PCGH Rückblick: Entwicklung der 3D-Grafikkarten (Teil 4)

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 weiteren Blick auf die Shader-Ära. Namentlich die Geforce-6-Reihe von Nvidia und AMDs (damals noch Ati) X800-Reihe und deren Refreshes.

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


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.




In den ersten drei Teilen unserer Grafikkarten-Geschichte haben wir versucht, Ihnen nahezubringen, wie die Pixel dank 3dfx‘ Voodoo das Laufen lernten, dank Nvidias Geforce immer schneller wurden und dank Atis Radeon 9700 ins DX9-Zeitalter vorstießen. Geendet haben unsere Geschichtsstunden mit den fundamentalen Veränderungen im Grafikkarten-Markt, welche durch die Überlegenheit der Ati-Radeon-Modelle gegenüber Nvidias Geforce FX besonders in Sachen DX9-Shader verursacht wurden.
Ende 2003 und Anfang 2004 sah es also so aus, dass Nvidia trotz Refresh der Geforce FX auf 5900 und 5700 zwar gegenüber den Radeon-Modellen aufholen konnte, an ein- oder gar überholen war jedoch nicht zu denken. In Schader-intensiven Anwendungen wie Tomb Raider: Angel of Darkness oder dem just erschienenen Far Cry (dt.) war teilweise die Mittelklasse in Form der Radeon 9600 in der schnellsten XT-Version so leistungsfähig, wie Nvidias High-End-Modelle der FX-Reihe.


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Enter the Geforce 6
Hinter verschlossenen Türen arbeiteten die Kalifornier mit dem grünen Logo jedoch bereits an der Nachfolgegerenation mit Codenamen NV40, welche starke Parallelen zum Basisdesign von 3dfx‘ Rampage, dem geplanten Nachfolger der Voodoo4/5/6-Reihe aufwies. Zur Cebit zeigte man ausgewählten Journalisten bereits die technischen Details der kommenden Geforce-6-Reihe, der man das unheilträchtige "FX" (erst 3D- jetzt Geforce-FX) wieder aus dem Namen entfernt hatte.


Im Gegensatz zum Vorgänger wollte man hier Nägel mit Köpfen machen und stellte das Design weitgehend um. Anstelle von vier wurden nun ganze sechzehn Pixel auf einmal berechnet und diverse Flaschenhälse des Geforce-FX-Designs beseitigt. Neben der anfangs kaum verfügbaren Geforce 6800 Ultra hat es besonders die in der Folgezeit weit verbreitete 6800 GT den Fans angetan, lieferte sie doch fast vergleichbare Leistung für einen deutlich geringeren Obulus. Neben der reinen Fps-Leistung hatte Nvidia vor allem das Anti-Aliasing verbessert: 4x rotated Grid MSAA war nun endlich auch bei Geforce-Grafikkarten Standard - mehr, wie bei Ati, gab es leider nur in Form von leistungsfressenden, aber hübschen Hybrid-Modi.

Trotz 222 Millionen Transistoren, über die der NV40-Chip verfügt, musste Nvidia an allen Ecken und Enden sparen, um die gewünschte Anzahl der Funktionseinheiten unterzubringen und gleichzeitig Shader-Modell-3.0 zu erfüllen. Unter anderem äußert sich diese Sparsamkeit bei der Qualität des anisotropen Filters - dessen Qualität erreichte bei weiten nicht mehr die Optik des Geforce-FX-Pendante. Außerdem trat die Sparsamkeit noch bei einer anderen, wichtigeren Sache zum Vorschein: Aufgrund einiger Probleme mit der Auslastung der Shader-Einheiten bei gleichzeitigen Texturzugriffen (Stalling) musste die Qualität des anisotropen Filters per Treiber weiter zurückgeschraubt werden - teilweise starkes Flimmern in vielen Spielen war die nervige Folge. Entgegenwirken konnte man dem lediglich mit Deaktivierung aller Optimierungen und dem anschließenden Umschalten auf "Hohe Qualität" im Treiber.


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Ati kontert
Die Kanadier waren von der Performance der Geforce 6800 Ultra offenbar zwar überrascht, aber nicht schockiert - denn Sie hatten mit dem R420-Chip ein eigenes 16-Pipeline-Design in der Hinterhand, welches sie nur einen Monat später, im Mai 2004, auf den Markt brachten. Aufbauend auf den Stärken der bisherigen DX9-Radeon-Architektur, also der relativen Unempfindlichkeit gegenüber dem Shader-Code und dem sparsamen Umgang mit Transistoren, schufen die Ati-Ingenieure ebenfalls ein 3D-Monster.

