nicht erreicht.

Während die Ti mit den Modellen 4200, 4400 und 4600 (später auch der AGP8X-4800) der echte Nachfolger der Geforce 3 war und neben höheren Taktraten und mehr Speicher auch über einen zweiten Vertexshader verfügte, war die Geforce-MX-Reihe Gegenstand vieler hitziger Diskussionen - nicht nur in den Fanboy-Foren dieser Welt.

Denn im Gegensatz zu Ti-Version verfügte die MX nur über eine leicht erweiterte Hardware-TnL-Einheit und keinerlei Pixel-Shader. Viele sahen hierin den Versuch Nvidias, mit veralteter Hardware aus dem Namen der Geforce 4 zusätzliches Kapital zu schlagen, zumal Konkurrenz Ati mit der Radeon 9000 einen Einsteiger- und Mittelklasse-Chip herausgebracht hatte, der über (fast) das volle Feature-Set der High-End-Karten verfügte und lediglich in Sachen Leistung beschnitten war.

Zur Ehrenrettung der MX sei jedoch gesagt, dass die Fps-Leistung aufgrund der verbesserten HSR-Mechanismen und des neuen Speichercontrollers (CBMC) auch im Vergleich zur Geforce 3 recht ansprechend sein konnte und auch einige Verbesserungen in der 2D-Engine (Dual-Monitor-Support) und im Bereich der Videobeschleunigung (iDCT) Einzug gehalten haben. Die MX verfügte über zwei Pipelines mit je zwei Textureinheiten und bot immerhin auch ein ansprechendes 2x Multisampling mit gedrehtem Raster - wie GF3 und GF4 Ti.


Radeon 8500/128 und Radeon 9000-Reihe Ati hielt, bis auf den bereits erwähnten Shader-Vorstoß in die unteren Preisregionen mit der Radeon-9000-Reihe (welche übrigens auch ihr Fett wegen des Namens, welcher eine neue DX9-Generation suggerierte, abbekam) und eine 128-MiByte-Version der Radeon 8500 ziemlich still. Man bereitete im Geheimen einen Paukenschlag vor, der im September 2002 die Grafikkartenwelt auf den Kopf stellen sollte.

Die Radeon 9000 (RV250) verfügte über volle vier Pixelpipelines von denen jede - heute üblich, damals ein Novum - allerdings nur mit einer einzigen Textureinheit ausgestattet war. Dank enorm schnellem, aber qualitätsmäßig stark verbesserungsfähigem AF-Algorithmus fiel diese Beschneidung oft nicht besonders ins Gewicht zumal diverse Flaschenhälse der R8500 in der 9000er-Reihe, welche später um die funktionsgleiche 9200, 9250 und 9280 ergänzt wurde, beseitigt wurden. Außerdem fielen einige Bestandteile der Hyper-Z-Pakets sowie die Hardwareunterstützung für Truform dem Rotstift zum Opfer.

Parhelia
In der Zwischenzeit brachte Matrox im Mai nach langer Abstinenz ihren bis heute letzten Versuch auf den Markt, im Gamer-Segment mitzumischen: Die Parhelia. Dieser Chip war der erste mit einem 256-Bit-Speicherinterface und verfügte neben konkurrenzfähigen Taktraten über vier Pixelpipelines mit jeweils vier Textureinheiten. Aufgrund dieser Spezifikationen wurde er bei Bekanntwerden derselben als "Killerchip" schlechthin gehandelt, bot er doch fast doppelt soviel Bandbreite und Texturleistung wie die gesamte Konkurrenz. Zudem sollten seine vier (auch das stellte ein Verdoppelung dar!) Vertexshader bereits die Spezfikation für Direct X 9 erfüllen, welches erst über ein halbes Jahr später erschien. Die entsprechenden Treiber wurden von Matrox leider nie veröffentlicht.

