Direct X 12 und Vulkan: Von -24 % bis +230 % ist bei AMD alles möglich
Die hardwarenahen Schnittstellen Direct X 12 und Vulkan wurden vor Monaten als Revolution des PC-Gamings mit ungeahnten Leistungszuwächsen beworben. PC Games Hardware prüft in einem ersten Test anhand eines AMD-Systems, wie viel von den vollmundigen Versprechen auf dem Markt angekommen ist, Stand Januar 2017.
Obwohl das Windows-10-exklusive Direct X 12 und die plattformunabhängige Alternative Vulkan seit vielen Monaten verfügbar sind, ist von einer Revolution noch nichts zu sehen. Die Akzeptanz der Low-Level-APIs bei den Spiele-Entwicklern kommt nur schleppend voran. Das war durchaus zu erwarten, da neue Technologie stets einem Henne-Ei-Problem unterliegt und nicht jeder Entwickler es sich leisten kann, zusätzliche Mannstunden für einen Bruchteil der PC-Spieler zu investieren, welche bereits mit der passenden Hard- und Software ausgestattet sind.
Im Falle von DX12 und Vulkan sind die neuen, wunderbaren Möglichkeiten mit großer Verantwortung und Zusatzaufwand verbunden. Eine Implementierung, die über reines Wrappen der API-Befehle (Abfangen und Weiterleiten) hinausgeht und somit Leistungsvorteile bringt, muss durchdacht sein. Kritisch ist, dass der Treiber gegenüber den High-Level-APIs Direct X 11 und Open GL deutlich an Macht verloren hat. War es früher möglich, Probleme im Spiel-Code durch Treiber-Tweaks zu umschiffen, müssen die notwendigen Maßnahmen bei DX12 und Vulkan vom Entwickler der Spiele durchgeführt werden. Bleibt dieser Schritt aus, sind mannigfaltige Probleme (wie Grafikfehler, ein Fps-Verlust oder Abstürze) im wahrsten Sinne des Wortes programmiert.
Blickt man auf die Spiele-Liste im Januar 2017, kann Direct X 12 die größere Verbreitung aufweisen, vor allem bei den sogenannten Triple-A-Spielen. Vulkan fristet nach wie vor ein Schattendasein, obwohl diese API im Gegensatz zu DX12 weder Windows-10- noch generell Windows-gebunden ist. Der neueste Titel im Low-Level-Reigen ist Ubisofts The Division, welches noch Ende 2016 fit für DX12 gemacht wurde. Ende Februar folgt voraussichtlich ein weiteres DX12-Spiel von Ubisoft: For Honor - hier ist unklar, ob Direct X 12 bereits zum Launch verfügbar ist oder später via Patch nachgeliefert wird.
Low-Level-API: Januar 2017
Zeit, den Zustand bestehender Low-Level-Implementierungen abzuklopfen. Wir haben acht populäre Spiele mit dem Patch-Stand Januar 2017 erneut getestet. Zum Einsatz kommt dabei ein reines AMD-System, basierend auf einem FX-8350-Prozessor sowie einer Radeon R9 Nano. Die Taktraten sind auf 4,0 (CPU) respektive 1,0 GHz (GPU) festgesetzt, um möglichst präzise Messwerte zu erhalten. Die Benchmarks finden praxisnah mithilfe von PCGH-Spielständen anstelle von integrierten Benchmarks statt und sind in zwei Kategorien gestaffelt. Im ersten Durchlauf provozieren wir mithilfe der 720p-Auflösung ohne AA/AF/AO ein vollständiges CPU-Limit, im zweiten steigern wir die Pixelmenge auf WQHD und aktivieren AA/AF/AO, um weitgehend im Grafiklimit zu landen.
Beachten Sie bitte, dass dieser Test nur einen Teilaspekt des komplexen Sachverhalts abbildet.
