Bericht: PCIe x8 vs. PCIe x16

von Wolfgang Andermahr

Einleitung

Am Anfang war bei SLI noch alles einfach. Wer sich ein Dual-GPU-System aufbauen wollte, benötigte zwei identische nVidia-Grafikkarten sowie ein Mainboard mit dem nForce-4-Chipsatz von nVidia und schon konnte der Spaß beginnen. Als die Konkurrenztechnologie von ATi, namentlich CrossFire, den Markt erreichte, wurde die ganze Situation bereits komplizierter. Bei ATi reichte es nicht, sich zwei gleichwertige ATi-Grafikkarten und ein CrossFire-taugliches Mainboard mit dem RD480-Chipsatz zu kaufen. Stattdessen war es nötig, neben einer herkömmlichen ATi-GPU eine sogenannte Master-Karte zu besitzen. Diese konnte dank der „Compositing-Engine“ das Bild der zweiten Grafikkarte mit dem der ersten vermischen, um dann vollwertige Frames an den Monitorausgang zu verschicken.

Diese Mainboards hatten allerdings – zumindest marketingtechnisch – einen großen Nachteil. So waren auf beiden Chipsätzen nicht genügend PCIe-Lanes vorhanden, um die zwei physikalischen PCIe-x16-Ports für die GPUs mit logischen 16 PCIe-Lanes pro Port anzusprechend. Die Grafikkarten wurden in beiden Fällen mit acht Lanes betrieben, was die Bandbreite dementsprechend halbiert. Einige Zeit später brachte nVidia den nForce4 SLI x16 auf den Markt, welcher identisch zum Vorgängerchip war, aber – man höre und staune – durch einen Zusatzchip 18 (AMD) beziehungsweise 20 (Intel) zusätzliche PCIe-Leitungen mit sich bringt, wodurch beide Grafikkartenslots nun im SLI-Modus auch mit 16 Lanes angesteuert werden können.

ATi ließ sich natürlich nicht lumpen und produzierte fleißig den RD580-Chipsatz, meistens Xpress3200 genannt, welcher nicht nur über zwei logische vollwertige PCIe-Slots verfügt, sondern den GPUs auch die Möglichkeit gibt, direkt miteinander ohne Umwege über die CPU zu kommunizieren. Jedoch fragt man sich grundsätzlich, ob die Verdoppelung der PCIe-Lanes überhaupt von Nutzen ist, immerhin war bereits damals kaum ein Unterschied zwischen AGP 4x und AGP 8x vorhanden.

Nun muss man sich als ehrlicher Käufer allerdings eingestehen, dass die Anforderungen an das Mainboard aufgrund von SLI- und CrossFire-Konfigurationen und insbesondere durch die SLI-AA- und SuperAA-Modi stark angestiegen sind. Die Radeon X1600 XT von ATi kommuniziert darüber hinaus einzig und alleine über den PCIe-Bus im CrossFire-Modus – andere Konfigurationen nehmen die Compositing-Engine beziehungsweise die SLI-Bridge zu Hilfe, um den PCIe-Bus zu entlasten. Somit muss die Frage neu geklärt werden, ob es nun sinnvoll ist, die neuen Chipsätze mit 32 PCIe-Lanes für die Grafikkarten zu kaufen oder ob ein älterer Chipsatz mit 16 Lanes ausreichend ist. Bewaffnet mit den vier gängigen Chipsätzen sowie zwei GeForce-7800-GTX-512- und X1900-Karten sowie zwei „Radeon X1600 XT“-Adaptionen werden wir dieser Frage auf den Grund gehen.

Technischer Überblick

Als Testkandidaten für diesen Artikel mussten alte Bekannte herhalten: Auf Seiten von nVidia stellte sich das Gigabyte GA-K8NXP-SLI [1] mit dem nForce-4-SLI-Chipsatz der Herausforderung, während das Asus A8N32-SLI Deluxe [2] als größerer Bruder mit dem nForce 4 SLI x16 angetreten ist. Auf Seiten der ATi- und CrossFire-fähigen Chipsätzen stellte sich das Sapphire PC-A9RD480 CrossFire [3] mit dem RD480-Chip dem Duell, während das Asus 8R32-MVP Deluxe [4] als RD580-Kollege das große Asus-Board mit dem nForce-Chipsatz angriff.

