PCGH Rückblick: Entwicklung der 3D-Grafikkarten (Teil 6)

In den ersten Teilen (Links siehe unten) haben wir nachvollzogen, wie es zum Siegeszug der 3D-Beschleunigung, angeführt von Massenmarkt-Pionier 3Dfx (später mit kleinem "d") gekommen ist. Auch die Bereinigung des Marktes beziehungsweise das Abdriften von ehemals bedeutsamen Herstellern wie S3 und Matrox in Nischenmärkte haben wir thematisiert und sind schließlich beim bis heute andauernden Wettstreit um die 3D-Krone zwischen Ati/AMD und Nvidia gelangt.

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Einleitung
Im letzten Teil des Grafikkarten-Rückblicks beschäftigen wir uns mit der DX10-Ära in der Zeit nach dem G80. Wir erinnern uns: Nvidia hatte den G80 mit einem Paukenschlag (und ziemlicher Verspätung) im November 2006 auf den Markt gebracht und war Ati trotzdem um mehrere Monate zuvor gekommen. Nicht nur im Fps-Wettstreit sondern auch und gerade in Sachen Bildqualität konnte die Geforce 8800 GTX ihre Geforce-7-Vorgänger und die X1950 von AMD zum Teil deutlich hinter sich lassen und bot überdies noch Kompatiblität zum noch nicht einmal erschienenen Direct X 10.

Die gerade von AMD aufgekaufte Firma Ati konnte lediglich die bereits geplante X1950 Pro, welche im November verfügbar wurde und sofort zum Preis-Leistungstipp avancierte, in die Waagschale werden. Bei den Grafikkarten über 300 Euro bestimmte Nvidia zu dieser Zeit das Geschehen.

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Mai 2007: AMDs HD-2000-Reihe
Erst im Mai 2007 brachte AMD seine Direct-X-10-Grafikkarten auf den Markt, nachdem Nvidia inzwischen die 8800 GTX als Flaggschiff bereits durch die nochmals höher getaktete Geforce 8800 Ultra ersetzt hatte. Auch die Mittelklasse, deren Performance im Vergleich zur Geforce 7 jedoch enttäuschte, war in Form von Geforce 8600 und 8500 bereits verfügbar.
AMD zeigt die gesamte Familie auf einmal und führte ein neues Namensschema ein. Das "X" früherer Generationen hatte ausgedient und war einem zeitgemäßen "HD" gewichen, welches nicht nur die Eignung für HD-Gaming, also Spielen in hohen Auflösungen demonstrieren sollte, sondern auch die integrierte Videobeschleunigung herausstreichen. Auf diese waren besonders die Einsteigerkarten als Verkaufsargument angewiesen, da sie, wie ihre Nvidia-Gegenspieler, in Sachen reiner Spieleleistung nicht überzeugen konnten.



HD 2900, HD 2600 und HD 2400 waren die neuen Modelle, denen ein schwieriger Marktstart beschieden war. Die wenigen Direct-X-10-Titel waren hastig und übereilt auf den Markt geworfen wurden, die DX10-Effekte nur lieblos angeflanscht und forderten selbst die schnellen Modelle beider Hersteller - bei HD 2600 und GF 8600 hieß es: Verzichten. Zudem war besonders die HD 2900 XT von Problemen gebeutelt. Neben dem späten Markteintritt war das Unified-Shader-Design, welches AMD stolz als bereits die zweite Generation aus eigenem Hause nach der Xbox-360-GPU anpries, von Problemen bei den ROPs betroffen. Diese verhinderten einerseits den deutlich höheren Takt als die schließlich ausgelieferten 742 MHz, andererseits konnten Sie das für aktuelle Benchmarks wichtige MSAA-Resolve, also das Verrechnen der vier Farbwerte der Subsamples zur finalen Pixelfarbe, nur unter bestimmten, eher seltenen Umständen übernehmen. In allen anderen Fällen war es nötig, diese Arbeit an die Shader-Einheiten zu übergeben, die während dieser Aufgabe natürlich nicht mehr für die normalen Berechnungen zur Verfügung standen.