Dieser Test bringt zwar eindeutige Erkenntnisse und erlaubt den Transfer auf viele andere PC-Konstellationen, ist aber keineswegs allgemeingültig. Die große Vielfalt an Hardware-Kombinationsmöglichkeiten führt zu unterschiedlichen Ergebnissen. Die Differenz zwischen low-level und high-level hängt nicht nur von den grundsätzlichen Machtverhältnissen zwischen installierter CPU und GPU ab, sondern auch davon, welche Low-Level-Funktionen wie implementiert sind. Erfahrungswerte besagen, dass AMD-PCs am stärksten von Low-Level-Programmierung profitieren, da hier im Idealfall sowohl der (schwache) Prozessor entlastet als auch die Rechenwerke optimal ausgelastet werden. An zweiter Stelle kommen Nvidia-Chips mit Pascal-Architektur, da diese im Gegensatz zur vorhergehenden Maxwell-Architektur von Asynchronous Compute profitieren können.
Lange Rede, kurzer Sinn: Dieser Artikel zeichnet aufgrund der genannten Faktoren tendenziell den Best-Case für die Low-Level-Schnittstellen, da sowohl ein pro-MHz-schwacher Prozessor als auch eine GPU mit vielen, unter DX11 oft nicht ausgelasteten Rechenwerken zum Einsatz kommt. Nachfolgende Analysen werden klären, wie es bei einer gängigen Intel-Nvidia-Kombination aussieht.
Der folgende Benchmark zeigt die Quintessenz der Messreihe, alle acht Spiele auf einem Fleck. Im Anschluss werten wir die Spiele einzeln aus, bei vieren untermauert von Frametime-Analysen. Letztere ergeben sich durch die Messungen mithilfe von OCAT respektive dem darin enthaltenen Presentmon. Bei Frametimes gilt: weniger ist besser.
Low- vs. High-Level API: all games
Ashes of the Singularity, Battlefield 1, Deus Ex: Mankind Divided, The Division, Doom, Hitman, Rise of the Tomb Raider, Total War: Warhammer
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Ashes of the Singularity
AotS gilt als das erste "echte" DX12-Spiel, da es im Rahmen einer langen Early-Access-Phase früh einen entsprechenden Pfad mitbrachte und die Entwickler zu den wenigen gehören, welche Erfahrungen mit dem DX12-/Vulkan-Vorgänger Mantle vorweisen können. PC Games Hardware entschied sich daher im Herbst 2016 dazu, Ashes of the Singularity zu einem Bestandteil des Grafikkarten-Leistungsindex 2016/2017 zu machen. Der integrierte Benchmark kommt für praxisnahe Messungen nicht in Frage, weshalb wir seit jeher auf einen dafür erstellten Spielstand zurückgreifen. Zu sehen ist ein Mehrspieler-Lategame auf der Karte Scavenger, in dem wir mit einer Armee aus Dreadnoughts, zahlreichen Bombern und einem Orbitalschlag im Gepäck die gegnerische Basis pulverisieren. Es handelt sich zweifellos um einen Worstcase - ideal, um die heilsame Wirkung von Direct X 12 zu testen (Stichwort "Overhead-Reduktion").
Tatsächlich beflügelt DX12 die Bildrate des AMD-Rechners auf beeindruckende Weise: Im Prozessorlimit führt DX12 zu einem Fps-Plus von 77 Prozent. In der höheren Auflösung nebst Anti-Aliasing und anisotroper Filterung schrumpft der Low-Level-Vorteil auf neun Prozent zusammen. Interessant ist der minimale Unterschied unter DX11: Das hartnäckige Prozessorlimit führt dazu, dass es die höhere Auflösung und Bildqualität beinahe gratis gibt - es ruckelt immer. Wäre der Prozessor noch schwächer, könnte DX12 vermutlich einen noch größeren Abstand gegenüber DX11 herausholen. Zwischenfazit: In Ashes lohnt sich DX12 ohne Zweifel, auch im GPU-Limit sind dank Asynchronous Compute kleinere Fps-Gewinne drin.