Zwar erfüllte man "nur" Shader-Modell 2.x, was bei dem damaligen Spieleangebot kein Problem darstellte, konnte die Grafikkarten dank weniger Transistoren und geringerer Hitzeentwicklung aber deutlich höher takten. Im Gegensatz zu den 400 bis 425 MHz einer 6800 Ultra erreichte Ati bei der X800 XT aus dem Stand 500 MHz Kerntakt, bei der eilig nachgeschobenen "PE" - aufgrund der extrem schlechten Verfügbarkeit auch als "Press-Edition" für Reviewer verspottet - sogar 520 Megahertz.

In den gängigen Benchmarks konnte Ati damit die Performance-Krone behaupten, wenn auch der Vorsprung bei weitem nicht mehr so krass ausfiel, wie zu Geforce-FX-Zeiten. Etwas problematisch für Ati waren die Werkszustände der jeweils zweitbesten Modelle: GT von Nvidia, Pro von Ati. Die Radeon X800 Pro war ein abgespeckter Chip mit weniger Funktionseinheiten - im Gegensatz zur vollausgestatteten 6800 GT. Trotz der guten Mod-Rate, bei der die deaktivierten Einheiten der X800 Pro freigeschaltet wurden, konnte Ati dieses Rennen nicht eindeutig gewinnen.

Mittelklassen
Eine alte Grafikkarten-Weisheit sagt, die Performance-Krone ist gut für's Marketing, das Geld wird aber mit der Mittelklasse verdient. Hier legte Ati die Meßlatte mit der Radeon 9600 XT recht hoch und konnte die direkte Neuauflage X600 XT nur für PCI-Express herausbringen, ohne größere Veränderungen. Der echte, schnellere Nachfolgechip X700 verzögerte sich, da Ati Probleme mit der 0,11-Mikrometer-Fertigung hatte und am Ende sogar die XT-Version der X700 streichen musste.

Die Radeon X700 verfügte über 8 Renderpipelines und ein 128-Bit-Speicherinterface, war aber ansonsten so aufgebaut, wie auch die X800-Reihe. Die Taktraten lagen bei der erschienenen X700 Pro mit nur 425 MHz recht niedrig - Nvidia konnte die ebenfalls in 0,11 Mikrometer gefertigte 6600 GT dagegen mit 500 MHz für Chip und Speicher takten. Die Verhältnisse des High-Ends waren auf den Kopf gestellt und die Geforce 6600 GT trat ihren Siegeszug als damaliger Preis-Leistungstipp an.



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PCI-Express
Waren sowohl Geforce 6800 als auch Radeon X800 noch als AGP-Versionen vorgestellt worden, begann im Sommer 2004 die Umstellung auf PCI-Express. Ati stellte von allen GPUs eigene PCI-Express-Versionen her und im gleichen Zuge auch Teile der X800-Reihe auf 110-Nanometer-Fertigung um. Diese Modelle, die X800-XL-Reihe, ließen sich im Vergleich zu der in 130-Nanometer-Technik gefertigten X800 XT und Pro, in der Regel nicht nennenswert übertakten, sodass der Refresh, die Radeon X850, wieder auf 130 Nanometer umschwenkte. AGP-Karten wurden, mit Ausnahme der X850-Reihe, mithilfe einer Rialto genannten Brücke hergestellt, welche die AGP-Signale für PCI-Express übersetzte.

Nvidia hingegen stellte PCI-Express-Kompatibilität der 6800-Reihe zunächst mit dem NV45 her. Dieser bestand aus einem normalen NV40-Chip und einem Brückenchip (HSI, High-Speed-Interconnect), welcher auf denselben Chipträger montiert waren. Später gab es dann einen (auf 12 Pipelines abgespeckten) NV42-Chip mit nativem PCI-Express-Interface. Die kleineren 6600- und 6200-Chips der Geforce-6-Reihe stellte man direkt um, da hier aufgrund des hohen Volumens und niedrigeren Preises die aufwändige Konstruktion mit separatem Brückenchip nicht lohnte. Von der Geforce 6200 kam später noch eine reine AGP-Version auf den Markt, während AGP-Karten mit 6600-Chip den Brückenchip HSI benötigten - und darum auch stets einige Euro teurer waren als ihre PCI-Express-Pendants.

