PCI-Express Resizable BAR: RX 6800 XT mithilfe von Intel Core i9-10900K beschleunigt

Am 28.10.2020 hat AMD offiziell die neue RX-6000-Generation der hauseigenen Radeon-Grafikkarten vorgestellt. Besonders interessant war dabei vor allem ein neues Feature namens Smart Access Memory oder kurz SAM, welches den AMD-GPUs bei den vorgezeigten Benchmarks einen nicht zu unterschätzenden Vorteil erspielt. Wie genau das funktioniert, erwähnte man jedoch nicht. Nach einiger Recherche war klar, dass der vermeintlich nur auf die neue Zen-3-Plattform beschränkte Boost zum PCI-Express-3.0-Standard gehört, welcher vor mehr als 11 Jahren sein Debüt feierte. Die zugrundeliegende Technik heißt Resizable Base Address Register (BAR). Schnell wurden Stimmen laut, dass "Smart Access Memory" auch auf anderen Plattformen lauffähig sein müsste und es hat nicht lange gedauert, bis erste BIOS-Updates für aktuelle Intel-Plattformen mit Sockel 1200 erschienen sind, welche den Support im Beta-Status für Z490-, H570- und B460-Chipsätze für Resizable BAR ermöglichen. Auch für Nvidia-Grafikkarten soll Resizable BAR bald zum Standard gehören, wie Nvidia bestätigte. Erste BIOS-Versionen für ausgewählte MSI-Mainboards ermöglichen bereits jetzt die Unterstützung für Nvidias aktuelle Ampere-Generation RTX 3000. Höchste Zeit, dass wir uns einen Überblick über dieses spannende Feature verschaffen!

PCI-Express Resizable BAR: Übersicht

PCGH hat sich bereits im Rahmen eines Print-Artikels mit diesem Thema beschäftigt. An der Theorie hat sich nichts verändert, wir haben daher Teile des Artikels für diese Übersicht übernommen und auf den neuesten Stand gebracht. Dieser Artikel wird erweitert, sobald sich Neuigkeiten zur Unterstützung weiterer Hardware ergeben. Sie sind dazu eingeladen, an der Forschungsarbeit Teil zu haben. Verwenden Sie ein passendes Mainboard und können Resizable BAR aktivieren? Dann nutzen Sie gerne den Kommentar-Thread zu diesem Artikel und zeigen uns Ihre Ergebnisse. Eine Anleitung, wie Sie das Feature aktivieren können, finden Sie weiter unten.

Was ist Resizable BAR?

Base Address Register (BAR) wird dazu genutzt, um den diskreten Speicher der Grafikkarte direkt von der CPU mit nötigen Daten zu belegen - eine Methode, um Kopiervorgänge zwischen mehreren verschiedenen Speicher-Bausteinen zu minimieren. Diese Art Speicherzugriff ist allerdings standardmäßig durch einen Umstand stark eingeschränkt: Im Normalfall kann der Speicher durch BAR nur in kleinen Heaps (ein fragmentiertes Datensegment) von 256 MiByte belegt werden. Wird eine größere Menge benötigt, müssen mehrere Kopiervorgänge von CPU zur GPU vorgenommen werden, was Zeit kostet beziehungsweise höhere Latenzen zwischen CPU und GPU verursacht. Mithilfe von Resizable BAR kann die Größe des Speicherblocks angepasst werden, mit einem Kopiervorgang also auch mehr als 256 MiByte Grafikspeicher direkt von der CPU mit für den aktuellen Frame nötigen Daten belegt werden. Laut AMD würde damit PCI-Express 4.0 besser ausgenutzt werden, was logisch klingt, da die Übertragungsgeschwindigkeit des PCI-E-Slots als der limitierende Faktor erscheint. Wir konnten das allerdings nicht bestätigen, wie der weiter oben verlinkte Print-Artikel beweist. PCI-E 4.0 erhöht zwar die Grafikleistung, sorgt in Verbindung mit Resizable BAR aber nicht für mehr Leistung gegenüber PCI-Express 3.0. Bisher unbekannt ist, ob AMDs Version von Resizable BAR, Smart Access Memory, etwas grundlegend anders macht. Immerhin setzt AMD dafür eine Zen-3-CPU voraus. Technisch sind sich Smart Access Memory und Resizable BAR identisch.
Quelle: Wikipedia Das ist ein Standard Register von "Innen". Um ein PCI-Gerät ansprechen zu können, muss es aktiviert werden, indem es in den I/O-Port-Adressraum des Systems oder in den speichergemappten Adressraum eingeblendet wird. Die Firmware des Systems, die Gerätetreiber oder das Betriebssystem programmieren die Basisadressregister (allgemein BARs genannt), um das Gerät über seine Adresszuordnung zu informieren, indem sie Konfigurationsbefehle an den PCI-Controller schreiben. 