Battlefield 1
Battlefield 1 gehört seit Erscheinen im Herbst 2016 zu den beliebtesten Multiplayer-Shootern. Die zugrunde liegende Frostbite-Engine vollbringt das Kunststück, die Grafikpracht mit ordentlicher Performance zu kombinieren. Das erreichen die Mannen von DICE/EA durch optimale Ressourcennutzung, die Engine macht von allen vorhandenen Prozessorkernen Gebrauch und geht auch mit der GPU-Leistung effizient um. Battlefield 1 ist aufgrund des späten Erscheinens kein Bestandteil des PCGH-Grafikkartenindex 2016/2017, aber seit Monaten einer der zusätzlichen Benchmarks. Wir testen zwecks einhundertprozentiger Reproduzierbarkeit die Singleplayer-Mission in Gallipoli. Die Testszene besteht aus einem 20-sekündigen Sprint am Strand und erzeugt vor allem wegen der zahlreichen Partikeleffekte eine hohe GPU-Last. Im Multiplayer-Modus rückt der Fokus stärker auf den Prozessor, spätestens bei 64-Mann-Karten. Hier leidet die Reproduzierbarkeit jedoch stark, weshalb wir für diesen Test darauf verzichten.
Nach wie vor treten unter Direct X 12 relativ heftige Nachladeruckler auf.
Bereits in der Beta-Phase bot Battlefield 1 einen experimentellen DX12-Modus, der seinerzeit vor allem negativ auffiel. Die Leistung in grafikintensiven Szenarien stand DX11 nach und auch die Frame-Verteilung war verbesserungsfähig - von den starken Nachladerucklern nicht zu sprechen. Mittlerweile sind einige Monate ins Land gezogen und Battlefield 1 ist sichtlich gereift, ebenso der DX12-Pfad. Unseren Messungen zufolge bringt DX12 in prozessorlastigen Einstellungen ein mess-, aber nicht unbedingt fühlbares Leistungsplus gegenüber DX11; im Falle unserer Testszene steigt die Bildrate um rund zehn Prozent. Limitiert die Grafikkarte, schmilzt der Vorteil vollständig und es herrscht Gleichstand zwischen den APIs.
Nach wie vor treten unter Direct X 12 relativ heftige Nachladeruckler auf, vor allem in den ersten Minuten nach Spielstart. Im Laufe des Zeit verschwinden sie zwar, bis dahin kann der Bildstillstand jedoch den virtuellen Tod bedeuten. Dieses Stocken ist unabhängig vom installierten Arbeitsspeicher, tritt ergo auch mit 16 oder 32 GiByte auf. Zwischenfazit: Wer einen starken Prozessor vom Schlage Core i7-4770K und neuer besitzt - wichtig ist, dass er SMT alias Hyperthreading beherrscht -, der kann testweise auf DX12 wechseln und das Spielgefühl vergleichen. In den meisten Fällen dürfte DX11 ausgewogenere Frametimes ausgeben, im Falle schwächerer Prozessoren lohnt sich DX12 jedoch.
Deus Ex: Mankind Divided
Deus Ex: Mankind Divided ist seit dem vergangenen Herbst Bestandteil des PCGH-Leistungsindex für Grafikkarten. Innerhalb der Story verschlägt es den Spieler rasch ins futuristische Prag, das nicht nur schön anzusehen, sondern auch hardwarefordernd ist. Direct X 12 wurde früh implementiert und sorgte in den ersten Monaten vor allem wegen schwacher Performance für Schlagzeilen - während (nur) der integrierte Benchmark Vorteile für die Low-Level-API proklamierte. Zahlreiche Updates verbesserten die DX12-Implementierung, sodass wir erneut einen Low-Level-Ausflug wagen - selbstverständlich auf Basis eines Spielstandes; wir führen die Benchmarks in Prag durch. Im Spiel aktivieren wir alle Details bis auf die rechenintensiven Contact Hardening Shadows (CHS) und verzichten außerdem auf die maximale AO-Stufe, da diese Flimmern erzeugt.