Ein Feature der Parhelia ist jedoch bis heute nicht erreicht: In guter Matrox-Tradition wurde die Dual-Head-Fähigkeit für den Multimonitor-Betrieb um ein Display erweitert. Triple-Head war geboren und mit ihm auch Extreme-Widescreen-Gaming, mit dem sich drei nebeneinanderstehende Bildschirme koppeln liessen. Gewisse indizierte Shooter boten bei 3.096x768 Pixeln ein völlig neues Spielerlebnis.

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Radeon 9700: Die Geburt der GPU
Nachdem viele Gerüchte bereits im Vorfeld als Unsinn abgetan wurden, überraschte die im September 2002 vorgestellte Radeon 9700 auf Basis der R300-GPU nicht nur viele Beobachter, Fans und Experten, sondern ganz offensichtlich auch Nvidia.

Gefertigt im bewährten, aber für ausgereizt gehaltenen 0,15-Mikrometer-Prozess war der R300 die Basis der Radeon 9500/9700-Reihe und gleichzeitig der erste Grafikchip, der den Namen GPU auch wirklich verdiente. Mit rund 107 Millionen Transistoren war sie nicht nur beinahe doppelt so "schwer", wie die Vorgänger sondern auch über ein Drittel komplexer als Matrox' Parhelia-Chip. Auf diese enorme Anzahl an Schaltungen verteilten sich 256 Datenleitungen zum Speicher, satte vier Vertexshader und volle acht Pixel-Shader mit je einer TMU - damals noch "Pipelines" genannt - und das ganz nebenbei auch noch völlig Direct-X-9-kompliant. Dazu implementierten die Ati-Ingenieure ein optisch hervorragende Ergebnisse lieferndes, gamma-angepasstes Multi-Sampling mit bis zu 6 Samples pro Pixel und einen gegenüber der Radeon 8500 deutlich verbesserten und beinahe ebenso schnellen anisotropen Filter. Trotz alledem und dem (vermeintlich) an die Grenzen getriebenem Fertigungsprozess erreichte man noch einen höheren Chiptakt als Nvidia mit der Geforce 4 Ti 4600.

Die Karte konnte also trotz der Abwesenheit von Direct X 9 bereits zum Launch ihre Stärken in Sachen pfeilschneller Fps bei hoher Bildqualität unter Beweis stellen. Trotz einiger kleinerer Treiberprobleme überschlug sich die Fachpresse (zu Recht) vor Lob und in den Benchmarks ließ der rote Riese die Geforce 4 Ti häufig um ganze Faktoren hinter sich. Die in DX9 vorausgesetzte Fähigkeit, auch in gleitkommagenaue Bildpuffer mit entsprechender Genauigkeit zu rendern und Anweisungsfolgen von 96 und mehr Instruktionen abzuarbeiten, befähigte GPUs erstmals auch Aufgaben, die nicht direkt mit der 3D-Grafik zusammenhingen, zu berechnen. Die moderne GPU war geboren.

Ati schien von diesem Erfolg, der durch die langen Verzögerungen Nvidias, welche mit der neuen FX-Architektur auch gleich auf den neuen 0,13-Mikrometer-Prozess wechseln wollten, noch begünstigt wurde, selbst ein wenig überrascht. Kurz nach dem Topmodell, der Radeon 9700 Pro (325/310 GPU/RAM), schob man die geringfügig niedriger getaktete 9700 (275/270) hinterher und einige Wochen später folgten die stärker abgespeckten Modelle der Radeon-9500-Reihe. Die R9500 Pro glich der 9700, verfügte aber nur über ein 128-Bit-Speicherinterface, während die R9500 zusätzlich auf vier Pixel-Shader und 64 MiByte VRAM begrenzt wurde. Allen Karten lag allerdings noch derselbe R300-Chip zugrunde, den Ati nun auf Produkten mit der großen Preisspanne von 499 bis 179 US-Dollar anbot.

Diese Zeit war auch die Blütezeit von Treiber- und BIOS-Mods, denn häufig ließen sich bestimmte Modelle (L-förmige Speicheranordnung) der Radeon 9500 noch zu 9700ern freischalten (unlocken) und der Spieler konnte so ziemlich viel Geld sparen.