Außerdem waren Probleme mit Leckströmen und allgemeiner Leistungsaufnahme für eine hohe Leistungsaufnahme verantwortlich, die sogar die der bereits rekordverdächtigen Geforce 8800 Ultra übertraf. Dadurch bedingt wurde eine aufwendige, aber trotzdem zu laute Kühlung.

AMD tat in dieser Situation das einzig sinnvolle und vermarktete die Karte zu niedrigem Preis als direkten Konkurrenten zur Geforce 8800 GTS - dem drittschnellsten Modell von Nvidia.

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Herbst 2007: G92 gegen RV670
Um die riesigen G80-Chips, welche auch aufgrund des alten, aber bewährten Fertigungsprozesses mit 90 Nanometer Strukturbreite teuer in der Herstellung waren, nach unten zu entlasten, ersannen die Nvidia-Ingenieure den G92-Chip, welcher im Oktober 2007 zuerst in Form der Geforce 8800 GT auf den Markt kam. Der Chip selbst war auf der einen Seite ein erweiterter, auf der anderen Seite ein beschnittener G80-Ableger. Die Textureinheiten wurden aufgebohrt, sodass nun volle 64 Texturen pro Takt adressiert und gefiltert werden konnten. Auf der anderen Seite wurden die Raster-Operation-Prozessoren (ROPs) beschnitten, sodass nur noch 16 Pixel pro Takt durchgeschleust werden konnten. Damit einher ging die Reduzierung des Speicherinterfaces auf 256 Bit von vormals 384 Bit Breite. Durch die Umstellung der Fertigung auf einen 65-nm-Prozess von TSMC konnte Nvidia die neuen Karten deutlich günstiger anbieten als noch die G80-GPUs.

In der 8800 GT waren jedoch noch nicht alle Funktionseinheiten aktiviert - lediglich 112 der 196 Schader-ALUs arbeiteten, ebenso waren nur 56 der 64 TMUs aktiv. Erst die im Dezember erschienene, neu aufgelegt 8800 GTS (mit 512 MiByte) verfügte über einen voll funktionsfähigen G92-Chip.

Die in fieberhafter Eile arbeitenden AMD-Entwickler brachten im November die HD-3800-Reihe auf den Markt. Die Chips gingen konsequent die Schwächen des R600 der HD 2900 XT an - sofern dies in der Kürze der Zeit möglich war. Die Fertigung wurde auf den damals topaktuellen 55nm-Prozess umgestellt und sämtliche Funktionseinheiten überarbeitet; das Ergebnis: Der RV670, eine GPU welche leistungsmäßig zwar keine Bäume ausreissen konnte, im Gegensatz zum R600 aber unglaublich klein und Stromsparend war. Sogar eine relativ leise Single-Slot-Version mit niedrigerem Takt war damit möglich. Man hatte lediglich das Speicherinterface auf die halbe Breite von 256 Bit beschnitten (den internen Ringbus-Speichercontroller vermutlich ebenso) und einige kleinere Interna geändert. Der Chip war als erste GPU in der Lage, die Anforderung für Direct X 10.1 zu erfülllen.

Nvidia erschien überrascht, man hatte wohl aufgrund der Änderungen am RV570 gegenüber dem R580 mit einem kleineren Chip gerechnet, welcher nur über drei anstelle der vollen vier Pixelquads verfügte. So war der Kampf um die Performance-Krone im Bereich von GF 8800 GT und HD 3870 ausgeglichener, als man es aufgrund der enttäuschenden HD 2900 XT hätte erwarten können. Eilig stellten die Geforce-Macher Mitte Dezember den Anfang des Namenschaos vor: Die 8800 GTS.