Gehen wir nun bei den vier genannten Boards bezüglich des PCIe-Busses etwas genauer ins Detail. Das GigaByte GA-K8NXP-SLI ist der Vertreter des herkömmlichen nForce-4-Chips, welcher insgesamt 20 PCIe-Lanes zur Verfügung stellt. Dabei werden 16 den beiden Grafikkartenslots zugewiesen, während zwei weitere Lanes für PCIe-x1-Slots benutzt werden. Falls ein SLI-System auf dem GigaByte-Mainboard zum Einsatz kommt, stehen beiden Slots allerdings nicht mehr 16 logische PCIe-Lanes zur Anbindung der Grafikkarte bereit, sondern nur noch die Hälfte, sprich acht Lanes pro Grafikkarte, da nicht genügend PCIe-Lanes vorhanden sind, um beide Slots mit der Maximalkonfiguration betreiben zu können. Dadurch halbiert sich die Bandbreite des PCIe-Anschlusses sowohl in der Hin- als auch in der Rückrichtung.

Ähnlich ergeht es dem direkten Konkurrenten RD480 von ATi, welcher unter anderem auf dem Sapphire PC-A9RD480 CrossFire verbaut wird. Der Chipsatz kann 22 PCIe-Lanes ansprechen, womit bereits deutlich wird, dass keine vollwertige x16-Verbindung an beiden Grafikports möglich ist. Beide Slots werden in einem CrossFire-System mit acht Lanes angesprochen. Zwei weitere PCIe-Lanes werden bei dem Board für die Verbindung zwischen North- und Southbridge verwendet, während die restlichen vom Boardhersteller frei verteilt werden können.

Das derzeitige Flaggschiff von nVidia ist der nForce-4-SLI-x16-Chipsatz, der auf dem Asus A8N32-SLI Deluxe verweilt. Insgesamt können auf dem Board satte 38 PCIe-Lanes vom Hersteller verteilt werden, obwohl das Motherboard hauptsächlich die Funktionen des alten nForce-4-SLI-Chipsatzes benutzt. Als besonderes Schmankerl verbaut nVidia einen weiteren Chip, welcher dem Kunden zusätzliche 18 (AMD) oder 20 (Intel) PCIe-Lanes bietet. Dieser Zusatzchip hört auf den Namen „SPP“ (System Platform Processor) und wird vermutlich mit dem Hypertransport-Protokoll an die Northbridge angebunden. Dementsprechend können beide Grafikkartenslots logisch mit 16 PCIe-Lanes angesprochen werden.

Andere Wege geht ATi mit dem RD580-Chip. Das Asus 8R32-MVP Deluxe vertraut auf das neueste Stück Silizium der Kanadier, welches 40 PCIe-Lanes verwalten kann. Dies wird jedoch nicht wie bei nVidia durch einen Zusatzchip erreicht, sondern ist alles in einer einzelnen Northbridge untergebracht. Somit werden 32 Lanes für die Grafikkartenslots bei einem CrossFire-System bereitgestellt. Zusätzlich können auf einem RD580-Boards beide Grafikkarten direkt miteinander kommunizieren, was vor allem bei CrossFire-Systemen ohne die Compositing-Engine wie beispielsweise bei zwei Radeon-X1600-XT-Karten einiges an Performance bringen soll.

Um den PCIe-Bus maximal zu belasten, testen wir sowohl die Einzelkarten als auch die Dual-GPU-Systeme in der Auflösung 1600x1200 und in einem zweiten Durchlauf mit zusätzlichem 4-fachen Anti-Aliasing sowie 16-facher anisotropen Filterung. Die Dual-GPU-System müssen zusätzlich noch die speziellen SLI-AA- beziehungsweise SuperAA-Modi meistern, die für den PCIe-Bus eine hohe Belastung bedeuten.

Testsystem

Testsystem:

• Prozessor
  • AMD Athlon 64 4000+ (San Diego-Kern, 90 nm, SSE3, 1024 kB Level-2-Cache)
• Motherboard
  • Gigabyte GA-K8NXP-SLI (nVidia nForce 4 SLI)
  • Asus A8N32-SLI Deluxe (nVidia nForce 4 SLI x16)
  • Sapphire Pure CrossFire PC-A9RD480 (ATi RD480)
  • Asus A8R32-MVP Deluxe (ATi RD580)
• Arbeitsspeicher
  • 2x 512 MB Crucial BallistiX DDR400 (2-2-2-5)
• Grafikkarten
  • ATi Radeon X1900 XTX (650/775)
  • ATi Radeon X1900 CrossFire-Edition (625/725)
  • ATi Radeon X1600 XT (590/690)
  • nVidia GeForce 7800 GTX 512 (550/850)
• Peripherie
  • AOpen AAP-1648Pro-DVD-Laufwerk
  • Samsung S-ATA 2-HDD mit 200 GB Speicherplatz (NCQ aktiviert)
• Treiberversionen
  • nVidia ForceWare 82.12
  • ATi Catalyst 6.3
• Software
  • Microsoft Windows XP Professional SP2
  • Microsoft DirectX 9.0c