Vor Nvidia - nochmal Ati:
Bevor Nvidia überhaupt zu Atem kam und mehr als einige Vorabinformationen über seine neue Geforce-FX-Reihe streuen konnte, kündigten die Kanadier bereits den 380 Megahertz GPU- und 340 MHz RAM-Takt nochmals deutlich beschleunigten Nachfolger auf Basis des immer noch im 0,15-Mikrometer-Prozess gefertigten R350 an. Zudem setzte man die Daumenschrauben auch im Midrange-Bereich an: Der R9600 war ein in fast allen Belangen halbierter R300, der aber schon im moderneren 0,13-Mikrometer-Prozess gefertigt wurde. Dieser sollte die Margen, welche unter den billigen Abverkäufen des großen R300-Chips litten, wieder ins Lot und Gutdünken der Aktionäre befördern.

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Geforce F(ön)X
Offiziell stellte Nvidia den Chip zwar bereits am 18. November 2002 vor, außer wahrhaft erstaunlich klingenden technischen Spezifikationen war davon jedoch bis zum Frühjahr kaum etwas zu sehen - rudimentäre Benchmarkfetzen auf einigen Internetseiten einmal ausgenommen. So kam es, dass vor allem Anhand der enormen Taktrate von 500 MHz die Fachwelt im Vorfeld große Stücke auf die Geforce FX hielt. Umso enttäuschter war man jedoch, als die Chips dann endlich kauf- und testbar waren.

Nvidia hatte sich mit der FX viel vorgenommen. Direct X 9 sollte nicht nur erreicht, sondern gar "übererfüllt" werden, eine komplette Produktfamilie von High-End- bis Einsteiger-Bereich, FX5800 Ultra bis FX5200, sollte vorgestellt werden. All dies klappte zwar auch, allerdings, wie bereits angedeutet, mit enormer Verspätung. Schuld daran war der ambitionierte Projektplan, welcher neben großen Neuerungen in der Architektur auch den Wechsel auf den vielversprechenden, aber unerprobten 0,13-Mikrometer-Prozess vorsah. FX5800 und FX5600 nutzten diesen Prozess, die FX5200 musste aufgrund der benötigten höheren Stückzahlen weiterhin mit 0,15-Mikrometer Strukturbreite auskommen. Das der Plan, einen "Family-Launch" durchzuführen, nicht nur aus der Not geboren war, ist keine abwegige Vorstellung (gleiches gilt für die R5xx und R6x-Familie, welche im Mai 2007 debütierte).

Einen Ruf hatte die Geforce FX schnell weg - und keinen guten. Bei einer Live-Präsentation im Giga-Fernsehen stürzte der Demo-Rechner, den Nvidia-Mann Ottmar Knauer mitgebracht hatte, spektakulär mit einem Bluescreen (BSOD) ab. Die FX5800 Ultra gab - nicht nur im TV - im 3D-Betrieb ein markerschütterndes Heulen von sich, was ihrem ungeregelten Radiallüfter und der hohen Hitzeentwicklung von Chip und vor allem dem ebenfalls neuen und unerprobten GDDR2-RAM geschuldet war. Der "Fön" ist nicht nur Dank PCGH-Retro-Video vielen noch ein Begriff. Viel schlimmer aber wog, dass die Geforce FX - und das galt umso stärker für die kleineren Modelle - beim Einsatz der neuen Direct-X-9-Shader in Version 2.0 um Längen hinter die entsprechenden Radeon-Karten zurückfiel - nur bei älteren Spielen, die Multitexturing oder maximal Pixel-Shader 1.x nutzten, konnten die Nvidia-Produkte mithalten.

Gewisse Unregelmäßigkeiten bei der Ausführung von Benchmarks wie dem 3DMark03 kamen ans Licht und die resultierenden, nicht unbegründeten Cheating-Vorwürfe eskalierten in einer wild um sich schlagenden Firma Nvidia, die Sinn und Glaubwürdigkeit des 3DMarks zu beschädigen versuchte. Eine Episode, die die Kalifornier gern vergessen würden.

