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Gaming – Die Entwicklung von Grafikkarten

Cornelius Wolff, 21.04.2017

Während sich auf dem CPU-Markt in den letzten Jahren recht wenig getan hat, würden viele behaupten, dass sich dies bei den Grafikkarten vollkommen anders verhält. Was an solchen Aussagen dran ist und welche Gründe es für eine solche Entwicklung gibt, wird im folgenden Spezialartikel zu diesem Thema geklärt.

Nvidia-Roadmap für die Entwicklung bis 2018 (Quelle: Nvidia)
Nvidia-Roadmap für die Entwicklung bis 2018 (Quelle: Nvidia)

Sowohl Nvidia als auch AMD veröffentlichen nun schon seit einiger Zeit jedes Jahr ihre neuen Grafikkarten. So kamen zuletzt auf der Seite von Nvidia die Pascal-Architektur und auf Seiten AMDs die Polaris-Architektur heraus. Ob die Entwicklung der Grafikkarten der Entwicklung der Prozessoren ähnelt, oder ob es hier tatsächlich größere Fortschritte gibt, soll im folgenden Spezialartikel zum Thema geklärt werden.

Produkte und Bezeichnung

Platine einer Pascal-Grafikkarte
Platine einer Pascal-Grafikkarte
Eine EVGA Geforce GTX 1060
Eine EVGA Geforce GTX 1060

Bevor wir allerdings die Performance vergleichen, gibt es erst mal ein paar Informationen zu den verschiedenen Serien und deren Bezeichnungen. Auf Seiten Nvidias stehen die Nvidia-Geforce-GTX-Grafikkarten seit 9 Jahren für die Gaming-Grafikkarten des Konzerns. Die nachfolgende Nummer (z.B. Nvidia Geforce GTX 1080) setzt sich  in den ersten zwei Ziffern aus der Generation zusammen (z.B. GTX 10XX), während die letzten beiden Ziffern für das Modell innerhalb dieser Generation stehen. So haben Nvidia-Grafikkarten mit der Bezifferung XX50 das Einstiegssegment als Zielgruppe, während sich die Modelle mit den Bezeichnungen XX60/70 an den Durchschnittsgamer richten. Zu guter Letzt gibt es auf Seiten Nvidias noch die Modelle XX80(Ti)/Titan, bei denen es sich um die Flaggschiffmodelle der jeweiligen Generation handelt.

Bei AMD gab es in den letzten Jahren eine ganze Reihe von verschiedenen Bezeichnungen, auf die wir allerdings nicht alle eingehen werden. Hier beschränken wir uns nur auf die aktuelle Generation. Mit der Pascal-Architektur hat AMD letztes Jahr auch ein neues Nummernsystem für seine Grafikkarten eingeführt, welches sehr dem von Nvidia ähnelt. So zeigt auch hier die erste Ziffer an, um welche Generation es sich handelt, während die letzten 2 Ziffern für das Modell und die Zielgruppe innerhalb dieser Generation. So steht die AMD Radeon RX 460-Grafikkarte für das Einsteigersegment, während sich die AMD Radeon RX 470/80 an das Mittelklasse-Segment richtet. Im High-End-Markt bietet AMD (mit Ausnahme der veralteten Fury-Karten) zurzeit keine Grafikkarte an, die gleichwertig zu den Flaggschiffen von Nvidia ist. Hier bleibt abzuwarten, ob AMD diesen Markt in Zukunft wieder angreifen wird.

Bei älteren Modellen wurde noch zwischen Notebook- und Desktop-Grafikkarten unterschieden. Die Notebook-Modelle ließen sich an einem nachgestellten "M" am Modellnamen (z.B. Nvidia Geforce GTX 960M) erkennen.

Die AMD Radeon RX 480
Die AMD Radeon RX 480

Technische Neuerungen

Die Grafikkarten von Nvidia sind für ihre stromsparende Bauweise bekannt.
Die Grafikkarten von Nvidia sind für ihre stromsparende Bauweise bekannt.

