Techtalk 4 Noobs – Was zum Geier heisst das Techblabla?

[captain carot]

Next Round, heute geht es mal um die GPU.

Keine Panik, wir werden den Grafikprozessor nicht im Detail durchkauen. Es geht eher um andere Dinge.

Was ein Grafikprozessor macht ist auf den ersten Blick selbsterklärend. Er malt uns bunte Bilder auf den Schirm. Dafür kann man mehrere Techniken nutzen, unter anderem klassische 2D Bitmap Grafik oder 3D Grafik, bei Echtzeitanwendungen (also auch Spielen) nutzt man dafür sogenannte Rastergrafik.
Moderne GPU´s können hier sehr vieles selbst machen, ohne den Hauptprozessor zu behelligen. Dafür ist vor allem das sogenannte Shadermodell verantwortlich. Die meisten werden sich an Wasseranimationen wie bei Morrowind erinnern, was ein sogenannter Pixelshader Effekt ist. Das heisst, die Wasseranimation ist ein reiner 2D Grafiktrick. So werden auch Normal Maps, sogennate Softshadows und andere Effekte erstellt.
Dann wäre da der Vertex Shader, der unsere Polygone zeichnet (erinnert sich jemand an Vektorberechnung in der Schule?). Der Vertexshader kann aber Polygone auch verändern, ohne den Prozessor zu belasten.
Moderne GPU´s können mittlerweile noch mehr. Über sogenannte Compute Shader können auch noch mehr Dinge berechnet werden, die nicht direkt mit klassischen Grafikeffekten zu tun haben. Dazu gehört reine Effektphysik. Was Effektphysik ist? Z.B. physikbasierte Animationen für Textilien, Partikeleffekte oder Wasser.
An der Stelle mal ein etwas älteres Video, einfach, weil es einen netten Vergleich mit/ohne Effektphysik bietet. Den aktuell machbaren Stand sieht man wiederrum u.a. in Quantic Dreams netter E³ Demo und in der Agni Demo von Squenix.

Also einfach eine superschnelle GPU rein und fertig?
Ganz so einfach ist es leider nicht. Wie man selbst bei neueren Videos sehen kann ist Effektphysik eine optische Spielerei. Spielrelevante Physik muss immer noch vom Prozessor berechnet werden. Für all die schicken Polygone wiederrum muss der Prozessor erstmal Rohdaten, also Koordinaten, liefern, mit Kleinigkeiten wie KI, Wegfindung, Kollisionsabfrage usw. ist die CPU dann auch noch beschäftigt.
nehmen wir an der Stelle mal die Wii U als Beispiel. Ohne stärkeren Prozessor würde sie nur sehr begrenzt von einer leistungsstärkeren GPU profitieren. Die GPU der Playstation 4 wäre hier sogar völlig fehl am Platz, einfach weil der Hauptprozessor einfach nicht schnell genug Daten an seinen Grafikkollegen weiterreichen kann. Um von einer deutlich stärkeren GPU zu profitieren müsste also auch die CPU deutlich stärker sein.

Etwas anders sieht es nun bei PS4 und Xbox One aus. Beide haben einen ungefähr gleich starken Prozessor. Sony hat seiner Konsole aber eine um 40% stärkere GPU verpasst. Hier sind die Auswirkungen direkt zum Start zu spüren. Sonys neue Kiste kann nicht wirklich mehr, dafür aber schicker, d.h. mehr Auflösung, evtl. ein paar Effekte mehr oder dergleichen. Auch wenn es gewisse Unterschiede bei Betriebssystem, Gerätetreibern und dergleichen geben mag, es wird immer eine gewisse Lücke geben, einfach, weil die CPU genug Leistung bietet, damit der Grafikprozessor seine Vorteile auch ausspielen kann.

Kurzum, auch wenn moderne Grafikprozessoren immer mehr können, eine Konsole als Gesamtsystem braucht eine gewisse Ausgewogenheit zwischen Haupt- und Grafikprozessor.
Man darf wohl behaupten, dass sowohl Playstation 4 als auch Wii U, allerdings auf niedrigerem Level, relativ ausgewogene Systeme sind. Die Xbox One hätte dagegen definitiv von einer etwas stärkeren GPU profitieren können und würde damit voll und ganz auf Augenhöhe mit dem direkten Konkurrenten sein.