Zurecht wundern sie sich gerade - denn bereits seit einem Jahr und einem Monat gab es eine Karte dieses Namens bereits. Die neue Version basierte allerdings auf dem G92-Chip und verfügte über deutlich mehr GPU-Leistung als der Vorgänger, konnte beim Speicherinterface, welches G92-typisch nur 256 Bit breit war, jedoch nicht mithalten. Zu allem Überfluss waren beide Karten eine Weile lang parallel auf dem Markt erhältlich und Hersteller, Presse und Verbraucher mussten sich mit Krücken wie "8800 GTS-G92" oder "8800 GTS/512" behelfen, um die Versionen auseinanderhalten zu können.


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2008: Dual-GPU
Ende Januar zielte AMD, welche mit dem RV670 erneut hauptsächlich den Mainstream-Markt ins Visier genommen hatten, mit einer Dual-GPU-Karte auch auf die Performance-Krone. In der Tat konnte die Radeon HD 3870 X2 - "Crossfire on a stick" - in synthetischen Benchmarks und auch einigen Spielen die bis dato schnellste Grafikkarte in Form der 8800 Ultra hinter sich lassen. Das ging jedoch auf Kosten der Lautstärke, der Leistungsaufnahme und der Baugröße der Karte, welche zudem von typischen Multi-GPU-Problemen wie Mikroruckeln geplagt war. Weiter verhinderte AMDs Beharren, anwendungsspezifische Optimierungen, fragwürdige Texturfilter-Einsparungen und Crossfire-Profile dem Nutzer nur gemeinsam als Paket unter Catalyst A.I.zugänglich zu machen, eine größere Verbreitung der HD 3870 X2. Fehlte ein Profil oder war nicht optimal auf das jeweilige Spiel zugeschnitten, war die Fps-Leistung oft sogar geringer als die einer Einzelgrafikkarte und im Gegensatz zu einem Crossfire-Verbund aus zwei einzelnen Karten fehlte bei den Referenz-Modellen im Catalyst-Control-Center auch die Möglichkeit, Crossfire zu deaktivieren.

Mittelklasse - klassisch von unten aufgerollt
Im Februar kam die Geforce 9600 GT auf den Markt. Sie basierte auf dem G94-Chip, welcher nur halb so "breit" war, wie der G92 auf den gerade vorgestellten Geforce 8800-GT/S-Karten. Trotzdem verfügte der 65nm-Chip über einen 256 Bit breiten Speicherbus und 16 ROPs - genausoviel wie G92. Unter anderem auch darum überraschte die Performance durchaus positiv. In den gängigen Benchmarks sowie der Spieleperformance konnte sie es durchaus mit der HD 3850 aufnehmen und manchmal sogar der HD 3870 gefährlich werden.

Auch Nvidia meint: Doppelt hält besser
Nvidia war sich beim kurz darauffolgenden Conference-Call mit Aktionären nicht zu schade, auf die Nachteile, die eine Multi-GPU-Karte als Spitzenmodell mit sich brächte, hinzuweisen - schloss aber gleichzeitig die Möglichkeit nicht aus, selbst so ein Gerät zu entwickeln. Dies aber nur, wenn es die absolute Performance-Krone innehaben würde - was man aufgrund der durchwachsenen Benchmarksergebnisse bei der HD 3870 X2 vermisste.

Kurze Zeit später war es dann soweit. Quasi im Doppelpack mit der Geforce 9800 GTX, einer leicht höher getakteten Geforce 8800 GTS/512/G92/2007-Edition mit längerem Board und zwei anstelle von einem PCI-E-Stromanschluss, brachten die Nvidia-Mannen eine 9800 GX2 auf den Markt, welche in den meisten Fällen tatsächlich die HD 3870 X2 schlagen konnte. Unverständlicherweise war die Sandwich-Karte (beide G92-GPUs lagen "innen") nur mit 512 MiByte pro Chip ausgestattet, was besonders beim Haupteinsatzgebiet "HD-Gaming" mit Kantenglättung ein ums andere Mal hinderlich war und starke Fps-Einbrüche zur Folge hatte.