Schaut man auf die Datenblätter, scheint sich in den letzten Jahren vieles getan zu haben. Während z. B. die Nvidia GTX 480 noch im 40-nm-Prozess hergestellt wurde, ist man heute mit Pascal schon bei 16 nm angekommen. Bei AMD sieht die Situation ähnlich aus. Auch hier werden die neusten Grafikkarten der Polaris-Architektur in 16 nm gefertigt. Davon versprechen sich die Hersteller eine Steigerung der Leistung, während der Stromverbrauch sinkt. So hat die Nvidia GTX 480 noch einen Stromverbrauch von 295 Watt, wohingegen sich die Nvidia Geforce GTX 1080 mit 180 Watt zufrieden gibt. Dies hat es ermöglicht, dass Nvidia mit der Pascal-Architektur zum ersten Mal modellübergreifend die technisch (fast) gleichen Grafikkarten für Desktop-PCs und Notebooks auf den Markt bringen konnte. Auch bei der Anzahl der Shadereinheiten scheint es Fortschritte gegeben zu haben. So hatte das Topmodell der Fermi-Architektur, die Nvidia Geforce GTX 480, nur 480 Shadereinheiten, im Vergleich zu 2.560 Einheiten auf Seiten der GTX 1080. Auch bei der Taktung der Grafikkarten hat sich einiges getan. So lag der Kerntakt der Nvidia GTX 480 noch bei 700 MHz, während man mit einer modernen GTX 1080 mit etwas Übertaktung sogar die 2-GHz-Marke knacken kann.

Benchmark-Vergleiche

Auch beim Grafikkarten-Design hat sich einiges getan (hier eine Asus GTX 580).
Auch beim Grafikkarten-Design hat sich einiges getan (hier eine Asus GTX 580).

Was die genannten Verbesserungen in der Praxis bringen, klären wir im Folgenden anhand von Benchmarks. Es werden immer die gleichen High-End-Modelle der verschiedenen Generationen miteinander verglichen. Aufgrund fehlender Benchmark-Ergebnisse und da es noch kein High-End-Modell der letzten Generation von AMD gibt, werden sich die Vergleiche nur auf Modelle von Nvidia beschränken. Allerdings ist die Entwicklung auf Seiten AMDs in den letzten Jahren der von Nvidia ähnlich.

Desktop-Grafikkarten

Asus Strix GTX 1080
Asus Strix GTX 1080

Bei den Desktop-Grafikkarten zeigt sich, dass Nvidia in den letzten Jahren sehr große Fortschritte bei der Performance gemacht hat. So konnte sich jede Generation mal mehr, mal weniger deutlich von der letzten absetzen. Ein extremes Beispiel ist die neuste Generation von Nvidia, welche hier von der Nvidia GTX 1080 vertreten wird. Diese kann sich um gut 80 Prozent von der Vorgängergeneration Maxwell absetzen. Auch davor gab es eigentlich immer nennenswerte Fortschritte. So konnte sich die Nvidia GTX 680, die auf der Kepler-Architektur basiert, um fast 70 Prozent von ihrer Vorgängerin Nvidia GTX 580 absetzen.

3DMark 11 - 1280x720 Performance GPU
NVIDIA GeForce GTX 1080 (Desktop)
MSI Gaming X GeForce GTX 1080 Desktop PC
32126 Points ∼100%
NVIDIA GeForce GTX 980
Zotac ZBOX Magnus EN980-U
17811 Points ∼55%
NVIDIA GeForce GTX 780 Ti
Desktop-PC
15619 Points ∼49%
NVIDIA GeForce GTX 680
Desktop PC
10572 Points ∼33%
NVIDIA GeForce GTX 580
Desktop 2600K GTX 580
6306 Points ∼20%
NVIDIA GeForce GTX 480
no name
5014 Points ∼16%

Notebook-Grafikkarten

Auch beim Äußeren hat sich viel getan (hier ein XMG P507).
Auch beim Äußeren hat sich viel getan (hier ein XMG P507).

Wenn man sich die Benchmarks zu den Notebook-Modellen anschaut, zeigt sich ein ähnliches Bild. Auch hier konnten in den letzten Jahren große Fortschritte erreicht werden. Zuletzt konnte Nvidia mit der Pascal-Architektur die Effizienz seiner Grafikkarten so weit steigern, dass eine Vereinheitlichung von Notebook- und Desktop-Grafikkarten möglich wurde. Aus diesem Grund hinkt hier der Vergleich von 1070 und 970M ein wenig, denn wenn man die TDP betrachtet, ist die Nvidia Geforce GTX 1060 der eigentliche Nachfolger der 970M. Durch die Vereinheitlichung konnte die Lücke zwischen Desktop- und Notebook-Modellen geschlossen werden, wovon gerade Notebook-Spieler profitieren.

