Raytracing-Leistungsindex 2021: 12 Grafikkarten in 10 Spielen und 4 Auflösungen getestet - plus DLSS

Treue Leser der gedruckten PCGH (die Jubiläums-Ausgabe 250 ist just erschienen) wissen längst Bescheid: Der Raytracing-Leistungsindex ist fertiggestellt. Zugegeben, das Versprechen des ersten echten RT-Index der Welt ist markig. In diesem Artikel erläutern wir die Gedanken, Entscheidungen und zeigen selbstverständlich auch eine Wagenladung Benchmarks, damit Sie sich selbst davon überzeugen können. Unsere Online-Leser sind damit auf demselben Stand wie Käufer der PCGH 07/2021 - inklusive einiger neuer Benchmarkwerte und Erkenntnisse. Zum Einstand empfehlen wir das folgende Video, welches zwar schon Ende 2019 erschien, aber noch bestens funktioniert:

Raytracing: Darum geht's

Alles ist fake. Rasterisierung (Rasterizing), wie sie 99,9 Prozent der Spiele verwendet, erzielt nur mithilfe guter Künstler ein realistisch anmutendes Bild. Wir haben uns daran gewöhnt, doch der damit erzielbaren Präzision sind Grenzen gesetzt. Sie hängt direkt am Zeitaufwand, der dafür betrieben wird. Bei genauem Blick fallen die Tricks auf und das Kartenhaus zusammen. Die Idee, einfach virtuelle Lichtstrahlen zu simulieren, damit sich die Probleme von selbst erledigen, ist naheliegend, doch der Weg dorthin war steinig. Mittlerweile ist es so weit: Wir befinden uns am Anfang einer Grafikrevolution, die langfristig bedeutender und vor allem beständiger ist, als der Wechsel von blockigem Software-Rendering hin zur 3D-Beschleunigung Mitte der 90er-Jahre.

Die Idee des Raytracings, also der virtuellen Nachbildung von Licht, wurde bereits Ende der 1960er-Jahre im Kontext der Computergrafik diskutiert. Beim Offline-Rendering, etwa für Animationsfilme auf der großen Leinwand, ist Raytracing seit vielen Jahren der Standard und auch beim professionellen Design wird die Technologie genutzt, um möglichst nah an der Realität zu modellieren. Bei Spielen, in denen es auf Interaktion und somit hohe Bildraten und niedrige Latenz ankommt, scheiterte es jahrzehntelang an den richtigen Ideen, wie man Raytracing und echtzeittaugliche Bildraten unter einen Hut bekommt.

Quelle: PC Games Hardware Lego Builder's Journey als eines der neuesten Raytracing-Spiele zeigt, wie fantastisch Echtzeit-Raytracing aussieht, wenn man die Spielwelt kompakt genug hält.
Vereinfacht formuliert geht es darum, Licht in die virtuelle Welt zu schießen und damit eine natürliche Beleuchtung inklusive Schattierung, Reflexionen und Stimmung zu erhalten. Manuelles Platzieren von Lichtern oder das "Vorbacken" von Schatten in Objekte fiele damit nicht bloß weg. Das Ergebnis wäre hübscher, weil dynamisch, und spart den Designern unzählige Arbeitsstunden. Man könnte sagen, die Arbeit wird künftig an den PCs der Konsumenten erledigt. Das ist auch der Grund, warum mittelfristig kein Weg an Raytracing vorbeiführen wird: alle profitieren. Sogar die lokalen Energieversorger. Doch Scherz beiseite, denn es werden auch woanders Ressourcen freigesetzt. Dazu gleich mehr.

Da die Erzeugung (Casting) und Nachverfolgung (Tracing) virtueller Lichtstrahlen (Rays), welche mehrfach an Objekten abprallen (Bounces), extrem rechenaufwendig ist, scheiterten frühere Versuche der Echtzeitanwendung. Mit der Schnittstellensammlung DirectX 12, genauer gesagt mit deren Unterpunkt DirectX Raytracing (DXR), wurde vor nunmehr drei Jahren ein Standard beschlossen, um die Revolution in Gang zu bringen. Nvidia war als erster Hersteller am Start, seit Herbst 2018 sind die Geforce-RTX-20-Grafikkarten mit Raytracing-Rechenwerken erhältlich. Geforce RTX 30 entwickelt die Basis gezielt weiter und auch AMD ist seit Ende 2020 mit den Radeon-Grafikkarten der RX-6000-Reihe mit im Boot.

