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Preview: NVIDIA GeForce 7800 GTX (G70) - 1/12
22.06.2005 by doelf
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Mit der GeForce 7800 GTX GPU präsentiert NVIDIA heute den derzeit leistungsfähigsten Grafikprozessor der Welt. Wir haben umfangreiches Material zu dieser Produktvorstellung erhalten und möchten dieses im Folgenden durchleuchten. Die Messdaten und Benchmarks, die wir für diese Preview nutzen, stammen von NVIDIA. Wir hatten leider noch nicht die Gelegenheit, eine GeForce 7800 GTX live zu testen.

Durch ein komplettes Redesign will man mit der neuen Generation den Vorgänger GeForce 6800 Ultra in Bezug auf die reine 3D-Leistung deutlich hinter sich lassen. NVIDIA spricht von der doppelten Geschwindigkeit der GeForce 7800 GTX GPU, somit erreichen auch zwei GeForce 6800 Ultra basierende Grafikkarten im SLI-Betrieb nicht die Leistung einer einzelnen GeForce 7800 GTX! Natürlich verfügen auch Grafikkarten mit GeForce 7800 GTX Grafikchip über einen SLI-Finger und lassen sich somit zu einem Verbund zusammenschließen.

Auch Video-Enthusiasten soll etwas geboten werden, denn die "PureVideo" Hardware- und Software Technologie der GeForce 7800 GTX soll nicht nur High Definition Videos in vorzüglicher Qualität auf großformatige Displays zaubern, sondern auch bei der Wiedergabe von herkömmlichen Video-Daten - z.B. DVDs - neue Maßstäbe setzen. Hoffen wir nur, daß auch die akustische Untermahlung in Form von Lüftergeräuschen Heimkino-tauglich bleibt! NVIDIA setzt bei der Referenzkarte auf einen Radiallüfter und einen mehrteiligen Kühlkörper mit Lamellen aus Kupfer (für die GPU) und Aluminium (für den Speicher). Oberhalb der Speicherchips sehen wir zumindest eine Heatpipe.

Die GeForce 7800 GTX GPU unterstützt das Microsoft DirectX 9.0 Shader Model 3.0 (Microsoft DirectX9.0c) sowie Longhorns Windows Graphics Foundation (WGF) 1.0 und das Longhorn Display Driver Model (LDDM). Der neue ForceWare Release 75 Grafiktreiber bietet die Grundlage für den Einsatz von Grafikkarten mit einem GeForce 7800 GTX Grafikprozessor.

Die Eckdaten der GeForce 7800 GTX GPU

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Vergleichen wir die GeForce 7800 GTX mit der GeForce 6800 Ultra GPU, so sehen wir eine Steigerung des Chiptaktes um 30 MHz (+7,5%), der Speichertakt wurde um 50 MHz (+9,1%) angehoben. Die Speicheranbindung ist wie beim Vorgänger 256 Bit breit und es wird weiterhin GDDR3-Speicher verwendet. Die Bandbreite der Grafikkarte stiegt folglich von 35,2 auf 38,4 GB/sec, also ebenfalls um 9,1%. Alleine aufgrund gesteigerter Taktraten konnte NVIDIA den Performancegewinn also nicht realisieren.

Einen wesentlich größeren Einfluß auf die Leistung dürfte da der Zuwachs an Pixel-Pipelines von 16 auf 24 (+50%), sowie der Ausbau der Vertex Einheiten von 6 auf 8 (+33,3%) haben. NVIDIA betont allerdings, daß vor allem das Redesign vieler Details zu einem effektivieren Ausnutzen der Resourcen geführt hat. So wurden die internen Pipelines für kürzere Latenzen und höheren Durchsatz pro Takt optimiert. Auch die komplette Überarbeitung der Vertex Einheiten und der Textur Engine sollen die Leistungsfähigkeit des Chips erheblich verbessert haben.