[captain carot]

Heute geht es noch mal um Beinahezwillinge.
Jöpp, PS4One.

Gleicher Prozessor, gleich viel RAM, vermutlich gleicher Soundprozessor aber die Grafikprozessoren sind unterschiedlich schnell. Aktuell sehen lösen viele Spiele auf der One deswegen niedriger auf oder laufen nur mit der halben Bildrate.
Für letzteres gibt es sogar eine recht einfache Erklärung, aktuelle Fernseher mögen keine “krummen” Bildraten. Passt die Bildrate nicht, gibt es zwar kleinere Tricks, aber wenn die Differenz zu groß wird bleibt nur noch, die Bildrate zu halbieren.
Ersteres Problem ist ein anderes Thema. Anscheinend mögen beide neuen Konsolen (derzeit) keine anamorphen Auflösungen wie etwa 1080*1920. Läuft ein Spiel in FullHD nicht rund bleibt also vorläufig nur das Downgrade auf 1600*900 (Assassins Creed 4) oder gar auf 720p (CoD Ghosts).

Es steckt aber noch mehr dahinter, nämlich die Software, in diesem Fall Betriebssystem, die API und Treiber. Auf Treiberseite ist Sony laut anonymer Programmiereraussagen derzeit einfach weiter als Microsoft. Gerade die GPU soll man besser im Griff haben. Das kann sich zukünftig ändern, da Systemtreiber kontinuierlich weiterentwickelt werden. Bei der API, die als Schnittstelle zwischen Spiel und Hardware dient herrscht in etwa Gleichstand. Hier bietet AMD seit kurzem auch eine besonders effiziente API an, die zukünftig beide Seiten nutzen können.
Bleibt das Betriebssystem, kurz OS. Hier verschenkt Microsoft aktuell Leistung. Die Kombination mehrerer Betriebssysteme macht sich teilweise bemerkbar, es ist Leistung für Kinect reserviert und damit sind 5% Grafikleistung und 20% Prozessorleistung bisher für andere Dinge reserviert. Außerdem scheint das OS etwas mehr Speicher zu belegen. Sony ist bei seinem OS einfach ressourcenschonender. Das heißt aber auch, dass bei der One mehr Ressourcen zukünftig frei werden können.

Die aktuelle Leistungslücke wird man so zwar nie schließen, vielleicht aber verkleinern können.

Bleibt das klassische Leadplattformdilemma. Die Unterschiede zwischen beiden Systemen sind zwar kleiner denn je, Entwickler neigen aber meist dazu, die meiste Arbeit in die Leadplattform zu stecken und gewisse Unterschiede alleine schon auf Softwareseite bestehen weiter. Wenig überraschend, die Leadplattform ist in den meisten Fällen die mit den besten Absatzaussichten. Derzeit also eher PS4 als One.

Sollte die PS4 sich dauerhaft als Leadplattform etablieren besteht nicht nur die Möglichkeit, dass sie technisch weiter führt sondern dass sich der Abstand bei Multititeln weiter vergrößert.

[captain carot]

Heute:
Framerate und Tearing (bei “3D-Grafik” *)

Ich versuche, mich möglichst einfach zu halten und Techbabble rauszulassen.
Jeder Spieler weiß, dass Framerate bei den meisten Spielen elementar wichtig ist. Eine Kampfszene die plötzlich auf 15 Bilder pro Sekunde einbricht ist spielerisch einfach eine Katastrophe.
Allerdings ist die maximale Leistung einer Konsole immer begrenzt. Sowohl vom Hauptprozessor als auch vom Grafikprozessor. Entsprechend passiert es in vielen Spielen immer wieder, dass die Bildrate mehr oder weniger aus dem Tritt gerät. Genau genommen ist das sogar der Normalfall.
Es wird nunmal nicht immer gleich viel dargestellt und es kann immer unvorhergesehenes passieren.

