Hard- und Software

NVIDIA richtet sich vollständig auf das Ray Tracing in Echtzeit aus

Spätestens mit der Ankündigung von NVIDIAs RTX-Schnittstelle und der Kompatibilität zu Microsofts DXR-API für Ray Tracing ist klar, wohin die Reise mit der nächsten GeForce-Generation gehen wird. NVIDIA verspricht den Spielern den Heiligen Gral der 3D-Darstellung – eine mittels Ray Tracing unterstützte Darstellung von 3D-Objekten.

Mit den Workstation-Karten der Quadro-RTX-Serie sowie den darin enthaltenen Anpassungen der Architektur hat NVIDIA die Weichen nun auch in Sachen Hardware gestellt. NVIDIA fächert seine Architektur damit noch weiter auf, als dies ohnehin schon der Fall ist. Die GPU als Graphics Processing Unit wird mehr und mehr zu einer spezialisierten Hardware, die auf Hardwarebeschleunigung zurückgreift.

Turing ist auf ein Echtzeit-Ray-Tracing ausgelegt

Das Hardware-Design von Turing und auch der nächsten GeForce-Generation ist dreigeteilt aufgebaut. Es gibt die klassischen Shadereinheiten, die als Turing SM ein überarbeitetes Shader-Cluster erhalten. Einige Änderungen kennen wir bereits von der Volta-Architektur. Dazu gehören unter anderem der L1-Cache als Shared Memory mit doppelter Bandbreite sowie der größere L2-Cache.

Zweite Komponente sind die ebenfalls von der Volta-Architektur bekannten Tensor Cores. Diese spielen für das Ray Tracing ebenfalls eine Rolle, denn die Inferencing-Leistung der Tensor Cores kann über einen Deep-Learning-Algorithmus für das Entfernen des Rauschens verwendet werden. Die Berechnung von mehreren tausend oder sogar Millionen Light Rays benötigt selbst 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.

Die dritte Komponente sind die neuen RT Cores. Diese können sowohl sogenannte Ray-Triangle Intersection, als auch eine Bounding Volume Hierarchy (BVH) berechnen. Die BVH besteht aus einer Baumstruktur, in der die geometrischen Objekte eingeordnet werden. Anhand diesen Zuordnungen kann eine Kollisionserkennung bzw. ein Ray Tracing stattfinden. Bis zu 10 Gigarays pro Sekunde sollen die 576 RT Cores der Turing-Architektur berechnen können.

Natürlich ist die Turing-Architektur weit mehr, als nur eine Ray-Tracing-Hardwarebeschleunigung. NVIDIA investierte aber viel Geld und Know-How in zwei der drei Komponenten von Turing. Ray Tracing und Turing sind also fest aneinander gekoppelt und integrale Bestandteile der kommenden GeForce-Generation.

Volta war nur ein erster Schritt

Die Volta-Architektur war nur ein erster Schritt in diese Richtung. Die Tensor Cores konnten beim Denoising Hilfestellung leisten, doch letztendlich ist das Denoising nur ein "Ausblenden" der fehlenden Rechenleistung für das Ray Tracing. Mit der Turing-Architektur sieht dies anders aus. Die RT Cores sollen die Rechenleistung in die GPU bringen, die in Volta noch fehlte.

Die Turing SMs bieten bei insgesamt 4.608 Shadereinheiten und den 16 TFLOPS (FP32) ein verhältnismäßig geringes Leistungsplus gegenüber den 15 oder 11,3 TFLOPS der großen Volta- (5.120 Shader / Titan V) und Pascal-GPUs (3.584 / GeForce GTX 1080 Ti). Auch hier hat es sicherlich Verbesserungen gegeben, das große Leistungsplus wird Turing aber über die Tensor und RT Cores beziehen. Die RT Cores steuern die besagten 10 Gigarays pro Sekunde bei, die Tensor Cores je nach Komplexität der Berechnung 500 TOPS (INT4), 250 TOPS (INT8) und 125 TFLOPS (FP16).

Die Angst für einem GameWorks-Ray-Tracing und Benachteiligung anderer Hersteller

NVIDIA hat die notwendige Marktmacht, um solche Neuentwicklungen im Spielesektor durchzufechten. An einem Echtzeit-Ray-Tracing ist aber sicherlich nicht nur NVIDIA interessiert. Nahezu alle Middlewar-Hersteller haben dies auf ihrer Agenda. Außerdem gilt dies für die Engine-Entwickler. Die Fürsprecher reichen hier von den klassischen Engine-Entwicklern wie Epic Games, Otoy, EA SEED und DICE bis hin zu den Filmeffekt-Spezialisten wie Pixar Renderman und vielen mehr.

