Raytracing und die CPU - Was kostet Raytracing im Prozessorlimit?

Raytracing und die komplexen Berechnungen für die Verfolgung virtueller Lichtstrahlen sowie das anschließende Zeichnen der Raytracing-Effekte stellen hohe Anforderungen an Grafikkarten, die selbst aktuelle High-End-Boliden wie RTX 3090 und RX 6900 XT zum Glühen bringen. Dass gerade Spiele, die mehrere Raytracing-Effekte anbieten, viel Grafikleistung benötigen, ist außerdem gut dokumentiert, nicht zuletzt durch unsere häufigen Messungen, Artikel und Benchmarks. Tatsächlich arbeiten wir momentan am Raytracing-Leistungsindex 2021, der Ihnen in Kürze einen praktischen Überblick der Raytracing-Performance von Grafikkarten bieten wird. Und natürlich finden sich neben PCGH-Benchmarks im Heft und auf unserer Website eine Vielzahl weiterer Raytracing-Artikel und -Messungen im Netz. Diese haben allerdings häufig einen ähnlichen Schwerpunkt, nämlich die Raytracing-Performance aktueller Grafikkarten zu untersuchen. Viele technische Vertreter der schreibenden (oder auch Youtube-Videos drehenden) Zunft beschäftigen sich im Zusammenhang mit Raytracing obendrein zumindest am Rande mit dem Grafikspeicher sowie spannenden Features wie DLSS beziehungsweise Upsampling.

Aber was ist mit der CPU?

Deutlich weniger im Fokus der Berichterstattung steht indes der Prozessor. Kaum ein Artikel beschäftigt sich mit den Auswirkungen von Raytracing auf die CPU. In gewissem Umfang ist das nachvollziehbar, schließlich belastet Raytracing insbesondere die Grafikkarte massiv. Es muss eine Vielzahl zusätzlicher Berechnungen absolviert werden, so muss beispielsweise die komplette Szene samt allen per Raytracing abzutastenden Elementen für jedes einzelnes Frame in einer Beschleunigungsstruktur (Bounding Volume Hierarchy oder BVH) untergebracht werden, um die eigentlichen Raytracing-Berechnungen so zu vereinfachen, beziehungsweise die nötigen Abfragen zu minimieren, dass Raytracing auf aktuellen Grafikchips überhaupt erst ermöglicht wird. Das Erstellen der BVH geschieht zwar im Normalfall auf der GPU (Compute Units bei AMD, RT-Cores bei Nvidia), doch der ganze Verwaltungsaufwand, die Anweisungen an die Grafikkarte und das eigentliche Laden und Bereitstellen der zu berechnenden Szene ist zu weiten Teilen Aufgabe des Prozessors. Obendrein kann es durch Raytracing zu einem erhöhten Verwaltungsaufwand (Overhead) kommen, etwa wenn die in einer Raytracing-Spiegelung enthaltenden Objekte und deren Materialien nochmals von der CPU bereitgestellt, nochmals in den Grafikspeicher transferiert werden müssen und die CPU der GPU ein nochmaliges Berechnen der Shader innerhalb der Spiegelung enthaltenden Objekte, Materialien oder Effekte aufbrummen muss. All dies würde auch die Prozessorleistung beeinflussen. Und tatsächlich - spätestens seit wir uns bei den Online-Spieletests bemühen, neben den Prozessor-Benchmarks auch Messungen mit Raytracing im CPU-Limit durchzuführen, ist relativ offensichtlich, dass Raytracing auch die Prozessoranforderungen erhöht.