So lange diese Bildratenschwankungen sich in Grenzen halten nimmt man sie wenig bis gar nicht wahr, von daher sollte man das Thema nicht überkritisch sehen.
Nach Möglichkeit versucht man allerdings, die Bildrate konstant zu halten. Üblicherweise gestalten Entwickler andere Faktoren entsprechend dynamisch. So kann ggf. die Auflösung reduziert werden. Rage, einige Call of Duty oder auch Tekken Tag Tournament 2 bieten entsprechend dynamische Auflösungen. Dabei kann gerade bei Rage die Auflösung bis auf 640×720 Pixel einbrechen, faktisch also kaum mehr als PAL-Auflösung. Sehr vereinfacht ausgedrückt hat ein einzelnes Bild so nur noch den halben Rechenaufwand im Vergleich zu Standardauflösung.

Eine andere durchaus gängige Praxis ist es, das Anti Aliasing oder auch einzelne Effekte dynamisch zu gestalten. Forza 4 bietet je nach Modus etwa eine niedrigere und eine höhere Anti Aliasing Stufe. Generell werden Spiegel nicht mit der gleichen Bildrate aktualisiert wie der Rest des Spiels. Und trotzdem läuft Forza nicht völlig konstant.

Eine weitere Möglichkeit ist, wirklich sicherzugehen, dass das gesamte Spiel unter allen Umständen immer mit einer vorgegebenen Bildrate und festen Qualitätssettings läuft. Faktisch heißt das, dass man das gesamte Spiel so auslegen muss, egal wie viel auf dem Schirm los ist, die Hardware wird nie überfordert.
Das klingt allerdings simpler, als es in der Praxis ist. Auf technischer Ebene ist dafür einiges an Balancing nötig.

Tearing:
Hat im Prinzip einen simplen Ursprung. Es wird nicht unbedingt ein ganzes Bild pro Sekunde von der GPU berechnet, sondern auch mal 0,74 Bilder, 1,18 Bilder…, immerhin hat auch nicht jedes Frame den genau gleichen Rechenaufwand. Wenn nun so ein Dreiviertel Bild erneuert wird und das untere Viertel nicht oder auch erst verspätet, dann kommt es zu Tearing.
Um das zu verhindern gibt es die vertikale Syncronisation kurz VSYNC. Wie der Name andeutet soll VSYNC dafür sorgen, dass das neue Bild erst oben anfängt wenn das alte unten fertig ist. Der Name stammt halt noch aus Zeiten, in denen arme Kathodenstrahlen das Bild Zeile für Zeile auf die Mattscheibe malen mussten.
Das Problem bei eingeschalteter VSYNC ist, kommt die GPU aus dem Tritt kann die Bildrate richtig einbrechen und es kommt zu Rucklern.
Das kann man auch sehr schön bei den meisten LEGO Spielen sehen, wo man im Optionsmenü VSYNC deaktivieren kann.
Weil ständiges Tearing halt ziemlicher Käse ist, wie man auch am 360 Port von Titanfall sieht, extremes Ruckeln aber genauso kacke verwenden ziemlich viele Spiele einen Trick, die schalten VSYNC nämlich einfach automatisch ab, wenn gerade zu viel auf dem Bildschirm los ist.
Das sieht man bei ziemlich vielen Spielen, die mehr oder weniger selten zu Tearing neigen, die meiste Zeit aber ohne laufen. Ein typischer Vertreter ist die Assassins Creed Reihe.

*Das mit der 3D Grafik ist so eine Sache. Viele Spiele mit 2D Gameplay nutzen heutzutage mehr oder weniger viele mit Polygonen und Texturen gezeichnete Objekte. Die können sowoel zweidimensional als auch dreidimensional sein. Entsprechend gibt es auch bei so platten Spielen wie New Super Mario Bros oder eben Rayman eine ganze Reihe Objekte, die mit Polygongrafik dargestellt werden und auch ziemlich rechenintensiv sein können.

[captain carot]

Resolutiongate und AC Unities Framerate:
Last things first, derzeit gibt es eine rege Diskussion um AC Unity und speziell dessen Framerateprobleme. Ein Spiel, das auf der ‘lahmen’ One dezent mehr Frames hat als auf der PS4? Kann doch nicht sein.