Refresh-Time
Zur Jahreswende 2004/2005 legte Ati noch eine Schippe drauf, während Nvidia sich in Sachen High-End ziemlich still verhielt. Mit der X850-Reihe, bestehend aus X850 Pro (abermals mit nur zwölf Pipelines), XT und XT-PE sowie weiter erhöhten Taktraten vergrößerte Ati das Performance-Delta zu Nvidia. Dies war inzwischen auch nötig, erschienen doch mit einem Patch für Far Cry (dt.) und Splinter Cell: Chaos Theory erste Spiele, welche Nutzen aus der Unterstützung für Shader-Modell 3 zogen und im Falle von SC:CT zum Launch SM2 gleich ganz unter den Tisch fallen ließen (dies wurde später per Patch nachgereicht).

Die X800 wurde drastisch erweitert und neben XT-PE, XT und Pro gab es noch die weiter abgespeckten Varianten GTO (ebenfalls 12 Pipelines, niedrigerer Takt), GT (8 Pipelines) und SE (8 Pipelines, niedrigerer Takt).


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SLI und Crossfire
Die Geburt von PCI-Express zog gleichzeitig auch eine immense Steigerung der Bandbreite von und zur GPU sowie die Möglichkeit nach sich, problemlos mehrere Steckplätze auf einem Board zu installieren. Nvidia und Ati nutzten dies, um ihre jeweiligen Revivals von 3dfx‘ seligem Scan-Line-Interleave - SLI - wieder aufleben zu lassen. Nvidia, welches die Reche an etlichen 3dfx-Technologien erworben hatte, verwendete glatt dasselbe Akronym wie Jahre zuvor 3dfx, hinterlegte es aber mit einer anderen Bedeutung: Scalable Link Interface. Fast jede dafür taugliche Karte trug einen zusätzlichen Anschluss am oberen Rand auf den eine sogenannte SLI-Brücke zur Kommunikation der beiden Grafikkarten untereinander gesteckt wird. Atis Crossfire der ersten Generation basierte auf prinzipiell ähnlicher Technologie nur wurde die Verbindung durch einen externen DVI-Dongle und spezielle Chips auf der sogenannten Crossfire-Masterkarte hergerstellt. Ati sah damals die Vorteile von Crossfire darin, dass es "immer funktioniere und keine Profile nötig seien" - man hatte einen Supertiling genannten Fallback-Modus, für den Fall, dass die in SLI ebenfalls vorhandenen Modi AFR (Alternate Frame Rendering, GPUs berechnen abwechselnd komplette Bilder) und SFR (Split Frame Rendering, GPUs rechnen zusammen an einem horizontal unterteilten Bild) nicht funktionieren würden.


Refresh-Time (2)
Der Refresh von Nvidia zog sich bis zum Sommer hin, schlug dann aber umso heftiger ein. Was immer man von der aufgebohrten Geforce 7800 GTX halten mag: Nvidia setzte mit ihr einen glücklicherweise bis heute andauernden Trend: Verfügbarkeit beim Launch. Daneben bot die GPU über erweiterte Rechenmöglichkeiten der Shader-ALUs sowie 24 anstelle von 16 Pipelines. Zur großen Überraschung aller wurde die mit über 300 Millionen Transistoren ausgestattete GPU im als nicht besonders leistungsfähig verschrienen 110-Nanometer-Prozess gefertigt, mit dem Ati solche Problem gehabt hatte. Die grundsätzlichen Probleme der Geforce-6-Reihe (siehe weiter vorn im Text) blieben allerdings erhalten. Trotzdem erreichte die Geforce 7800 GTX oft die doppelte Performance ihres Vorgängers - nicht zuletzt, weil die Treiber besser auf die neuen Grafikkarten optimiert und weil die Texturfilters noch weiter heruntergeschraubt wurde.

Mit der Geforce 7800 GTX konnte Nvidia sich im Spätsommer 2005 die lange verlorene Performance-Krone in Benchmark-Tests zurückerobern.

Ausblick
Im nächsten Teil der PCGH.de-Grafikkarten-Geschichte zeigen wir den Schlagabtausch im Shader-Modell-3-Bereich, den Ati mit der Vorstellung der X1000-Reihe im Herbst 2005 begann, sowie die ersten DirectX-10-Grafikkarten von Nvidia.