Mit der 9800-Reihe, welche kurze Zeit später noch weiteren Zuwachs bekam, hatte Nvidia ein bemerkenswertes und bemerkenswert inkonsequentes Feature eingeführt: Hybrid-Power. Die Theorie dahinter war, dass jedes Mainboard zukünftig mit einem grafikfähigen Chipsatz ausgestattet sein sollte; auf den High-End-Systemen, für die dieses Features aktiviert würde, sollte dann im Windows-/2D-Betrieb die PCI-Express-Grafikkarte (inklusive SLI-Verbünden aus bis zu drei Geforce-Karten) komplett abgeschaltet werden und die Chipsatzgrafik die Anzeige des Desktops, die Videowiedergabe und dergleichen übernehmen.

In der Praxis wurde das Features allerdings nur auf AM2-Mainboard für AMD-CPUs angeboten, die Umschaltung erfolgte etwas hakelig und manchmal auch nur nach manuellem Eingriff. Zudem beherrschte die damalige Chipsatzgrafik lediglich Full-HD-Auflösung - die eigentliche Zielgruppe "Enthusiast"-Gamer verfügen aber teilweise über größere Displays...


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576mm² - 65nm - 1,4 Mrd. Transistoren
Das sind die beeindruckenden Eckdaten, mit denen Nvidia im Mai die Geforce GTX 280/260 auf Basis des GT200-Chips bewarb. Der riesige Chip war noch im 65nm-Prozess gefertigt und beherrschte weiterhin lediglich Direct X10 - ohne .1-Erweiterung. Dafür gebot er über 240 Shader-ALUs samt 80 Textureinheiten und avancierte unumstritten zur schnellsten GPU auf dem Markt. Neben einigen internen Änderungen wie der Organisation der TPCs, der Thread Processing Cluster mit 24 anstelle von vorher 16 ALUs pro TMU-Block mit acht Textureinheiten waren auch 32 anstelle von 24 ROPs verbaut worden. Da weiterhin an jeder Quad-ROP ein 64-Bit-Speichercontroller hängt, ergibt sich somit ein Speicherinterface von 512 Bit Breite, welches die GPU über klassisches GDDR3-RAM mit Daten versorgt. Endlich hatte man sich auch bei Nvidia dazu durchgerungen, dem Flaggschiff (nutzbare) 1.024 MiByte mit auf den Weg zu geben.

Die kleinere GTX-260-Version basiert auf demselben Chip, allerdings wie schon bei 8800 GTX/GTS mit einigen deaktivierten Einheiten. Ab Werk sind lediglich 192 Shader-ALUs aktiv, folglich auch nur 64 Textureinheiten. Das Speicherinterface wurde durch Abschalten einer ROP-Partition um 64 auf 448 Bit Breite beschränkt.

Die Leistungskrone ließ Nvidia sich allerdings auch fürstlich bezahlen: 550 Euro kosteten am Erstverkaufstag die schnellsten GTX-280-Varianten, um 400 Euro war der Spieler für eine GTX 260 los.


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Gegenschlag in 260mm²
AMD hatte das Jahr seit dem R600-Desaster klug genutzt - erst die HD-3800-Reihe (zwischendurch hatte man auch die kleineren Geschwister auf das 3000er-Level gehievt und die HD 3400 und HD 3600 ebenfalls mit DX10.1 ausgestattet) und nun die HD 4800. Konsequent war man den Weg weitergegangen und hatte jede einzelne Einheit aus den früheren Designs konsequent auf minimalen Platzbedarf für die neue RV770-GPU getrimmt. Zwar ging dabei einiges der ursprünglich konsequent auf 64 Bit ausgerichteten Architektur verloren, aber so konnte AMD satte 800 Shader-ALUs, 40 Textureinheiten und ein völlig überarbeitetes 256 Bit Speicherinterface in der rekordverdächtig geringen Fläche von nur 260mm² unterbringen - gleichzeitig führten die Ingieure Verbesserungen wie einen gemeinsam nutzbaren Speicher für GPGPU-Aufgaben ein. Beim Speichercontroller fand man nach Generationen des als fortschrittlich angepriesenen Ringbus-Konzeptes zu einer klassischen Crossbar zurück, bei der jeder Speichercontroller über einen eigenen Level-2-Cache verfügte.