Direct X 12 ist immer noch nicht den Kinderschuhen entwachsen.
Bedauerlicherweise können wir für Deus Ex MD noch keine Entwarnung aussprechen, Direct X 12 ist gemäß unserer Messungen immer noch nicht den Kinderschuhen entwachsen - zumindest auf der von uns herangezogenen Hardware-Konstellation. Gibt der Prozessor den Ton an, erzielt der Testrechner unter DX12 beinahe ein Viertel weniger Bilder pro Sekunde als unter DX11. Das ist kontra-intuitiv, da DX12 bei korrekter Implementierung vor allem den Prozessor entlasten soll. Weicht das CPU- einem GPU-Limit, liegen DX11 und DX12 gleichauf, mit minimalen Vorteilen für DX12. Ein Blick auf die Bildberechnungszeiten verrät, dass dieser Vorteil nur kosmetisch ist, da die Bildausgabe unter DX11 etwas gleichmäßiger vonstattengeht. Die großen Spikes in den Grafiken entsprechen einem Nachladeruckler, der immer am Ende der Testszene auftritt. Zwischenfazit: Wir raten nach wie vor zum DX11-Pfad.
The Division
The Division aus dem Hause Ubisoft bekam im November 2016 das erste Mal einen DX12-Pfad spendiert. Nach einer Testphase, welche durchwachsene Ergebnisse zutage führte, hielt Direct X 12 mit dem offiziellen Patch auf Version 1.5 Einzug in das Spiel und es scheint, dass die Low-Level-Implementierung nun stets Vorteile bringt. Unser Testrechner mit AMD-Innereien reagiert jedenfalls positiv beim Wechsel von DX11 auf DX12, sowohl im GPU- als auch im CPU-Limit steigt die Bildrate bei Verwendung des neuen Codes. Der größte Gewinn stellt sich bei Prozessorlimitierung ein, hier steigt die durchschnittliche Bildrate um acht Prozent und die Minimum-Fps sogar um 17 Prozent.
Beachten Sie, dass wir zwecks einhundertprozentiger Reproduzierbarkeit ein Innenareal testen, das wir bereits 2016 als Testszene auserkoren haben. Es handelt sich um das Madison Field Hospital (Feldlazarett). Zwar sind es die Außenbereiche, in denen The Division grafisch glänzt und dem PC Höchstleistung abverlangt, das dynamische Wetter macht es jedoch unmöglich, punktgenaue Messungen anzufertigen, welche im Falle eines API-Vergleichs jedoch unabdinglich sind. Dass DX12 in Außenbereichen größere Leistungsgewinne erzielt, steht außer Frage: Zwischenfazit: Der DX12-Pfad in The Division ermöglicht auf einigen Systemen bessere Bildraten. Unser Rat: ausprobieren - der Weg zurück zu DX11 ist einfach.
Doom
Doom ist ebenfalls fester Bestandteil des aktuellen PCGH-GPU-Leistungsindex. Der id-Software-Shooter unterstützt als eines der wenigen Spiele die Low-Level-API Vulkan, welche im Gegensatz zu DX12 kein Windows 10 voraussetzt, ergo auch unter Windows 7 & Co. läuft. Die Implementierung ist wegweisend: Neben Asynchronous Compute werden auch die Radeon-exklusiven GCN Shader Intrinsics unterstützt, was AMD-Grafikkarten besser denn je auslastet. Wir messen per OCAT repsektive Presentmon in der ersten Mission mit der Grafikeinstellung "Ultra", sprich: ohne Nightmare-Settings.
Der Wechsel auf Vulkan steigert die Bildrate auf demselben PC um mehr als den Faktor 3!