Und so geht's

Der Haupttrick der aktuellen Herangehensweise ist, den dreidimensionalen Raum nicht pixelweise nach Objekten zu durchsuchen, die durch Strahlen gezeichnet werden müssen. Stattdessen füllt man den Raum mit großen Kisten, die man schnell findet (Bounding Volume Hierarchy, kurz BVH). Darin sucht man gezielt weiter. Der zweite Trick ist, nicht die komplette Bildberechnung mittels Raytracing durchzuführen. Hybrides Rendering ist das Stichwort, man kombiniert die Raster-Effizienz mit einer selektiven Raytracing-Aufwertung, wo sie am sinnvollsten ist: für realistischeres Licht, Schatten und Spiegelungen.

Trotz aller Vereinfachungen bleibt eine enorme Strahlenbelastung. Dieses Problem lässt sich nicht wegtricksen, denn man möchte schließlich die Vorteile genau dieser Lichtstrahlen auskosten. Doch je mehr Rays, desto weniger Fps. So erfordern flächendeckende Raytracing-Reflexionen eines Metallbodens beispielsweise 16 Rays pro Pixel, andernfalls sehen diese bröselig und hart aus. Das macht bei gut 2 Millionen Pixeln der Full-HD-Auflösung bereits 32 Millionen Strahlen - pro Bild! 60 Bilder? Kein Problem. Allerdings pro Stunde.

Es ist hoch spannend, die Lösungen diverser Forscher und Entwickler zu sehen. Der gängigste Kniff ist, die Strahlen mit einem Bruchteil der eingestellten Auflösung zu verschießen, etwa 1/4 oder 1/2. Dies erfolgt randomisiert, um einen Streu-Effekt zu erzielen, der zumindest 60 Bilder? Kein Problem. Allerdings pro Stunde.ansatzweise ein vollständiges Bild zeichnet. In den folgenden Bearbeitungsschritten werden die Informationen clever räumlich und zeitlich verrechnet und gefiltert. Anders formuliert: Die Lücken werden durch Interpolation günstig gefüllt. Wie viele aufeinander folgende Frames dazu verwendet werden, unterscheidet sich von Lösung zu Lösung. Oder wie sensibel die Löcher an den Stellen mit Farbwerten gefüllt werden, wo keine Strahlen auftreffen (Denoising). Das Ergebnis kann sich angesichts der eingesparten Rechenzeit sehen lassen, wobei die Präzision (mehr Rays) jederzeit hochgefahren werden kann, wenn stärkere Grafikchips erscheinen.

Spiegelungen und Lichtbrechung sind dabei besonders herausfordernd, denn diese Effekte benötigen ein höheres Maß an alternierenden Strahlen und lassen sich nicht so unauffällig optimieren. Wie gut, dass die Welt nicht nur aus Glasgefäßen und Wasser besteht. Bis wir diese Dinge in artefaktfreier Qualität zu sehen bekommen, werden noch ein paar Jahre vergehen. Bis dahin vergnügen wir uns mit einfacheren Spiegelungen, feinen Schatten und realitätsnaher Beleuchtung. Zeit, den Radschlag in die Praxis zu vollziehen.
Quelle: Nvidia Raytracing findet sich in Gestalt dieser vier Aufwertungen in Spielen – wegen des Rechenaufwands aber fast nie alle auf einmal. Besonders aufwendig sind die Bounces, also die Weiterverfolgung von Strahlen, nachdem sie ein Objekt getroffen haben. Dieser Schritt fällt bei Schattierungen weg, was die dunklen Gesellen und ihre schattigen Kollegen (AO) günstig macht.

