NVIDIA RTX und Microsoft DXR

Ray Tracing in Echtzeit wird Realität (Update)

Seit Jahren haben Hard- und Softwareentwickler den heiligen Gral das 3D-Renderings ins Auge gefasst: Das Ray Tracing in Echtzeit. Bisher reichte die Rechenleistung dazu aber noch nicht aus. Selbst im professionellen Segment mit gleich mehreren Workstation-Karten für mehrere Tausend Euro ist ein Echtzeit-Rendering noch nicht möglich.

Im vergangenen Jahr verkündete NVIDIA eine Ausweitung der OptiX-Technologie. Diese soll das Ray Tracing auf den notwendigen Bereich einschränkt, während andere ausgespart werden. Dies soll Hardware-Ressourcen einsparen. Dazu wird ein Deep-Learning-Algorithmus für das Entfernen des Rauschens verwendet werden. Die Berechnung von mehreren tausend oder sogar Millionen Light Rays benötigt auch auf moderner Hardware seine Zeit. Die noch ausstehenden Bereiche der Berechnung werden durch ein Rauschen dargestellt. Da der Renderer aber nicht weiß, welche Objekte einer Szene am wichtigsten sind, berechnet er die Rays einfach in einer für ihn logischen Reihenfolge. Um die Wartezeit auf das fertige Bild zu reduzieren und das Rauschen schneller entfernen zu können, errechnen Deep-Learning-Algorithmen die wichtigen Bereiche des Bildes und berechnen diese schneller.

Dennoch kann die Berechnung aller Trays von mehreren Sekunden bis zu mehreren Stunden für ein Frame dauern. Immerhin sprechen wir hier von mehreren Milliarden Rays pro Frame und bis zu mehreren Millionen Rays pro Pixel. Von Echtzeit kann also noch nicht die Rede sein. Beim Rendering von Animationsfilmen sind Rechendauern von mehreren Stunden pro Frame keine Seltenheit. Aufgrund dieser Dauer ist die Filmindustrie an alternativen Ansätzen interessiert.

NVIDIA RTX und Microsft DXR

Auf der Games Developer Conference kündigen NVIDIA, Microsoft und weitere Partner nun eine Umsetzung an, welche ein Echtzeit-Ray-Tracing in Spielen ermöglichen soll.

NVIDIA zeigt dazu die RTX getauchte Technologie, bzw. Softwareschnittstelle, die auf Basis der Volta-Architektur arbeitet. Diese wiederum ermöglicht das Ausführen einer neuen Grafik-API namens DXR, bzw. DirectXR. Diese wiederum stellt eine entsprechende Schnittstelle für Engines und Tools zur Verfügung. Neben NVIDIA und Microsoft sind an der aktuellen Entwicklung die Macher der Unreal Engine, Unity, Frostbite und Allegorithmic beteiligt. Allesamt werden diese auf der GDC ihre Umsetzungen präsentieren. Auf Seiten der Spieleentwickler beteiligt sind EA, Remedy und 4A Games.

NVIDIA schließt an DXR einige GameWorks-Bibliotheken an. Diese sollen unter anderem eine verbesserte Berechnung von Schatten, allgemeiner Beleuchtung und Reflektionen ermöglichen. Die entsprechenden GameWorks-Bibliotheken sollen per Early-Access ab sofort angeboten werden. Eine breitere Verfügbarkeit für alle Entwickler soll später sichergestellt werden.

RTX exklusiv auf Volta - DXR per Direct Compute

NVIDIAs RTX-Technologie basiert wie gesagt auf der Volta-Architektur und ist eine Kombination aus Hard- und Software. RTX wird auf früheren Architekturen nicht funktionieren. Einzig die NVIDIA Titan V ist derzeit in der Lage dies auszuführen. NVIDIA will zum aktuellen Zeitpunkt aber nicht kommentieren, welche zukünftigen Architekturen respektive Grafikkarten dies unterstützen werden. Nach aktuellem Stand könnte NVIDIA eine neue Compute-Architektur namens Ampere zur GPU Technologies Conference Ende März vorstellen, während die Consumer-Variante Turing erst im dritten Quartal auf den Markt kommen soll.

Was die Einschränkung mit Blick auf die Volta-Architektur betrifft, wollte NVIDIA nicht näher erläutern. Allem Anschein nach aber ist Fixed-Function-Hardware in der Volta-Architektur dafür verantwortlich. Unter anderem sind die dort verwendeten Tensor Cores in der Lage das Ray Tracing zu beschleunigen. Das oben beschriebene Denoising per Deep Learning wird bereits auf den Tensor Cores ausgeführt.

Die RTX-Technologie ist im Grunde aber nur eine Entwickler-Schnittstelle. Per Direct Compute und Microsofts DXR soll eine Echtzeit-Berechnung von Ray Tracing aber auch auf anderen GPUs ausführbar sein. Dies beschränkt sich dann nicht mehr auf die Titan V von NVIDIA, sondern auch auf Grafikkarten mit AMD-GPU wäre dies möglich.

Auf der GDC werden zahlreiche Entwickler Echtzeit-Demos zeigen. Noch in diesem Jahr sollen erste Spiele erscheinen, die RTX respektive DXR verwenden werden.

1. Update:

Im Vorfeld der GDC wurden nun weitere Informationen öffentlich gemacht. So präsentiert Microsoft in einem ausführlichen Blogpost alle Details zur Erweiterung der API. Electronic Arts gibt per YouTube-Video einen Ausblick auf das Projekt PICA PICA auf Basis von Seeds Halcyon getaufter Engine, in der ein Echtzeit-Ray-Tracing zum Einsatz kommt.

AMD lässt zum Thema DXR verlauten:

"AMD arbeitet zusammen mit Microsoft daran, die Zukunft von DirectX12 und Raytracing zu bestimmen, zu verbessern und mitzugestalten. AMD bleibt Technologieführer der neuen Programmier-Modelle und Application Programming Interface (API) Innovationen auf der Grundlage einer zukunftsorientierten und grundlegenden System-Level-Kompetenz für die Grafik-Programmierung. Wir freuen uns darauf, mit Spielentwicklern Ihre Ideen und Ihr Feedback zur PC-basierten Raytracing-Technologie für Bildqualität, Effekte und Performance zu diskutieren."

Auf der GDC werden noch zahlreiche weitere Entwickler über NVIDIAs RTX und Microsofts DXR sprechen. Außerdem werden weitere Technikdemos erwartet.

2. Update:

Inzwischen hat auch AMD die Unterstützung für ein Echtzeit-Ray-Tracing angekündigt. Anders als NVIDIA wird man allerdings offenbar keine Hardwarebeschleunigung anbieten (zumindest zum jetzigen Zeitpunkt), stattdessen sollen der ProRenderer und Radeon GPU Profiler 1.2 auf Seiten der Software dahingehend angepasst werden. Damit konzentriert sich AMD auch eher auf die Entwickler entsprechender Inhalte, für Spieler wird dies bis Ende des Jahres ohnehin keine Rolle mehr spielen.