Phänomenal. Dieses Wort bringt die Vorstellung unter Vulkan auf den Punkt. Die Low-Level-API sorgt für eine wahre Leistungsexplosion, die in dieser Ausprägung ihresgleichen sucht. Besonders erstaunlich ist, dass Doom bereits unter Open GL ordentlich läuft, der verwendete FX-8350 erzielt mindestens 53 und im Mittel 64 Bilder pro Sekunde. Der Wechsel auf Vulkan steigert die durchschnittliche Bildrate auf demselben PC um mehr als den Faktor 3 (+210 %), die Minimum-Fps sogar um +230 Prozent! Die Messung offenbart ein ausgeprägtes Prozessorlimit, denn unter DX11 gibt es die höhere Auflösung nebst AA/AF umsonst. Unter Vulkan bricht die Bildrate in WQHD gegenüber 720p ein, liegt aber dennoch 69 Prozent oberhalb derer unter DX11. Hinzu gesellen sich tadellose Frametimes unter Vulkan. Zwischenfazit: Doom ist ein Musterbeispiel dafür, wie man's macht - "Low-Level done right", würden die Amerikaner sagen.
Hitman
Hitman startete 2016 im Episodenformat und feierte Ende desselben Jahres die Komplettierung seiner ersten Staffel. Mit jeder Episode hielten auch technische Verbesserungen Einzug in den Quellcode. Im Falle von Direct X 12 waren diese auch bitter nötig: Wir stießen im damaligen Techniktest auf große Probleme, wenngleich die hardwarenahe Schnittstelle auf vielen Systemen Leistungssteigerungen brachte. Seit dem Patch für die zweite Episode mit dem Schauplatz Sapienza, Italien läuft der Low-Level-Hitman zufriedenstellend und seit Ende 2016 sogar wirklich rund.
Wir testen das Spiel aus mehreren Gründen immer noch in Sapienza, anstelle einen neueren Schauplatz heranzuziehen: Neben mediterraner (Urlaubs-)Atmosphäre weist unsere Sapienza-Sequenz einen großen Prozessorhunger auf, welcher ideal ist, um die Qualität der Low-Level-Implementierung zu testen. Tatsächlich beflügelt Direct X 12 die Bildrate des FX-Prozessors - vor allem in der geringen, aber auch in der hohen Auflösung. Ist die CPU der alleinige Flaschenhals, erzielt DX12 eine um 46 Prozent höhere Bildrate als DX11. Besonders wichtig sind die Minimum-Fps, welche beim Blick vom Friedhof auf die Ortschaft und dahinter liegende Bergkette auftreten: Mit 48 anstelle von 33 Fps fühlt sich die Spielwelt wesentlich geschmeidiger an.
Wertmutstropfen: Immer wieder verursachen Patches für Hitman eine Fehlfunktion respektive andere Parameter der temporalen Bildglättung (SMAA genannt). Mit der von uns getesteten Version 1.8.0 wirkt beispielsweise eine zeitliche Verrechnung, diese ist jedoch wesentlich schwächer als früher, sodass das Spiel etwas stärker flimmert. Zwischenfazit: Die DX12-Vorteile überwiegen die Nachteile in Hitman klar.
Rise of the Tomb Raider
Bereits seit einem Jahr dürfen Spieler in der Rolle von Lara Croft eine Mischung aus engen Höhlen und großen Freiluftgebieten erkunden, welche der PC-Hardware alles abverlangt - vor allem mit dem DX11-Renderer, welcher zum Start herhalten musste. DX12 folgte per Patch und hatte in den ersten Monaten mit inkonsistenter Performance zu kämpfen. Nun, nach zahlreichen Software-Flicken, zeigt Miss Croft das volle Potenzial der Low-Level-Schnittstelle: Jede von uns getestete DX12-Grafikkarte profitiert von der hardwarenahen Programmierung. Wir haben daher die Möglichkeit, eine fordernde Hub-Welt wie das Geothermale Tal (Geo Valley) mit manuell maximierten Spieldetails zu testen.
Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem schwache Prozessoren von DX12 profitieren, die Bildrate steigt jedoch auch im Grafiklimit. Im Falle unserer Testgrafikkarte fallen die Bildberechnungszeiten unter Direct X 12 jedoch unregelmäßiger aus als unter Direct X 11. Die Ausprägung dieses Problems ist jedoch schwach, sodass die Spielbarkeit subjektiv nicht leidet - im Gegenteil, vor allem auf Budget-CPUs. Zwischenfazit: DX12 bringt in ROTTR auf beinahe jedem System Leistungsvorteile.
Total War: Warhammer
Total War: Warhammer basiert auf der altbekannten Warscape-Engine, welche für Warhammer modernisiert wurde. Seit Mitte 2016 gehört ein DX12-Pfad zum Repertoire des Renderers, welcher jedoch deutlich als Beta gekennzeichnet ist. Mit gutem Grund: Bis auf den integrierten Benchmark gibt es beinahe kein Szenario, in dem der DX12-Modus Leistungsvorteile bringt. Im Gegenteil, die meisten Hardware-Kombinationen arbeiten unter DX11 schneller, weshalb wir uns im Herbst dazu entschieden haben, das Spiel mit der alteingesessenen Schnittstelle in den PCGH-Leistungsindex aufzunehmen. Als Benchmarkszene dient ein von uns gestartetes Gefecht auf der Karte "Golden Monolith", genauer gesagt dessen Replay. Die Schneeschlacht zeigt viele Einheiten und zahlreiche Partikeleffekte.
TW Warhammer: Grafikfehler unter DX12 mit MSAA
Quelle: PC Games Hardware
Die Ergebnisse sind eindeutig negativ: Direct X 12 verlangsamt das Geschehen. Je gewichtiger die CPU-Leistung, desto besser schneidet Direct X 11 ab. Mit steigender Aufllösung schrumpft die Differenz, DX11 bleibt jedoch ungeschlagen. Hinzu kommen Grafikfehler unter DX12, welche irgendwann mit den letzten Patches oder AMD-Treibern eingeführt wurden: Der Monolith inmitten des Gefechts versprüht pixeligen Retro-Charme, sobald Multisample-AA verwendet wird. Zwischenfazit: Keines der PCGH-Testsysteme profitiert in der Testszene von DX12, im Gegenteil. Wir schließen jedoch nicht aus, dass vereinzelte Hardware-Konstellationen Vorteile aus dem Low-Level-Zugriff ziehen - und zwar außerhalb des integrierten Benchmarks, der DX12 klar in Front sieht.
Low-Level-APIs: Zwischenstand
Die Ergebnisse auf unserem AMD-System sind durchwachsen und hängen von der Lastverteilung ab (CPU-/GPU-Limit), fallen jedoch grundsätzlich positiv aus: In den meisten der acht Testspiele bringt Direct X 12 einen Leistungsvorteil. Die Vorstellung von Vulkan innerhalb von Doom ist sogar fantastisch und sollte Schule machen. Bedauerlicherweise ist das jedoch nicht zu erwarten, nicht einmal von id Software respektive Bethesda, welche die in Doom verwendete id Tech 6 noch für kein kommendes Spiel bestätigt haben.
Am Ende ist es gut, dass man stets die Wahl hat. Wir raten jedem Besitzer einer DX12-kompatiblen Grafikkarte nebst Windows 10 dazu, zumindest Testläufe unter Direct X 12 durchzuführen. Kommt es zu Problemen, können Sie immer noch auf DX11 als Sicherheitsnetz zurückgreifen. Dieser Rat richtet sich vor allem an Verwender älterer Prozessoren der Phenom- und FX-Reihen sowie Nutzer der ersten Core-Generationen, welche erfahrungsgemäß besonders stark von Low-Level-APIs profitieren. Besitzer von High-End-Maschinen landen jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit schnell wieder bei Direct X 11.