NVIDIA will also vom Image der "Brute Force"-Architektur, die durch immer höhere Taktraten und immer weiter steigenden Stromverbrauch ihre Performancegewinne erzielt, weg. Man möchte die GeForce 7800 GTX als effiziente GPU verstanden wissen. Allerdings ist der Stromverbrauch bei einem solchen Hochleistungschip auch weiterhin sehr hoch, NVIDIA selbst gibt 100 bis 110 Watt an. In einem SLI-System sollte man somit schon einmal 220 Watt alleine für die Grafikkarten veranschlagen! Daraus resultieren dann auch die Netzteilanforderungen, welche NVIDIA in den Datenblättern nennt:

Nur bedingt "optimiert" erscheint uns das Layout der Referenzkarte, die noch einmal länger als ihr Vorgänger mit der GeForce 6800 Ultra GPU ist.

Doch die Performance ist nur die eine Seite, wie steht es um die Qualität? Mit den neue Antialiasing Modi "Transparency Adaptive Supersampling" und "Transparency Adaptive Multisampling" geht NVIDIA die Problemzone der schmalen Objekte wie z.B. Grashalme, Zweige oder Maschendraht an, die bisher von der Kantenglättung ignoriert wurden. Mit der V8U8-Kompression können normale Maps auf die halbe Größe zusammengepackt werden, zumdem unterstützt die GeForce 7800 GTX GPU auch die 3DC-Kompressionsmethode.

Durch 64-Bit (16-bit per component) High Dynamic-Range (HDR) Rendering verspicht NVIDIA einen höheren Kontrast, der dennoch klare Abstufungen und eine hohe Detailtreue bei den Mittelwerten zuläßt. Die Umstellung von 32-Bit (8-bit per component) RGBA auf HDR Rendering soll laut NVIDIA für die Hersteller sehr einfach zu bewerkstelligen sein und zudem neue Effekte ermöglichen.

Aber auch als Co-Prozessor kann eine leistungsfähige GPU Verwendung finden. So hat es sich GPGPU.org zum Ziel gesetzt, die Rechenleistung moderner Grafikchips auch für spezielle Anwendungen nutzbar zu machen. Im Gegensatz zu einer CPU ist ein Grafikprozessor wesentlich spezialisierter, kann dadurch bestimmte Aufgaben jedoch auch viel schneller bewältigen. So erzielt eine Pentium 4 CPU mit 3 GHz bei bestimmten Rechenoperationen eine Leistung von 12 GFLOP/sec, während NVIDIAs 7800 GTX es auf erstaunliche 165 GFLOPs/sec bringt. Zudem werden aktuelle GPUs durch ihre wachsende Programmierbarkeit auch flexibler und somit für den Einsatz als Co-Prozessor besser nutzbar. Auch wenn wir es hier noch weitgehend mit Zukunftsmusik zu tun haben, könnte sich diese Technik z.B. bei der Videobearbeitung oder wissenschaftlichen Simulationen schnell durchsetzen.

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CineFX 4.0
NVIDIAs GeForce 7800 GTX GPUs beinhalten eine CineFX Engine der vierten Generation. Ziel der Entwicklungsbemühungen war es, eine optimale Bildqualität mit hoher Geschwindigkeit zu vereinen. So sollen durch CineFX 4.0 noch komplexere Shader Effekte mit bestmöglicher Qualität möglich werden. In der technischen Beschreibung erklärt NVIDIA, folgende Verbesserungen vorgenommen zu haben:

Wie mit jeder neuen Generation von Grafikchips steigt auch mit der Einführung der G70 GPU die Leistungsfähigkeit und damit die Genauigkeit der 3D-Abbildungen. Während ältere Spiele und Anwendungen bei höheren Qualitätseinstellungen eine bessere Framerate erzielen, werden in kommenden Titeln noch aufwendigere Grafiken und somit eine noch höhere Realitätsnähe möglich. Allerdings muß auch gesagt werden, daß der Markt für solche Hochleistungs-GPUs recht klein ist und sich die Mehrzahl der Spieleschmieden an den Möglichkeiten des Massenmarktes orientieren. Somit wird man auch die nächsten 18 Monate mit einer ATi Radeon 9800Pro, ATi Radeon X700Pro, NVIDIA GeForce FX5900 oder NVIDIA GeForce 6600 noch gut überleben können.