Auch wurde in Form der HD 4870 der befürchtete Speicherengpass beseitigt, indem man topaktuelles GDDR5 an die 256 Leitungen der GPU lötete. Dessen hohe Datenübertragungsrate reichte für die großzügige 115 Gbyte pro Sekunde.

Das Beste jedoch war der absolute Kampfpreis, mit dem AMD Marktanteile erobern wollte. Ca. 150 Euro verlangte man zum Start für die HD 4850 mit 512 MiByte und lediglich runde 50 Euro Aufpreis kostete die Top-Version HD 4870. Deren direkte Konkurrenz war entgegen der Vermutungen im Vorfeld nicht die 9800 GTX, sondern soagr die GTX 260 - und die kostete noch weit über 300 Euro.

Anfang September wirft AMD mit der Dual-Chip-Karte HD 4870 X2 Nvidia, die bis dahin immerhin noch die schnellste Grafikkarte vorweisen konnten, weitere Knüppel zwischen die Beine. Prinzipiell handelt es sich bei der HD 4870 X2 um dasselbe Prinzip wie bei der ausführlich beschriebenen HD 3870 X2 - lediglich der VRAM wurde verdoppelt, sodass jede der beiden GPUs nun 1 GiByte GDDR5 zur Verfügung hat und die Verbindung zwischen den Grafikprozessoren stellt nun ein PCI-E-2.0-fähiger PLX-Chip her. Zu Preisen jenseits der 400 Euro sind Fps-Leistung, Lautstärke und Leistungsaufnahme von einem anderen Stern - die prinzipiellen Probleme von Multi-GPU wird aber auch die HD 4870 X2 entgegen der Gerüchte im Vorfeld nicht los.


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Wogen
Nvidia war durch die leistungsstarke und günstige HD-4800-Reihe stark unter Druck geraten. Neben dem zwischenzeitlichen "Relaunch" der GF8800 GT als 9800 GT (die optional Hybrid-Power unterstützt), warf man nach diversen, drastischen Preissenkungen, die viele GTX-Kunden der ersten Stunde verärgerten, hastig eine Geforce 9800 GTX+ mit erhöhten Taktraten und einem in 55-Nanometer-Technologie gefertigten G92b-Chip auf den Markt. Auch die GTX260 wurde aufgewertet und bekam in einer Nacht-und-Nebel-Aktion weitere 24 Shader-ALUs - einen offiziellen Namen gab es jedoch nicht, sodass entsprechende Produkte unter GTX 260-216, GTX 260² oder GTX 260 Core 216 auf den Markt kamen - die Verwirrung wuchs. Hinzu kamen Probleme mit Packaging-Materialien, welches für eine erhöhte Defektrate bei bestimmten Notebook-GPUs sorgte (angeblich waren auch einzelne Desktop-Modelle betroffen) und Nvidia veranlasste, vorsichtshalber Rückstellungen zu bilden, welche auf einer Aktionärskonferenz verkündet wurden. Auch aufgrund der massiv gesunkenen Preise für Grafikkarten sah Nvidia einem ziemliche schlechten Quartalsergebnis entgegen.

In der Unter-100-Euro-Klasse schob AMD im September noch die HD-4600-, HD-4500- und HD-4300-Reihe nach. Basierend auf den analog zum RV770 durchgeführten Verbesserungen kommen die Chips mit den klassisch ver kleinerten Speicherinterfaces von 128 bzw. 64 Bit und bieten gegenüber den jeweiligen Vorgängern eine deutlich gesteigerte Shader- und Texturleistung.

Folgerichtig nimmt AMD Nvidia im dritten Quartal 2008 Marktanteile ab.