Wie funktioniert Resizable BAR?

Im Hintergrund des Systems werkelt ein Kernel-Treiber, der durch einen Hintergrundprozess die Größe des zugänglichen Videospeichers an die Gesamtmenge des Speichers anpasst. Dieser Prozess kostet keine Leistung und zeigt dem Prozessor an, wie viel Speicher von diesem adressiert werden kann. Um den Zugriff auf den Prozessor zu vereinfachen, wird eine Reihe von virtuellen Adressen für die CPU erzeugt. Der Kernel-Treiber regelt dabei im Hintergrund die Priorität dieser Prozesse. Der VRAM-Manager (zu finden im Geräte-Manager, unter "Ressourcen" bei der verbauten Grafikkarte) weist die virtuellen Adressen der CPU direkt in einem Bereich zu, wobei der Speicher nach Bedarf zugänglich ist.
Quelle: PCGH Wenn Resizable BAR erfolgreich aktiviert wurde, erscheint im Geräte-Manager bei den Eigenschaften der Grafikkarten im Reiter Ressourcen ein neuer Eintrag namens "Großer Speicherbereich". Mehr müssen Sie nicht tun, Resizable BAR ist jetzt aktiv. Da der CPU normalerweise nur 256 MiByte des Videospeichers zum Adressieren zur Verfügung stehen, werden alle restlichen Abfragen in den Arbeitsspeicher geladen. Benötigt die Grafikkarte eine Information, die zu dieser Zeit im Arbeitsspeicher liegt, muss die CPU jene der Grafikkarte erst zur Verfügung stellen. Genau diese Latenz wird durch Resizable BAR verhindert, da sich alle Anfragen auf den Videospeicher beziehen und nicht mehr mit dem Arbeitsspeicher geteilt werden müssen. Einem Entwickler dürfte es schwerfallen, das Feature für PCs zu optimieren, da niemand weiß, wie viel Speicher tatsächlich vorhanden ist. Unsere Zahlen weiter unten belegen, dass Resizable BAR nicht immer von Vorteil ist. Hilfreich ist das Feature in großen offenen Welten, durch die sich der Spieler mehr oder minder frei bewegen kann - durch die hohe Bewegungsfreiheit und damit die schlechte Vorhersehbarkeit der Spieleraktionen, kann die Engine nur schlecht voraussagen, welche Daten für den nächsten Frame benötigt werden. Ein optimiertes Vorabladen ist daher nur eingeschränkt möglich und für den aktuellen Frame benötigte Daten müssen daher sehr zeitkritisch gestreamt werden. Da Resizable BAR genau dieses Streaming beschleunigen kann, sind relativ deutliche Zuwächse in großen offenen Spielewelten nicht allzu verwunderlich.

Wie wird Resizable BAR aktiviert?

Damit Sie das Feature aktivieren können, brauchen Sie nebst passenden Unterbau eine BIOS-Version, welche den Support für Resizable BAR mitbringt. Für unsere Tests kommt ein MSI Z490 Carbon Gaming WiFi zum Einsatz. Wir verwenden das Beta-BIOS mit der Version "7C73v172". Verbaut ist ein Intel Core i9-10900K und 32 GiB DDR4-4266-RAM. Als Grafikkarte kommt eine Referenzversion der RX 6800 XT zum Einsatz. Laut aktuellem Stand werden nur Radeon-Grafikkarten offiziell unterstützt.

Als nächstes müssen Sie zwingend das Compatibility Support Module, kurz CSM, deaktivieren. Haben Sie Ihr Windows beispielsweise über das CSM als MBR-Partition installiert, müssen Sie erst eine UEFI-Variante mit GUID Partition Table, kurz GPT, installieren. Ist das bewältigt, sind jetzt noch zwei besondere Optionen im UEFI zu aktivieren: "Above 4G Decoding" und "Re-Size BAR Support". Ob Sie alles richtig gemacht haben, können Sie anschließend im Geräte-Manager prüfen. Öffnen Sie den Reiter Ihrer Grafikkarte und klicken Sie doppelt darauf. Wechseln Sie zum Tab "Ressourcen" und schauen, ob unter den Ressourceneinstellungen der Punkt "Großer Speicherbereich" aufgetaucht ist. Dieser sollte sich in der Regel ganz oben befinden. Wenn der Punkt da ist, brauchen Sie nichts weiter zu tun, Resizable BAR ist jetzt aktiv. Falls die Anzeige nicht erscheint, ist Ihre BIOS-Version nicht kompatibel oder Ihre Grafikkarte unterstützt das Feature nicht.