Doch, kann. Der Grund ist denn auch relativ einfach. Microsofts Xbox One und die PS4 sind eng miteinander verwandt. Der Hauptprozessor ist sogar fast gleich. Allerdings ist der der One ganze 150MHz schneller getaktet. Ursprünglich sollte dieser Mehrtakt durch Kinect entstandene Performancedefizite ausbügeln (gut, hat MS nicht so gesat, is aber). Mittlerweile liegt Microsofts vormals liebstes Spionagespielzeug :-p dreivierteltot in der Ringecke und MS hat die vormals von Kinect besetzten Ressourcen für Software freigegeben. Da beide Betriebssysteme anscheinend nun eine vergleichbare Basislast erzeugen hat die One etwas mehr CPU-Leistung zu freien Verfügung. Ergo mehr Power für CPU-lastige Szenarien.
Und genau das haben wir bei ACU. Da wären z.B. unzählIge KI-Dumpfbacken. An sich ziemlich dumm, aber die Menge macht. ‘Prebaked’ Global Illumination, d.h. die CPU muss sehr viele vorberechnete Daten für die Beleuchtung der Spielwelt ständig entpacken. Und weil die One etwas mehr von dieser Prozessorpower hat muss die GPU nicht ganz so lange auf die CPU warten, es gibt mehr Bilder.

Bleibt die Frage, warum hat die PS4 Fassung auch nur 900p? Eigentlich gibt es dafür keinen vernünftigen Grund, und damit kommen wir zum modernen Klassiker:
Resolutiongate Folge 1234:
Um das mal ganz simpel zu halten interessieren uns drei GPU Ressourcen. Pixelfüllrate, Texelfüllrrate und Shaderleistung. Die ersteren beiden sind fürs ‘Grafik malen’ verantwortlich, letzteres für die ganzen Bildberechnungen.
Die Pixelrate ist nun fast selbsterklärend, die Texelfüllrate malt die Pixel einer Textur (texture pixel=texel). Beides muss letzten Endes heutzutage nur ausreichen, um die ganze Grafik, die vorher berechnet wurde auf den Schirm zu pinseln. Obwohl die PS4 mehr Füllrate hat spiel das in der Praxis denn auch faktisch keine Rolle. Beide GPU’s haben einfach mehr als genug Füllrate.
Die Shaderleistung ist ein anderes Thema. Die PS4 hat 43% mehr Shaderleistung. Praktischerweise skalieren moderne Spieleengines in etwa 1:1 mit der Auflösung, 3D Grafik heute ist halt sehr Shaderintensiv. In der Praxis heißt das, und das ist nun wirklich praktisch, die PS4 kann 43% mehr Auflösung bei gleicher Framerate. Unsere beiden GPU’s sind ja auch eng miteinander verwandt.
Jetzt bemühen wir mal den Taschenrechner und stellen fest, dass die bevorzugte PS4 Lieblingsauflösung von 1920*1080 genau 44% mehr Pixel hat als die Xbox One Auflösung mit 1600*900 Pixeln.
Rätsel gelöst, reduziert man die Auflösung gerade passend hat man in allen anderen grafischen Bereichen Parität. Praktisch, oder?

Problematisch wird das erst, wenn Spiele massiv die GPU für andere Dinge wie Physik nutzen. Dann gerät die One immer weiter ins Hintertreffen.

Bleibt immer noch die Frage, warum ACU auf der PS4 nicht in 1080p läuft. Dafür gibt es aus technischer Sicht wahrscheinlich keinen Grund.

[captain carot]

Nö. Das hinge einfach davon ab, wann die CPU zur Handbremse für die GPU wird.

Beispiel vom PC-Lager: Ich hatte seinerzeit meinen Core 2 Duo E4400 und meine Grafikkarte übertaktet. Bei Crysis brachte die CPU Übertaktung praktisch nix, weil das Spiel die meiste Zeit über GPU-limitiert war, trotz Open World. Bei Fallout 3 dagegen brachte die GPU-Übertaktung kaum was, weil es die meiste Zeit eher durch die CPU gebremst wurde.
Open World alleine heißt also noch lange nicht, dass auf jeden Fall die CPU limitiert. Geht man nach einer wenig beachteten Entwickleraussage zu ACU scheint ein beträchtlicher Teil der CPU Last auf die prebaked Global Illumination zu gehen. Hätte man ein anderes Beleuchtungsmodell verwendet, das komplett über die GPU läuft, dann hätte auch die GPU viel mehr limitiert.