Strahlverfolgung zur CPU

In diesem Artikel wollen wir dem Thema CPU-Performance-Kosten bei aktiviertem Raytracing eine etwas größere Bühne geben als bislang. Unsere zuvor getätigten, sporadischen Messungen in Spiele-Artikeln geben zwar eine grobe Idee, wie sich Raytracing im CPU-Limit verhält, doch sind die vorhandenen Daten ein wenig dünn. Obendrein ist nicht immer gewährleistet, dass bei diesen Messungen tatsächlich auch ein hartes CPU-Limit vorliegt. Die bisherigen Messungen mit Raytracing basieren auf den zuvor getätigten CPU-Benchmarks und auch auf den Settings ebendieser (nur eben inklusive Raytracing). Das Zuschalten von Raytracing erhöht aber wiederum insbesondere die Last der Grafikkarte, in vielen Fällen drastisch - mit den Standard-CPU-Benchmarks und -Settings rennt man daher beim Messversuch schnell ins Grafiklimit und misst vornehmlich die Raytracing-Performance der Grafikkarte. Um einen wirklich akzentuierten Test des Impacts von Raytracing auf die CPU zu ermitteln, mussten also gesonderte Szenen, Einstellungen und Testumstände her.

Ein weiterer Punkt ist das teils drastisch unterschiedliche Abschneiden von AMD- und Nvidia-Grafikkarten. Sowohl was die generelle Spiele-Performance und die Leistung im CPU-Limit, aber etwa auch die Zugewinne beim Einsatz von Techniken wie SAM respektive rBAR sowie die Raytracing-Performance im Gesamten betrifft. Gerade Letztere wirkt aktuell noch recht undurchsichtig. Bei praktisch jedem aktuellen Raytracing-Titel steckt entweder AMD oder (zumeist) Nvidia mit den Entwicklern unter der Decke, um durch die Kooperation die verkaufsfördernden Fähigkeiten der jeweils eigenen Grafikkarten öffentlichkeitswirksam in den Vordergrund zu stellen.

Dieses Vorgehen seitens der GPU-Hersteller ist nachvollziehbar, schließlich handelt es sich bei Raytracing um Nvidias strahlendstes Zugpferd, das entsprechend populär zur Schau gestellt werden möchte. AMD dagegen steht beim Thema Raytracing eine gewisse Aufholjagd bevor und der Firma dürfte viel daran gelegen sein, den zumindest in gewissen Bereichen bestehenden Raytracing-Rückstand möglichst publik anzugehen. Beide Firmen haben also gute Gründe, sich bei Spieleentwicklern für Raytracing einzusetzen und die eigenen Stärken in möglichst populären Titeln hervorzuheben, auf dass fortschrittsliebende Spieler trotz der aktuell wahnwitzigen Grafikkartenpreise freudig die Geldbörse zücken mögen.

Durch den Einsatz von AMD und Nvidia bei Entwicklern besteht die Gefahr einseitiger Bevorzugung der jeweiligen Grafikkarten des Partners, was sich zumindest beim Thema Support offenbart: Cyberpunk 2077 entstand etwa in Kooperation mit Nvidia und zum Launch wurden AMD-Grafikkarten mit Raytracing-Support nicht unterstützt. Das gleiche Spiel gab es beim (nicht in diesem Artikel getesteten) Godfall, welches mit AMD-Unterstützung entstand und anfangs nur auf RDNA-2-GPUs Raytracing bot. Obendrein ist relativ offenkundig, dass Optimierungen hauptsächlich für die jeweilige Hardware des entsprechenden GPU-Gönners geschehen, beziehungsweise diese vorgezogen werden. Auch hier wäre beispielsweise Cyberpunk zu nennen, dessen AMD-Performance die Entwickler auch mit Patch 1.21 als noch nicht final optimiert bezeichnen. Auf der anderen Seite fällt Dirt 5 ins Auge, welches viele AMD-Techniken aus dem Fideliy-FX-Programm nutzt und überdurchschnittlich gut mit RX-6000-GPUs läuft - sowohl mit als auch ohne Raytracing.