Betrachten wir nun die Verbesserungen im Detail. Dabei ist es notwendig, zumindest ein wenig auf die technischen und mathematischen Hintergründe einer 3D-Berechnung einzugehen. Wir benutzen für die Illustration dieser Funktionen wiederum Bildmaterial, welches uns von NVIDIA zur Verfügung gestellt wurde.

Der Vertex Shader
NVIDIA bezeichnet den Vertex Shader als "A Backbone of 3D Graphics", also ein Rückgrat der 3D-Grafik. Bei der GeForce 7800 GPU arbeiten acht Vertex-Shader parallel. Bricht man eine 3D-Grafik in ihre Bestandteile auf, so bleiben winzige Dreiecke übrig. Diese Dreiecke, deren Eckpunkte (Vertex) in allen drei Raumachsen definiert sind, spannen eine Fläche auf, die durch verschiedene Eigenschaften beschrieben werden kann.

Im ersten Schritt der Vertex-Berechnung, muß man die absolute Position der einzelnen Punkte im dreidimensionalen Raum festlegen und diese in Bezug auf den Blickwinkel der Kamera - dem Auge des Betrachters -, sowie der Lichtquellen analysieren.

Die Triangle-Setup-Unit faßt anschließend je drei Punkte zu einem Dreieck zusammen. Dieses Dreieck wird nun gerastert, d.h. seine einzelnen Fragmente, die sich weitgehend mit den Bildpunkten, welche später am Bildschirm sichtbar werden, decken, werden anhand eines Rasters abgearbeitet und für jeden dieser Bildpunkte bzw. Fragmente wird ein Helligkeitswert ermittelt.

Ein optimierter Vertex Shader wird also besonders die Aufgaben beschleunigen, welche mit der Berechnung von Schatten verbunden sind.

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UltraShadow II
Für die realistische Darstellung von 3D-Szenen sind Schatten extrem wichtig. Um eine Szene mit natürlicher Licht- und Schattenwirkung zu versehen, muß die Wirkung jeder einzelnen Lichtquelle auf jedes dargestellte Objekt untersucht werden. Daraus resultiert ein sehr hoher Rechenaufwand. Eine simple aber effektive Methode, um diesen Rechenaufwand zu minimieren, ist eine Beschräkung der Berechnung der Lichteffekte auf vom Programmierer festgelegte Bereiche, die sogenannten "depth bounds":

Die Bereiche, welche die Lichtquelle nicht erreichen kann, werden schlicht und einfach nicht mitberechnet und die dort befindlichen Objekte für diese Lichtquelle ausgespart. Folgende Szene aus Doom III soll die Arbeitsweise verdeutlichen:

Das folgende Bild hebt nun die Kanten hervor, die bei einer normalen Schattenberechnung berücksichtigt würden:

NVIDIAs UltraShadow II Technologie, die es sowohl bei Grafikkarten mit GeForce 6 GPU als auch bei der neuen GeForce 7800 GTX gibt, kann deren Zahl deutlich reduzieren, wie diese Grafik zeigt:

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Der Pixel Shader
Nachdem der Vertex Shader unsere 3D-Abbildung in Dreiecke zerlegt hat und diesen aufgrund der Kameraposition und der Lage der Lichtquellen Helligkeitswerte zugewiesen hat, kommt der Pixel Shader an die Reihe. Dieser muß die Materialität der abzubildenden Gegenstände in Bildinformationen umwandeln. Dabei sind u.A. die Lichtbrechung, Reflexion oder die Oberflächenstruktur zu berücksichtigen. Es handelt sich also um sehr komplexe und aufwendige Rechenaufgaben, die bei hochwertigen 3D-Modellen als Flaschenhals angesehen werden können. Ein möglichst effektiver Pixel Shader ist für die Entwickler der Grafikchips somit ein Primärziel.