Wenn man die KI weglässt (sieht man in den Cutscenes), dann limitiert die CPU auch nicht mehr und die PS4 packt mehr Frames. Es ist also immer das Gesamtpaket zu sehen, das die CPU Last verursacht. Spielrelevante Physik, MEnge und/oder Komplexität der KI, sonstige CPU-Tasks (hier die Beleuchtung).

Das kann auch für einen Schlauchshooter gelten. Sagen wir mal, du packst sehr komplexe KI, sehr viel Physik, CPU-lastiges Beleuchtungsmodell… rein. Dann kann die CPU auch wieder limitieren. In der Praxis sind das dann aber eher kurze Momente. Das sieht man auch bei einer Handvoll aktueller Spiele, wo die Framerate der PS4 Fassung mal kurzfristig leicht unter die Framerate der Xbox One Fassung fällt.
Allerdings wird das wohl nie ein wirklich gravierender Unterschied sein. Damit das wirklich viel ausmacht ist die Leistungsdifferenz zu klein.

[Spacemoonkey]

hab das sogar verstanden

[Spacemoonkey]

hm müssten dann nicht die meisten open world spiele auf der xbox one flüssiger laufen? oder tun sie das? kenn mich bei den aktuellen nicht so aus. falls nicht kann es nicht sein dass die einfach scheiße gebaut haben mit acu?
also zb bei middle-earth shadow of mordor und sleeping dogs müsste es doch ähnlich aussehen.
übrigens eine sehr langweilige spiele reihe was sich anscheinend niemals ändern wird

und dann noch eine frage bezüglich auflösung.
man kann bei den konsolen ja manuell auf 720p stellen. warum laufen dann nicht alle spiele mit mehr fps? ok auf ps3 gabs dann bei einigen spielen etwas weniger tearing oder stotterer aber müsste das nicht mehr aus machen. dachte da zb an mindestens 10-20 fps mehr.
also auf dem pc is das doch so. fast jede kleinigkeit die man runterschraubt erhöht die fps

[captain carot]

Quote:

und dann noch eine frage bezüglich auflösung.
man kann bei den konsolen ja manuell auf 720p stellen. warum laufen dann nicht alle spiele mit mehr fps? ok auf ps3 gabs dann bei einigen spielen etwas weniger tearing oder stotterer aber müsste das nicht mehr aus machen. dachte da zb an mindestens 10-20 fps mehr

Um darauf zurückzukommen:
Generell muss da zwischen zwei wesentlichen Dingen unterschieden werden. Einmal die ausgegebene Auflösung und einmal die interne Auflösung (Framebuffer). Das sind zwei unterschiedliche Paar Schuhe.
Einstellen kannst du bei Konsolen üblicherweise nur die ausgegebene Auflösung. Stellst du hier auf 1080p wird alles, was niedriger auflöst nachdem das Bild komplett fertig berechnet ist hochskaliert.
Stellst du das auf 720p wird alles, was höher auflöst runterskaliert. Wobei es eben nicht viele last gen Spiele gibt, die höher als 720p rendern.

Auf der anderen Seite haben wir den Framebuffer. Das ist die Auflösung, in der intern die Grafik berechnet wird. Und es gibt sehr viele Last Gen Spiele, wo der Framebuffer, eben aus Performancegründen, eh schon unter 720p ist. Bei den meisten Spielen ist dieser Framebuffer fest, bei einigen ist er fest an die Performance gebunden, Rage hat z.B. intern variable Auflösung.
Wenn du jetzt bspw. Bayonetta auf der PS3 spielst und die Auflösung auf 480p runterschraubst, dann rechnet das Spiel intern immer noch mit der höheren Auflösung und skaliert dann erst runter.

Beim PC ist das üblicherweise anders. Normalerweise richtet sich der Framebuffer da nach der eingestellten Auflösung. Der PC’ler hat darüber also direkten Einfluss auf die Performance, der Konsolenspieler nicht.

[Spacemoonkey]

um diesen punkt beneide ich pc männer dann doch

[captain carot]

Was Möglichkeiten für Settings und so angeht sind PC’ler halt generell immer im Vorteil. Auf der anderen Seite muss man sich als Konsolero halt auch nie mit sowas rumschlagen.