Zeit für eine aktuelle Bestandsaufnahme. Dazu verpflanzen wir einen Ryzen 7 5800X und Ryzen 9 5950X ins Testsystem, legen die gleichen Takt- und Speicherraten an und prüfen, inwiefern Raytracing die Leistung beider CPUs in drei aktuellen Spielen beeinträchtigt. Wir nutzen handverlesene Szenen sowie Settings. Dazu lassen wir RTX 3090 und 6900 XT zum Duell antreten. Wenn Sie sich für weitere Messungen interessieren, in der aktuellen PCGH-Ausgabe 06/2021 prüfen wir neben Cyberpunk 2077, Watch Dogs Legion und Dirt 5 auch das im CPU-Limit etwas auffällige Call of Duty Cold War und ergänzen weitere Benchmarks, um zu prüfen, ob sich die Einbußen im CPU-Limit auch auf höhere Auflösungen auswirken.

Anmerkung: In diesem Online-Artikel nutzen wir obendrein erstmals in größerem Umfang unsere neuen Online-Frametimes-Diagramme. Diese sind noch ein früher Work-in-Progress, sollen Ihnen, unseren Lesern, aber von nun an häufiger als zusätzliche Informationsquelle dienen. Feedback ist an dieser Stelle gern willkommen, teilen Sie also gern Ihre Meinungen diesbezüglich in unserem Forum. Einige Verbesserungen sind bereits angestoßen, etwa die Skalierung der Y-Achse (diese skaliert aktuell automatisch, was den Überblick etwas erschwert).

Quelle: PC Games Hardware Raytracing vs CPU - Cyberpunk gehört sicherlich zu den fortschrittlichsten Raytracing-Titeln. Im CPU-Limit sind die Performance-Kosten für die edle Technik allerdings nicht unbedeutend.

Raytracing vs CPU - Cyberpunk 2077

Bei der Evaluierung der Performance im CPU-Limit mit dem Ryzen 7 5800X wurde schnell klar, dass wir unsere typischen Benchmarkszenen und -Settings anpassen müssen, um wirklich in ein definitives CPU-Limit zu geraten. Raytracing ist nun mal eine anspruchsvolle Technik und belastet in erster Linie die Grafikkarte. Um also tatsächlich auch mit schnellen GPUs wie der genutzten RTX 3090 von EVGA oder der Asus RX 6900 XT bei zugeschaltetem Raytracing in das zu untersuchende Prozessorlimit zu gelangen, haben wir nicht nur die Auflösung, sondern auch die grafiklastigen Optionen reduziert. Obendrein haben wir unsere Benchmarkszenen in den meisten Spielen geändert, um die Abhängigkeit zwischen CPU und Raytracing zu betonen. Wir haben folglich Szenen gewählt, die bei zugeschaltetem Raytracing sehr anspruchsvoll ausfallen, gleichzeitig eine hohe CPU-Last aufweisen, sich im reinen Grafiklimit aber unauffällig verhalten.

In Cyberpunk 2077 übersetzt sich das so: Statt unsere grafiklastige GPU- oder sehr streaminglastige CPU-Benchmarkszene zu nutzen, suchen wir in Japan Town eine belebte Unterführung auf, die vor spiegelnden Oberflächen nur so strotzt. Die Szene liegt obendrein bei strahlendem Sonnenschein praktisch vollständig im Schatten, nahezu jedes Pixel wird daher durch Raytracing verschattet. Das dichte Aufkommen der Passanten erhöht wiederum die CPU-Last. Die bummelnden KI-Kumpanen benötigen allerdings eine Weile, um vollzählig zu erscheinen. Wir nutzen die Zeit, um die Hardware vorzuwärmen und mit zwei vor den eigentlichen Messungen getätigten Trocken-Runs unrealistisch hohe Boost-Taktraten und ladebedingte Ausreißer zu umgehen.