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Geforce FX - Erklärungen
Doch was war geschehen? Eine offizielle Version gibt es nicht, Indizien, Insiderinformationen und Gerüchte deuten jedoch auf eine Pechsträhne sondergleichen für Nvidia hin. Hatte Ati-CEO Dave Orton noch von seinen Mannen gefordert, den um jeden Preis schnellsten Grafikchip zu bauen und ihn zur Not produktionsreif zu prügeln, liefen die Dinge bei Nvidia wohl etwas anders.

• Einerseits hatte man mit dem Vertrag über die Chiplieferung für Microsofts Xbox (ein leicht veränderter Geforce-3-Chip, NV2A), dem Einstieg in die Mainboard-Chipsatz-Produktion und die ersten zaghaften Versuche im Mobiltelefonmarkt seine Ressourcen ziemlich strapaziert.
• Außerdem und wahrscheinlich aus diesem Umstand resultierend wollte man mit möglichst geringem Aufwand Direct X 9 "stemmen" - trotz der Beteuerungen Nvidias findet man noch viele Anleihen an die NV2x-Architektur aus Geforce 3 und 4 in der FX-Reihe. Eine komplette Neuentwicklung war der Chip also sicherlich nicht. Trotzdem wollte man mit den theoretischen Fähigkeiten des Chips noch viel mehr, als nur die DX9-Spec gerade so erfüllen. Faktisch reichte die Geforce FX bereits haarscharf an Shader-Model 3 heran.
• Drittens, so die Gerüchte, lagen Nvidia und Microsoft während der Verabschiedung der DX9-Spezifikation im Streit über die Preise der Xbox-Chips. Dies soll angeblich die Anhebung der minimalen Rechengenauigkeit für 2.0-Shader von den von Nvidia erwarteten 16 Bit pro Kanal auf die von Ati genutzten 24 Bit pro Kanal begünstigt haben.
• Die Geforce FX war ganz auf eine brauchbare Performance bei der Nutzung von 16 Bit Genauigkeit (nicht zu verwechseln mit 16 Bit Gesamtfarbtiefe!) zugeschnitten. 32 Bit sollte für Techdemos, Offline-Rendering und für die Spielwiesen der Entwickler reserviert bleiben. Dort sank die Performance noch einmal drastisch.
• Nvidia hat Ati grob unterschätzt und nicht mit dem Performance-Monster gerechnet, welches R300 und Radeon 9700 Pro geworden sind. Gleichzeit hatte man Pech mit dem eigentlich vorteilhaften neuen Fertigungsprozess und dem neuen GDDR2-RAM.

Merke: Gleichungen mit 3 Variablen sind zu unsicher.

Noch blamabler war die Tatsache, dass selbst die Midrange-Chips der R9600-Reihe oftmals die FX5800 abhängen konnten, sobald 2.0-Shaderleistung gefordert war. Selbst enorme Bemühungen der Treiberentwickler und des Developer-Relations-Teams bei Nvidia konnten nur Schadensbegrenzung betreiben. Einige Spiele (Half-Life 2 (dt.)) zwangen die Geforce FX aus Performancegründen per default sogar zurück in den DX8-Modus, was nochmals für eine Welle der Entrüstung sorgte, da die Radeon hier ebenfalls meilenweit voraus war - von der besseren, nutzbaren Kantenglättung im 4x- oder 6x-Modus ganz zu schweigen.

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Fazit: Der Weg zur echten GPU
Am Ende des Refreshzyklus, welchen Nvidia mit der nur geringfügig verbesserten FX5900 und Ati mit der nur etwas höher getakteten 9800 XT (beide boten dann bis zu 256 MiByte VRAM) abschlossen, hatte sich das Kräfteverhältnis gewandelt. Aus dem zum Underdog abgestiegenen Ati war innerhalb eines Jahres der dominierende Grafikkartenhersteller und Sympathieträger von Fachpresse und Publikum geworden. Nvidia musste sich auf die inzwischen guten OEM-Kontakte verlassen, um wenigstens die günstigen FX5200-Karten unterzubringen. Man wollte und musste das Kapitel FX abhaken und sich ganz auf die nächste Generation konzentrieren.