[genpei tomate]

Danke Captain, spannend, faszinierend geschrieben und auch für mich nachzuvollziehen…meistens…

[kevboard]

captain carot wrote:

Quote:

und dann noch eine frage bezüglich auflösung.

man kann bei den konsolen ja manuell auf 720p stellen. warum laufen dann nicht alle spiele mit mehr fps? ok auf ps3 gabs dann bei einigen spielen etwas weniger tearing oder stotterer aber müsste das nicht mehr aus machen. dachte da zb an mindestens 10-20 fps mehr

Um darauf zurückzukommen:

Generell muss da zwischen zwei wesentlichen Dingen unterschieden werden. Einmal die ausgegebene Auflösung und einmal die interne Auflösung (Framebuffer). Das sind zwei unterschiedliche Paar Schuhe.

Einstellen kannst du bei Konsolen üblicherweise nur die ausgegebene Auflösung. Stellst du hier auf 1080p wird alles, was niedriger auflöst nachdem das Bild komplett fertig berechnet ist hochskaliert.

Stellst du das auf 720p wird alles, was höher auflöst runterskaliert. Wobei es eben nicht viele last gen Spiele gibt, die höher als 720p rendern.

Auf der anderen Seite haben wir den Framebuffer. Das ist die Auflösung, in der intern die Grafik berechnet wird. Und es gibt sehr viele Last Gen Spiele, wo der Framebuffer, eben aus Performancegründen, eh schon unter 720p ist. Bei den meisten Spielen ist dieser Framebuffer fest, bei einigen ist er fest an die Performance gebunden, Rage hat z.B. intern variable Auflösung.

Wenn du jetzt bspw. Bayonetta auf der PS3 spielst und die Auflösung auf 480p runterschraubst, dann rechnet das Spiel intern immer noch mit der höheren Auflösung und skaliert dann erst runter.

Beim PC ist das üblicherweise anders. Normalerweise richtet sich der Framebuffer da nach der eingestellten Auflösung. Der PC’ler hat darüber also direkten Einfluss auf die Performance, der Konsolenspieler nicht.

man muss noch erwähnen dass die PS3 nur die wenigsten spiele höher als auf 720p skaliert, wenn sie man höher skaliert dann kommts echt bei einigen titeln zu tearing was wohl daran liegt dass eben kein extra chip drinne ist zum skalieren in gegensatz zur 360, das bedeutet dass die hardware zusätzlich belastet wird.

auf der 360 gabs da aber auch mal so n beispiel und zwar Resi 5 welches tearing hat wenn die 360 auf 1080p gestellt ist auf 720p hats keins.

[Spacemoonkey]

ich kann bei der ps3/4 und bei meinem monitor rgb vollständiger bereich oder begrenzt einstellen. was ist besser? monitor und konsole sollten natürlich auf das selbe gestellt werden oder?

[captain carot]

RGB Limited schneidet die oberen und unteren Farbwerte (ganz hell und ganz dunkel) ab. Das hat u.a. mit unterschiedlicher, ursprünglicher Normierung zu tun. Klingt doof, aber keines ist ‘besser’ wenn das Gerät (TV/Monitor) beides richtig umwandeln kann. Erkennt das Display RGB Limited nichtt korrekt, dann ist und alles ab schwarz eher dunkles grau und weiß eher helles grau.
Umgekehrt, wird RGB Full nicht richtig erkannt, dann ist alles ab dunklem grau schwarz und alles ab hellem grau weiß, Kontraste wirken stark überzeichnet. Details saufen ab.

Wenn der Fernseher beides kann schadet RGB Full ganz sicher nix. Falls manuell einstellbar sollten auch beide Geräte das gleiche eingestellt haben. Die meisten aktuellen TV’s erkennen das aber automatisch.

Im Zweifelsfall ist bei TV’s RGB Limited die richtige Wahl, bei Monitoren praktisch immer RGB Full.

[Spacemoonkey]

alles klar danke. werde dann beides auf rgb full oder automatisch lassen und jetzt an den restlichen einstellungen etwas rumspielen

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