Beide CPUs laufen mit Standard-Takt, sitzen im Sockel desselben Asus X570 Crosshair VIII Hero, nutzen 2 × 16 GiByte DDR4-RAM mit den Standard-Timings 16-18-18-36 und werden flüssigkeitsgekühlt. Beim Spielen boosten die belasteten Kerne bei beiden Prozessoren auf knapp 4,7 GHz, realistisch pendeln die Taktraten beider CPUs zwischen 4.625 und 4.700 MHz. Die CPUs unterscheiden sich ein wenig unter der Haube: Der 16-Kerner 5950X nutzt zwei CCDs samt doppelten Caches (2 × 32 MiByte L3- und 16 × 512 KiByte L2-Cache), der 8-Kerner 5800X kommt mit einem CCD und der Hälfte der internen Speicher aus. Beide CPUs verfügen über einen TDP-Spielraum von 105 Watt.

Cyberpunk 2077 ist generell ein recht CPU-intensives Spiel. Mit Raytracing verschärfen sich die Prozessoranforderungen nochmals, tatsächlich fällt das P1-Perzentil mit dem Ryzen 7 5800X stellenweise auf 60 Fps herab, der flinke Achtkerner ist also gerade noch potent genug, um in Cyberpunk bei zugeschaltetem Raytracing stabile 60 Fps zu halten. Dies ist durchaus bedeutsam, da Sie beispielsweise auch mit DLSS keine höheren Bildraten erzielen würden, wenn die CPU der limitierende Faktor ist. Für Cyberpunk und Raytracing braucht es also einen sehr potenten Prozessor, soll überhaupt die Möglichkeit bestehen, flüssige 60 Fps zu erzielen.

Auf der anderen Seite sind die Einbußen im Prozessorlimit auch nicht allzu groß. Mit der Geforce büßt der 5800X beim Zuschalten von Raytracing 15,9 Prozent Leistung ein, der 5950X 17,7 Prozent. Mit der Radeon sind es beim 5800X 17,0 respektive 16,1 Prozent mit dem 5950X.

Quelle: PC Games Hardware Raytracing vs CPU - Dirt 5 bietet eine generell hohe Performance. Raytracing kostet im CPU-Limit wenig Leistung und auch im Grafiklimit ist die Strahlverfolgung relativ günstig.

Raytracing vs CPU - Dirt 5

Der schicke Flitzer Dirt 5 mimt die Ausnahmeerscheinung im Testfeld. Es ist der einzige Titel, der in Kooperation mit AMD entstand, während Cyberpunk und Watch Dogs Legion mit Nvidia-Sponsoring entwickelt wurden. Wenn Sie sich die Benchmarks der drei Spiele zu Gemüte führen, so erkennen Sie eventuell das leise Problem, auf das man als auf Objektivität getrimmter Redakteur stößt: Ist das Spiel Nvidia-gesponsert, läuft Raytracing auf Nvidia-GPUs gut. Unterstützt AMD das Spiel, läuft es gut mit AMD-Grafikkarten. Beide Fälle zugleich treten indes eher weniger auf, gleichzeitig gibt es kein einziges Raytracing-Spiel, das nicht durch einen der beiden Grafikkarten-Hersteller unterstützt wurde oder nicht durch die Engine implementierte Raytracing-Techniken eines der Hersteller nutzt. Eine wirklich objektive Betrachtung von Raytracing oder der Performance ist so im Grunde schwerlich möglich, bei jedem Spiel besteht begründeter GPU-Hersteller-Lobby-Verdacht.

Ein solcher gilt bei Dirt 5 generell und auch ohne Raytracing, denn das Spiel nutzt eine Reihe von Effekten aus AMDs Fidelity-FX-Bibliothek, das Spiel performt auch generell sehr gut mit Radeon-Grafikkarten. Dies tut Dirt 5 auch beim Zuschalten von Raytracing. Das Spiel sogar dann mit RDNA-2-GPUs flüssig, wenn die Strahlverfolgung zugeschaltet wird und Fahrzeugschatten sowie die Umgebungsverdeckung per Raytracing dargestellt werden.