Evaluierung und Praxistest

Raytracing erhält derzeit Aufwind durch die breitere Hardware-Basis, denn die Ende 2020 veröffentlichten Konsolen Xbox Series X|S und Playstation 5 basieren auf derselben GPU-DNA wie die Radeon-RX-6000-Reihe. Die Arbeiten an flüssig darstellbaren Schmankerln für Cross-Platform-Entwicklungen laufen somit auf Hochtouren. Bedauerlich ist einzig, dass einige Raytracing-Hingucker wohl nie ihren Weg auf den PC finden werden - beispielsweise Spiderman: Miles Morales oder Ratchet & Clank: Rift Apart. Die Tatsache, dass sich mittlerweile jeder Entwickler mindestens kurz mit der Thematik befasst hat, wird sich jedoch mittel- bis langfristig positiv auswirken.

Bereits im Herbst 2020 präsentierten wir Ihnen den ersten Raytracing-Leistungsindex, welcher die damals neuen RTX-30-Grafikkarten auf die Probe stellte. Mittlerweile ist die Auswahl an Spielen deutlich angewachsen und der Zeitpunkt für den ersten "richtigen" RT-Leistungsindex somit gekommen. Waren die ersten Raytracing-Spiele primär auf die Eigenheiten der RTX-20-Serie abgestimmt, haben PC-Spieler nun die Wahl zwischen vielen verschiedenen Implementierungen, welche technisch entweder von AMD oder Nvidia unterstützt werden. Wie immer gilt: Die Mischung macht's und wir haben großen Aufwand betrieben, um eine möglichst vielfältige Benchmark-Aufstellung zu schaffen.

Anstelle der sonst üblichen drei bis fünf Spiele haben wir solange gewartet, bis zehn möglichst unterschiedliche Titel verfügbar sind. Wie Sie der Tabelle entnehmen, entstammen alle Spiele des Raytracing-Leistungsindex 2021 der neueren bis neuesten Generation. 12 Raytracing-Grafikkarten seit 2018 sind zum Vergleich angetreten, deren Staffelung das ganze Leistungsbild skizziert. Weitere Modelle liefern wir im Laufe der kommenden Monate nach.

Die maßgeschneiderten Testsequenzen sehen Sie in den eingebetteten Youtube-Videos auf der folgenden Seite. PCGH Benchmarks & Analysis ist übrigens ein neuer Youtube-Seitenkanal von PCGH, in dem wir künftig alle Benchmarkszenen und so manche Randbetrachtung platzieren - klicken Sie doch mal rein und abonnieren Sie den Channel, um garantiert nichts zu verpassen.

Beim Raytracing-Leistungsindex kommt dasselbe, mit zum letzten Subtiming optimierte System auf Ryzen-Basis zum Einsatz - seit Mai mit aktualisierter Firmware und noch etwas flotter. Ein Prozessor-Limit hat beim Raytracing nämlich genauso wenig verloren wie bei den regulären Grafikkartentests. Mehr zum spannenden Thema, wie sich die Strahlverfolgung auf die Prozessorleistung auswirkt, lesen Sie im Artikel [PLUS] Raytracing: Auswirkungen auf Ryzen 7 5800X und Ryzen 9 5950X. Alle Details zum Testsystem entnehmen Sie der Tabelle:

Artikel teilen

Raytracing-Leistungsindex 2021: 12 Grafikkarten in 10 Spielen und 4 Auflösungen getestet - plus DLSS Raytracing, die virtuelle Nachbildung von Licht, ist gekommen, um zu bleiben. Wir zollen dieser spannenden Entwicklung Tribut und präsentieren Ihnen den ersten repräsentativen Raytracing-Leistungsindex der Welt. 12 Gaming-Grafikkarten haben den Parcours bereits absolviert. Welche Modelle die Nase vorn haben und wie groß die Wirkung von Upscaling auf die Leistung ist, erfahren Sie im Folgenden.

Per E-Mail versenden

70

1. Seite 1 Raytracing-Leistungsindex: Strahlverfolgung erklärt
2. Seite 2 Raytracing-Leistungsindex: Benchmarks und Fazit