3DMark 11 - 1280x720 Performance GPU
NVIDIA GeForce GTX 1070 (Laptop)
Asus Strix GL702VSK
22825 Points ∼100%
NVIDIA GeForce GTX 1060 (Laptop)
Schenker XMG P507
14222 Points ∼62%
NVIDIA GeForce GTX 970M
Asus Strix GL502VT-DS74
9824 Points ∼43%
NVIDIA GeForce GTX 870M
Clevo P150SM-A
7218 Points ∼32%
NVIDIA GeForce GTX 770M
MSI GT70 2OC-065US
4839 Points ∼21%
NVIDIA GeForce GTX 670MX
Asus G75VX-T4020H
3567 Points ∼16%
NVIDIA GeForce GTX 570M
Schenker XMG P511
2406 Points ∼11%
NVIDIA GeForce GTX 470M
Schenker XMG U700 ULTRA (GTX 470M)
2035 Points ∼9%

Gründe für diese Entwicklung

Bei den Prozessoren gab es deutlich geringere Fortschritte.
Bei den Prozessoren gab es deutlich geringere Fortschritte.

Aber woher kommt diese rasante Entwicklung der Grafikkartentechnologie, während sich bei den Prozessoren bis zuletzt kaum etwas verändert hat (nachzulesen in unserem Spezialartikel zu dem Thema)? Dies lässt sich zum einen auf die Konkurrenz von AMD und Nvidia in dem Segment zurückführen, welche dazu führt, dass es einen permanenten Entwicklungswettbewerb um die bessere Grafikkartentechnologie gibt. Ein Resultat dieses Wettbewerbs sehen Sie oben in den Benchmarkergebnissen. Zum anderen muss erwähnt werden, dass sich GPUs auch deswegen schneller weiterentwickeln lassen, weil sie stärker von Parallelisierung profitieren als CPUs. Desweiteren liegt die schnelle Weiterentwicklung auch am Bedarf der Spieler und Spiele-Entwickler, welche nach grafisch immer aufwändigeren Spielen gieren. All dies resultiert darin, dass Performance-Sprünge von 50 Prozent von Generation zu Generation schon fast Normalität sind.

Im Prozessor-Segment sieht die Situation anders aus. Hier hatte Intel in den letzten fünf Jahren fast eine Monopolstellung, was unter anderem dazu führte, dass sich weder Leistung noch Preisstruktur über die Zeit großartig änderten. Es bleibt zu hoffen, dass AMD mit dem Release der Ryzen-Prozessoren endlich wieder ein bisschen mehr Bewegung in diesen Markt bringen kann.

Eine ähnliche Entwicklung hat es übrigens auch bei Smartphone-Grafikkarten gegeben. So zeigen die Benchmarks, dass sich die Mali-T880 MP12 des Samsung Galaxy S7 um gut 131 Prozent von der Qualcomm Adreno 330 des Samsung Galaxy S5 aus dem Jahr 2014 absetzen kann.

GFXBench 3.0 - on screen Manhattan Onscreen OGL
ARM Mali-T880 MP12
Samsung Galaxy S7
27 fps ∼100%
ARM Mali-T760 MP8
Samsung Galaxy S6
16 fps ∼59%
Qualcomm Adreno 330
Samsung Galaxy S5
11.7 fps ∼43%
Polaris ist die aktuelle Grafikkarten-Architektur von AMD
Polaris ist die aktuelle Grafikkarten-Architektur von AMD

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Technologie im Bereich der Grafikkarten in den letzten Jahren in jeder Hinsicht sehr schnell entwickelt hat. So konnte der Verbrauch der Grafikkarten deutlich gesenkt werden, während die Leistung konstant weiter steigt- und das ganz im Gegensatz zum Prozessor-Segment, in welchem sich in den letzten Jahren kaum was getan hat. Dies liegt zum einen an der starken Konkurrenz der beiden Grafikkarten-Marktführer. Zum anderen sind die großen Fortschritte allerdings auch architekturbedingt und durch die große Nachfrage zu erklären. Das hat für den Endkunden sowohl negative als auch positive Auswirkungen. So ermöglicht der Fortschritt eine immer besser werdende Grafikqualität in Spielen und anderen 3D-Anwendungen. Allerdings bedeutet dies auch, dass die Technik extrem schnell altert. So stößt man mit einer Einsteigergrafikkarte aus dem Jahr 2014 bei aktuellen Titeln schon deutlich an Grenzen, während man aktuelle Toptitel noch problemlos mit Prozessoren spielen kann, die noch etwas älter sind. Somit kann die Frage, ob diese Entwicklung positiv oder negativ zu bewerten ist, nicht abschließend geklärt werden.

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Autor: Cornelius Wolff, 21.04.2017 (Update: 10.05.2017)