Auch der Aufwand für die CPU hält sich in Grenzen, allerdings müssen wir darauf hinweisen, dass wir bei zugeschaltetem Raytracing selbst in 720p, 50 Prozent Auflösungsskalierung (das Spiel nutzt in diesem Falle eine Bildrekonstruktion) und reduzierten Grafikdetails sehr nahe dem GPU-Limit sind. Die werkseitig übertaktete Radeon RX 6900 XT wird um bis zu 95 Prozent ausgelastet. Es könnte also sein, dass hier bereits die Grafikleistung die Bildraten ein wenig begrenzt, der eigentliche CPU-Impact könnte in diesem Fall auch etwas höher sein. Generell ist der Performance-Verlust im CPU-Limit in Dirt 5 allerdings in einem Bereich, den wir im Vergleich mit den anderen getesteten Spielen als unauffällig bezeichnen würden: Im CPU-Limit verliert der Ryzen 7 5800X mit der RTX 3090 beim Zuschalten von Raytracing 10,6 Prozent, der Ryzen 9 5950X 13,4 Prozent Leistung. Letzteres ist ein Indiz dafür, dass auch die Geforce RTX 3090 die Bildraten bereits durch die in den Vordergrund rückende Grafikleistung ein wenig beeinflusst.

Die Radeon liefert eine nochmals bessere Vorstellung ab, mit dem 5800X büßt die RX 6900 XT im CPU-Limit gerade einmal 2,4 Prozent und mit dem 5950X schimmstenfalls 6,8 Prozent Leistung ein. Selbst unter Berücksichtigung, dass diese Werte wohl ein wenig höher ausfallen sollten, würde die Grafikleistung nicht limitieren, ist ein solcher Performance-Verlust kaum von Belang. Insbesondere, wenn man die sehr hohen Bildraten betrachtet, die Dirt 5 im Prozessor-Limit zu liefern imstande ist.

Generell ist die Raytracing-Performance erfreulich hoch, auch in hohen Auflösungen und selbst mit RX-6000-GPUs. Haben die neuen Radeons also wirklich eine Raytracing-Schwäche? In Dirt 5 ist davon wenig zu erkennen. Brauchen AMD und Nvidia spezifische Optimierungen, damit Raytracing gut und flüssig funktioniert? Wahrscheinlich. Wollen wir also hoffen, dass zukünftige Spiele fair und sauber für beide GPU-Hersteller optimiert werden, denn einseitige Bevorteilungen helfen auf Dauer nicht weiter.

Quelle: PC Games Hardware Raytracing vs CPU - Die schicken Raytracing-Spiegelungen in Watch Dogs Legion benötigen viel Grafikkarten-Power, sind im CPU-Limit aber erfreulich effizient.

Raytracing vs CPU - Watch Dogs Legion

Ubisofts Hacker-Abenteuer ist ein sehr interessanter Raytracing-Titel, nachdem mehrere Patches diverse Unsauberkeiten und Fehldarstellungen behoben sowie obendrein den Raytracing-Support auch für RX-6000-Grafikkarten ergänzten. Watch Dogs Legion nutzt Raytracing für schicke Spiegelungen auf den nassen Straßen und Schaufenstern Londons. Bei dieser Form von Raytracing können die nötigen Berechnungen deutlich komplexer ausfallen, als beispielsweise bei Schatten. Natürlich wird auch für die Berechnung von Raytracing-Schatten eine Bounding Volume Hierarchy benötigt und eventuell müssen auch zusätzliche Elemente außerhalb des sichtbaren Bildbereichs zusätzlich berechnet werden, damit auch Objekte außerhalb des Bildes einen Schatten werfen können. Doch letzterer Umstand ist im Grunde schon bei klassischem Shadow-Mapping gegeben. Auch bei konventionellen Schatten können Objekte außerhalb des sichtbaren Bildausschnittes Schatten werfen.