PCI-Express Resizable BAR: Benchmarks

Nun möchten wir Sie aber nicht mehr länger auf die Folter spannen. Für die Benchmarks kommen drei verschiedene Profile zum Einsatz. Uns hat dabei interessiert, ob die Leistung der CPU und/oder des Arbeitsspeichers eine Auswirkung auf den potenziellen Leistungsgewinn von Resizable BAR hat. Die nachfolgende Tabelle hält alle Informationen darüber bereit.

In Assassin's Creed Valhalla kann Resizable BAR seine Karten voll ausspielen. Eine schnelle CPU mit passendem Arbeitsspeicher sorgt für bessere P1-Perzentile. In allen anderen Titeln jedoch ist der Leistungsgewinn so marginal, dass er nicht spürbar ist. In Horizon Zero Dawn stellt sich gar kein Gewinn ein. Dabei sind alle getesteten Titel sehr speicherhungrig. Eine schnelle oder langsame CPU hat offenbar genauso wenig Einfluss, wie ein schneller Arbeitsspeicher. Valhalla markiert das obere Ende, der folgende Frameverlauf zeigt alle Daten der GPU auf. Konnten wir durch Smart Access Memory in mehreren Auflösungen einen relativ hohen Gewinn an Fps ausmachen, fällt Resizable BAR eher hinter die Erwartungen zurück. Damit die Unterschiede überhaupt sichtbar werden, haben wir diesmal ausnahmsweise die P1-Perzentile mit einer Stelle nach dem Komma ausgeschrieben. Ob sich unter den kommenden PCI-Express 4.0 Prozessoren von Intel ein ähnliches Verhalten zeigt, werden wir zu gegebener Zeit überprüfen.
Quelle: PCGH Die drei oberen Linien sind mit aktiviertem Resizable BAR entstanden. Sie setzen sich merklich von den unteren Linien ab. Beachten Sie, dass es sich diesmal nicht um Frametimes, sondern um einen Fps-Verlauf handelt.

PCI-Express Resizable BAR: Fazit

Eine Zusammenfassung auf Basis der erzielten Werte kann nur ernüchternd ausfallen. Assassin's Creed Valhalla äußert sich abermals als Ausreißer, könnte aber womöglich die Zukunft aufzeigen, immerhin handelt es sich um ein sehr modernes Spiel. Die anderen getesteten Titel jedoch zeigen bisher jedoch kaum bis gar keine Mehrleistung durch Resizable BAR auf. Wir konnten sogar oft niedrigere Frametimes mit aktiviertem R-BAR messen. Diese Unruhe scheint sich aber durch nichts erklären zu lassen. Wir sind jetzt sehr auf Ihre Ergebnisse gespannt. Nutzen Sie den Kommentar-Thread und lassen Sie uns an Ihren Benchmarks teilhaben.

Zum Abschluss noch eine interessante Anekdote: Als erste haben nämlich Hewlett-Packard (HP) und Advanced Micro Devices (AMD) die Idee von Resizable BAR jener Kommission vorgeschlagen, welche für den PCI-Express-Standard verantwortlich zeichnet. Wer hätte das gedacht?

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PCI-Express Resizable BAR: RX 6800 XT mithilfe von Intel Core i9-10900K beschleunigt Smart Access Memory wurde im Zuge der Ankündigung der RX-6000-Grafikkarten Ende Oktober zum ersten Mal der Öffentlichkeit gegenüber erwähnt. Die Technik ermöglicht dem Prozessor den vollen Zugriff auf den Videospeicher, was mehr Leistung in Spielen ermöglichen soll. Dahinter verbirgt sich ein Feature namens "Resizable BAR". Wir verschaffen Ihnen einen Überblick über dieses spannende Thema und liefern einen Leistungsvergleich in fünf Spielen mit drei unterschiedlichen CPU-/RAM-Profilen.

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