GTC 2010: Eine kleine Geschichte der GPUs von Nvidia

Ian Buck, Senior Director GPU Computing Software bei Nvidia, nahm uns mit auf einen Streifzug durch die Geschichte der GPU - von den ersten 3D-Karten bis zur programmierbaren Allzweckwaffe. Bis 1987 war davon allerdings noch nichts zu ahnen: Bärtige Programmierer saßen vor Röhrenmonitoren, auf denen Drahtgitter-Grafik nur als eine Ansammlung von Vektoren darstellbar war. Die zweite Generation, rasterisierte 3D-Grafik, erblickte erst 1987 im professionellen Bereich das Tageslicht - mit gefüllten Polygonen, Depth Buffer und Color Blending. 1992 begann der Siegeszug echter 3D-Karten und damit der dritten Generation: Das große Schlagwort hieß Texture Mapping, das ein Bild auf ein Polygon malte. Allerdings mit einer sehr festen Pipeline-Struktur, die weder flexibel, noch programmierbar war. Immerhin gab es schon Filtering und Anti-Aliasing. Zwei Bilder, auf denen Grafikkarten einer IRIS-Workstation von Silicon Graphics zu sehen sind, bringen Ian Buck zum Schmunzeln: "Ich möchte lieber nicht wissen, wie die Leistung dieser Karten pro Watt ausgesehen hat - aber immerhin verfügten die schon über passive Kühlung."

 

GTC 2010: Eine kleine Geschichte der GPUs von Nvidia (3) [Quelle: siehe Bildergalerie]

 

GTC 2010: Eine kleine Geschichte der GPUs von Nvidia (7) [Quelle: siehe Bildergalerie]

3D setzt sich durch
Die 90er Jahren des letzten Jahrhunderts standen im Zeichen von 3D: Desktop-Profi-Workstations kosteten keine 5000 Dollar mehr, rund 40 Firmen rangelten um Marktanteile auf dem PC-Markt, von denen die meisten heute lange vergessen sind. "Viele dieser Karten waren eher 3D-Verlangsamer", witzelt Ian Buck. Auch Konsolenhersteller wie Nintendo (N64), Sega (Saturn), Sony (Playstation) und 3DO mit seiner gleichnamigen Maschine sprangen auf den 3D-Zug auf. Fast jährlich erschienen neue DirectX-Versionen mit darauf angepassten Spielen, die natürlich auch den Kauf neuer Grafikkarten erforderten. Mit DirectX 9 und der Geforce FX beziehungsweise der Geforce 5 kamen laut Nvidia zum ersten Mal programmierbare Shader ins Spiel. Ein Blick auf die Evolution der Unreal Engine sowie 3D-Titel wie Crysis und Hellgate: London verdeutlicht, wie rasant die Entwicklung verlaufen ist.

Nicht nur Spielkram
Nvidia sieht 2002 und 2003 große Leistungssprünge bei seinen Grafikkarten. Im August 2002 wurde die Geforce FX-5800 angekündigt, deren Leistung sich ein halbes Jahr später mit der Geforce FX-5900 mehr als verdoppelte. Im Dezember 2003 verdoppelte die Geforce 6800 diese Zahl noch einmal. In diesen Tagen begannen die ersten Programmierer damit, die GPU als Rechenwerk etwa für Raytracing-Experimente einzusetzen. Allerdings war die Programmierung alles andere als einfach: "Man brauchte beinahe einen Doktor in Computergrafik", erinnert sich Ian Buck. "Und es war keine Seltenheit, dass Finanzunternehmen Spielprogrammierer einstellten, um die GPU für ihre Zwecke einzusetzen." Daraus entstand 2003 die Programmiersprache Brook, eine um Stream- und Kernel-Funktionen erweiterte Fassung von C, die die Ansprache der GPU vereinfachen sollte. Doch es gab Herausforderungen auf der Hard- und Softwareseite: begrenzte Texturgrößen und Shader-Ausgaben, alles musste in Fließkommazahlen berechnet werden, die Kommunikation zwischen einzelnen Pixeln war begrenzt - und obendrein stand der Aufbau eines GPU-Computing-Ökoystems noch ganz am Anfang: Entwickler mussten davon überzeugt werden, für eine ganz neue Art von Prozessor zu programmieren. All diese Bemühungen gipfelten 2007 in der Veröffentlichung des ersten Cuda Software Development Kits, mit dem Entwickler mit C-Kenntnissen relativ schmerzfrei und schnell lauffähigen GPGPU-Code schreiben konnten.

Für die Zukunft wünscht sich Ian Buck eine noch bessere Integration des jeweiligen Betriebssystems, das auf einem Cuda-Rechner läuft, bessere Synchronisation und Kommunikation der einzelnen GPU-Cluster und generell mehr Berechnungen und Daten in der GPU, um die Rechengeschwindigkeit noch weiter zu steigern. Der Erfolg von Cuda und die weite Spanne an Anwendungsmöglichkeiten auf den Nvidia-Konferenzen Nvision (2008), der GTC 2009 und der aktuellen GTC 2010 zeigen, dass - zumindest Nvidias -Grafikkarten zu weitaus mehr fähig sind, als nur schöne Bilder auf einen Monitor zu bannen.