Bei den Raytracing-Reflexionen werden indes zusätzliche Berechnungen benötigt, etwa um das Level-of-Detail innerhalb der Spiegelungen zu bestimmen. Zudem müssen beispielsweise Figuren und Objekte, die nicht im eigentlichen Bild, sondern nur in den Spiegelungen sichtbar sind, zusätzlich gezeichnet werden, was im Grunde zusätzliche Renderanweisungen nach sich ziehen sollte, deren Verwaltungsaufwand wiederum die CPU stemmen muss. Des Weiteren könnte es sein, dass einige Elemente zusätzliche Renderpasses benötigen, um etwa ein reflektierendes Material innerhalb der eigentlichen Spiegelung darzustellen oder diese zu verschatten. Bei den Schatten innerhalb der Spiegelungen trickst Watch Dogs Legion allerdings, denn diese werden teilweise durch Screen-Space-Effekte dargestellt, die, wenn überhaupt, nur sehr geringe Auswirkungen auf die Prozessorleistung haben. Dennoch: Die Spiegelungen sollten theoretisch verglichen mit Schatten einen deutlich höheren Rechenaufwand bedeuten.

Umso überraschender ist, dass die CPU-Performance nur verhältnismäßig wenig leidet, wenn im CPU-Limit Raytracing zugeschaltet wird. Dies ist erfreulich, denn Watch Dogs Legion ist ein sehr prozessorlastiges Spiel. Insbesondere mit voll zugeschalteten Zusatzdetails beziehungsweise drastisch erhöhtem Level-of-Detail rauschen die Bildraten in den Keller, der Ryzen 7 5800X (8C/16T) hat schon ohne Raytracing Probleme, 60 Fps stabil zu halten. Würde Raytracing die Prozessorlast nochmals drastisch erhöhen, so würden die meisten Nutzer beim Einsatz von Raytracing im Prozessorlimit kleben - zumindest wenn flüssige Bildraten angestrebt werden, indem beispielsweise DLSS oder die spielinterne Rekonstruktionstechnik genutzt wird.

Doch offensichtlich hat Ubisoft viel Optimierungsaufwand in die schicken Raytracing-Spiegelungen investiert, der Ryzen 7 5800X verliert im CPU-Limit mit der Geforce lediglich 10,9 Prozent, mit der Radeon 10,4 Prozent. Beim 16-Kerner Ryzen 9 5950X kostet das Zuschalten von Raytracing auf der RTX 3090 sogar nur 9,4 Prozent, mit der RX 6900 XT 10,7 Prozent. Dies wirkt angesichts der eingangs vermuteten Rechenlast gering, im Grunde reiht sich Watch Dogs Legion aber in einen Bereich ein, den wir nach unseren Tests als realistisch einstufen: Im CPU-Limit sollte beim Einsatz von Raytracing gemäß unseren Tests mit einem Performance-Verlust von rund 10 bis knapp 20 Prozent gerechnet werden.

Raytracing vs CPU - Fazit

Unsere Messungen zeigen es deutlich: Beim Einsatz von Raytracing spielt nicht nur die Grafikkarte, sondern auch die CPU eine Rolle - und sogar eine recht bedeutende, denn der Prozessor diktiert die maximal mögliche Leistung der GPU. Dies gilt auch beim Einsatz von DLSS oder vergleichbaren Technologien.

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Raytracing und die CPU - Was kostet Raytracing im Prozessorlimit? Raytracing stellt bekanntermaßen hohe Ansprüche an die Grafikkarte. Doch wie wirkt sich die Strahlverfolgung auf die Prozessorleistung aus? Zusätzliche Berechnungen, die auch Elemente außerhalb des sichtbaren Bildes miteinbeziehen und die für Raytracing benötigte Verwaltung und Strukturierung der Szene bedeuten schließlich auch einen zusätzlichen Verwaltungsaufwand für die CPU. Wie hoch fällt dieser aus?

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