MADD (Multiply and accumulate) Berechnungen gehören zu den am häufigsten genutzen mathematischen Operationen bei der Berechnung von 3D-Grafiken. NVIDIA gibt an, diese Fließkommaberechnungen doppelt so schnell ausführen zu können, wie bei der Vorgängergeneration, also der GeForce 6800 Ultra. Als Beispiel für MADD Operationen kann man das Relief Mapping heranführen.

Die Relief Map enthält hierbei Erhebungsdaten (elevation data), so daß statt einer glatten Fläche eine Struktur mit Erhebungen und Senken erzeugt wird:

Das eigentliche Modell ist hinbei "glatt", die Struktur wird aus der Textur des Materials (Base Texture), der Relief Map und den Lichtquellen der Szene errechnet.

Texture Engine
Die überarbeitete Texturverarbeitungseinheit ermöglicht einen schnelleren Zugriff auf die Texturen, zudem haben Entwickler nun Zugriff auf eine Vielzahl von Texel-Mustergrößen. Gerade bei der Verwendung von sehr detaillierten Texturen, etwa beim High Dynamic-Range (HDR) Rendering, sollen sich hierdurch Vorteile ergeben.

Glanzlichter und dunkle Stellen zeigen sich kontraststark, ohne daß die Mittelwerte der Farbskala darunter leiden müssen. Auch der mittlere Farbraum ist klar abgestuft und zeigt deutlich erkennbare Details.

Weiterhin soll die anisotrophe Filterung vom verbesserten Cache-Design der Texturverarbeitungseinheit profitieren.

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Neue Antialiasing Modi
Mit "Transparency Adaptive Supersampling" und "Transparency Adaptive Multisampling" bringt uns die GeForce 7800 GPU gleich zwei neue Antialiasing Modi.

Transparency Adaptive Supersampling und Multisampling nutzen zusätzliche Angaben für weitere Antialiasing Durchläufe, um die Darstelleungsqualität besonders dünner Objekte, wie z.B. Maschendrahtzäune oder Grashalme, zu optimieren. Solche Objekte werden zumeist durch sehr einfache Polygone definiert. Da sich die Kanten derart schmaler Objekte bereits innerhalb der projezierten Textur befinden, greifen konventionelle Kantenglättungsfilter hier nicht:

Um dieses Problem zu lösen, setzt NVIDIA einen Schlüsselwert in den Alphakanal der Textur. Flächen, welche diesen Schlüsselwert gesetzt haben, können in die Kantenglättung miteinbezogen werden, obwohl sie sich nicht auf der Kante des Dreiecks befinden. Das Ergebnis sind natürlichere Kanten und ein stimmigerer Gesamteindruck des Bildes. Und da "Transparency Adaptive Supersampling" nur dort eingesetzt wird, wo es wirklich Sinn macht, hält sich der Performanceverlust - laut NVIDIA - ebenfalls in Grenzen.

Das "Transparency Adaptive Multisampling" kostet weniger Performance als das Supersampling, da hier ein Texel-Sample verwendet wird, um auch die umgebenden Subpixel zu berechnen. Diese Variante erzielt somit nicht ganz die Qualität des Supersampling, spart sich aber einiges an Rechenzeit.

Longhorn
Bleibt noch zu erwähnen, daß NVIDIAs CineFX 4.0 auch Microsofts Windows "Longhorn" unterstützt, und wir somit in Zukunft Vorteile bei der Videonachbearbeitung oder der gleichzeitigen Ausführung mehrerer 3D-Anwendungen haben werden.

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Benchmarks: Ohne SLI #1
Die folgenden Benchmarks stammen von NVIDIA. Wir haben noch keine Gelegenheit gehabt, eine GeForce 7800 GTX zu testen, somit können wir derzeit noch keine eigenen Messungen veröffentlichen.

Folgendes System verwendete NVIDIA für die nicht-SLI Benchmarks:





3DMark05





Far Cry





Halo




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Benchmarks: Ohne SLI #2
Die folgenden Benchmarks stammen von NVIDIA. Wir haben noch keine Gelegenheit gehabt, eine GeForce 7800 GTX zu testen, somit können wir derzeit noch keine eigenen Messungen veröffentlichen.