Um das notwendige Software-Ökosystem von der Middlewar bis zum finalen Produkt aufzubauen, stellte NVIDIA im Frühjahr die bereits angesprochene RTX-Technologie vor. NVIDIA RTX 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.

NVIDIAs RTX ist im Grunde nur eine Entwickler-Schnittstelle – besser gesagt eine Kombination aus angepasster Hardware zur Beschleunigung der notwendigen Berechnungen. Neben der Titan V unterstützen diese bereits alle Karten auf Basis der Volta-Architektur in Teilen. Dazu aber gleich noch etwas mehr. Per Direct Compute und Microsofts DXR soll eine Echtzeit-Berechnung von Ray Tracing aber auch auf anderen GPUs ausführbar sein. DXR bzw. DirectXR kann auch von AMD-GPUs per Direct Compute angesprochen werden. Wie es ohne die Hardwarebeschleunigung durch die Tensor und RT Cores um die Leistung bestellt ist, steht dann allerdings auf einem anderen Blatt.

In wie weit werden andere Hersteller aber benachteiligt?

Diese Frage lässt sich derzeit noch nicht beantworten. NVIDIA schließt an DXR einige GameWorks-Bibliotheken an. Diese sollen unter anderem eine verbesserte Berechnung von Schatten, allgemeiner Beleuchtung und Reflektionen ermöglichen. Natürlich wird NVIDIA diese GameWorks-Effekte auf die eigene Hardware hin optimieren.

AMD äußerte sich bereits zum Thema DXR:

"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."

Reicht die Rechenleistung wirklich aus?

Zur Games Developer Conference zeigte NVIDIA eine Echtzeit Ray-Tracing-Demo im Star-Wars-Universum. Die optisch beeindruckende Demo wurde auf einer NVIDIA DGX-1 mit vier Volta-GPUs ausgeführt. Wie hoch die FPS hier sind, lässt sich kaum abschätzen. Anhand der Livedemos kann man aber davon ausgehen, dass zwischen 50 und 60 FPS als Minimum dargestellt wurden. Auf einer einzelnen Titan V soll die Demo hingegen nicht ruckelfrei lauffähig sein.

Auf einer der neuen Quadro RTX 8000 soll die "Reflections"-Demo mit 24 FPS gelaufen sein. Grund dafür sollen aber die 24 Vollbilder pro Sekunde bei Kinofilmen gewesen sein. Dieser Optik wollte man sich annähern. Doch dies ermöglicht noch längst keine Einschätzung der Leistung der nächsten GeForce-Generation, zeigt aber, dass eine derart aufwändige Darstellung noch nicht auf einer einzelnen Karte möglich sein wird. Zudem sprechen wir bei der Quadro RTX 8000 von einer 10.000-US-Dollar-Karte, die auch mit Einsparungen beim Speicher wohl kaum unter 1.000 Euro als GeForce-Ableger zu haben sein wird.

Im Rahmen der SIGGRPAH haben einige weitere Partner ihre Demos zu RTX auf Basis der neuen Quadro-RTX-Karten gezeigt. Teilweise sind diese sehr beeindruckend, wurden teilweise auch auf der kleineren Quadro RTX 6000 ausgeführt – nicht immer aber kann die Grafik überzeugen.

Wir sehen hier also noch längst nicht das, was uns in den ersten finalen Spielen erwarten wird. Zur Gamescom soll es aber bereits erste konkrete Ankündigungen geben. Vielleicht kann NVIDIA dann auch ein konkreteres Beispiel für ein Echtzeit-Ray-Tracing in Spielen bringen und besser verdeutlichen, wohin der Weg mit der GeForce RTX 2080 gehen wird.

Die kommenden Woche werden wir wohl noch abwarten müssen. Den Weg, den NVIDIA eingeschlagen hat, wird man ab nun verfolgen und anderen Herstellern bleibt wohl nur, ebenfalls darauf aufzuspringen. Wie weit die Änderungen in die Spieleentwicklung hineinreichen werden, wird sich noch zeigen müssen.