Splinter Cell Chaos Theory





Doom 3





Half Life 2





World of Warcraft





Chronicles of Riddick




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Benchmarks: Ohne SLI #3
Die folgenden Benchmarks stammen von NVIDIA. Wir haben noch keine Gelegenheit gehabt, eine GeForce 7800 GTX zu testen, somit können wir derzeit noch keine eigenen Messungen veröffentlichen.





Battlefield Vietnam





Everquest II





Call of Duty





Counter Strike: Source Benchmark





City of Heroes




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Benchmarks: Ohne SLI #4
Die folgenden Benchmarks stammen von NVIDIA. Wir haben noch keine Gelegenheit gehabt, eine GeForce 7800 GTX zu testen, somit können wir derzeit noch keine eigenen Messungen veröffentlichen.





Need for Speed: Underground 2





Joint Operations





Star Wars Battlefront





Painkiller: Battle Out of Hell





Roller Coaster Tycoon 3





Battlefield 2




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Benchmarks: Mit SLI
Die folgenden Benchmarks stammen von NVIDIA. Wir haben noch keine Gelegenheit gehabt, eine GeForce 7800 GTX zu testen, somit können wir derzeit noch keine eigenen Messungen veröffentlichen.

Folgendes System hat NVIDIA für die SLI-Messungen verwendet:

Die folgende Tabelle zeigt die Performance der GeForce 6800 Ultra und 7800 GTX im SLI-Betrieb sowie den Zuwachs im Vergleich zum Single-Betrieb. Auffällig ist dabei, daß die GeForce 7800 GTX GPU in allen Messungen weniger deutlich vom SLI-Betrieb profitiert wie die GeForce 6800 Ultra. Der Grund hierfür ist die CPU, die in diesem System zum begrenzenden Faktor wird.

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Fazit
Soweit unsere Aufarbeitung von NVIDIAs Pressedokumenten. Ich hoffe, es ist uns gelungen, im Rahmen dieser Preview einen ersten Eindruck von NVIDIAs GeForce 7800 GTX zu vermitteln. Die technischen Daten der neuen GPU sind beeindruckend, die Performance-Messungen, welche wir von NVIDIA erhalten haben, vielversprechend. NVIDIA legt bei der GeForce 7800 GTX GPU viel Wert auf das Redesign, welches effektiver arbeitet als die GeForce 6 Generation und somit bei einer moderaten Taktsteigerung von 7,5% (Chip) und 9,1% (Speicher) einen deutlichen Leistungsgewinn erzielen kann. Die zusätzlichen Pixel und Vertex Piplines tragen natürlich ebenfalls zu dieser Steigerung bei.

Mit einer Leistungsaufnahme von 100 bis 110 Watt wäre es jedoch vermessen, von einer sparsamen GPU zu sprechen. Auch die GeForce 7800 GTX ist ein Stromfresser und erfordert eine aufwendige Kühlung! Intels viel gescholtener Prescott Prozessor erreicht unter ungünstigsten Umständen eine vergleichbare Leistungsaufnahme! Zwei dieser Karten im SLI-Betrieb, dazu einen Dual-Core Prescott und die Ehrennadel des jeweiligen Stromversorgers ist dem Hardcore-Gamer sicher.

Allerdings handelt es sich bei der GeForce 7800 GTX auch nicht um ein Massenprodukt, sondern um ein Aushängeschild. NVIDIA hat vorgelegt, ATi muß nun nachziehen. Doch nun hat NVIDIA derart weit vorgelegt, daß aktuelle CPUs nicht mehr mithalten können, was den SLI-Betrieb zweier GeForce 7800 GTX basierender Grafikkarten ad absurdum führt.

Was wir bisher von der GeForce 7800 GTX - auf dem Papier bzw. als PDF - gesehen haben, ist jedenfalls beeindruckend. Warten wir also auf die ersten Testmuster...

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