Benchmarks

Folgende Benchmarks kamen während unseres Tests zum Einsatz:

• Synthetische Benchmarks:
  • 3DMark05 Version 1.2.0
  • 3DMark06 Version 1.0.2
  • Aquamark 3
• Spielebenchmarks:
  • Age of Empires 3
  • Splinter Cell: Chaos Theory
  • Fear
  • Serious Sam 2 Demo
  • Doom 3
  • The Chronicles of Riddick
  • Call of Duty 2
  • Battlefield 2
  • Quake 4
  • Half-Life 2: Lost Coast

Alle Benchmarks werden mit maximalen Details ausgeführt, damit die Grafikkarte möglichst hoch belastet wird. Als Einstellung haben wir uns dabei für 1600x1200 entschieden. Damit zollen wir Tribut an die modernen High-End-Beschleuniger, die durch ihre Rechenkraft niedrigere Auflösungen als 1280x1024 CPU-limitiert werden lassen.

Achtung: Nach sorgfältiger Überlegung und mehrfacher Analyse selbst aufgenommener Spielesequenzen sind wir zu dem Schluss gekommen, im ForceWare-Treiber für nVidia-Karten die Qualitätseinstellungen auf High Quality anzuheben, da man nur mit diesem Setting das Texturflimmern effektiv bekämpfen kann. Zudem ist dieser Modus vergleichbar mit der Einstellung „Catalyst A.I. Standard“ auf den ATi-Pendants, wodurch bei der Bildqualität größtenteils ein Gleichstand erreicht wird.

Treibereinstellungen: nVidia-Grafikkarten

• Systemleistung: Hohe Qualität
• Vertikale Synchronisierung: Aus
• MipMaps erzwingen: keine
• Trilineare Optimierung: Aus
• Anisotrope Mip-Filter-Optimierung: Aus
• Optimierung des anisotropen Musters: Aus
• Negativer LOD-Bias: Clamp
• Gamma-angepasstes AA (G70): Ein
• Transparenz AA (G70): Aus

Treibereinstellungen: ATi-Grafikkarten

• Catalyst A.I.: Standard
• Mipmap Detail Level: High Quality
• Wait for vertical refresh: Always off
• Adaptive Anit-Aliasing: Off
• High Quality AF: Off
• Truform: Always Off

Synthetische Benchmarks

3DMark05

• Der 3DMark05 liegt technisch nach wie vor auf sehr hohem Niveau. So kommen große Texturen mit der Auflösung 2048x2048, gemischt mit der Benutzung des Shader-Model 3.0, 2.x oder 2.0, zum Einsatz. Das letztes Jahr erschienene Programm setzt auf komplexe Lichteffekte, dynamische Schatten, aufwendige Bump Mapping-Effekte und benötigt vor allem eine hohe Geometrieleistung. Im Ergebnis spiegelt sich allerdings nur die Geschwindigkeit der Grafikkarte wieder, da diese selbst bei aktueller Hardware immer den Flaschenhals darstellt. Der wohl größte Nachteil beim 3DMark05 sind die weitläufigen Treiberoptimierungen aller aktuellen Grafikkartenhersteller. Diese gehen soweit, dass sich die Endergebnisse je nach Treiber im zweistelligen Prozentbereich verändern, somit können qualitätsmindernde Optimierungen nicht ausgeschlossen werden. Zudem basiert der synthetische Benchmark auf keinerlei Spieleengine, weshalb er keine reale Situation darstellt. Weitere Details zu diesem Programm gibt es in einem unserer ausführlichen Artikel [5].
  
  
• Download: 3DMark05 [6]

3DMark06

• Die allseits bekannte Benchmarkserie von Futuremark ist mittlerweile in der Version 2006 erschienen und hört dementsprechend auf die Bezeichnung „3DMark06“. Von den sechs Testszenen messen vier Sequenzen die Performance der Grafikkarte und zeigen eine Grafikpracht, die ihres gleichen sucht. Um jene zu erreichen setzen die Finnen auf modernste 3D-Technologie, weswegen nicht nur massiv das Shader-Model 3.0 verwendet wird, auch extrem aufwendige Texturen, spektakuläre Partikeleffekte, komplexe Schattenberechnungen und als weiteres Highlight „High Dynamic Range Rendering“ – kurz HDRR – werden eingesetzt. Dabei setzt Futuremark auf FP16-HDR, das die derzeit Best mögliche Bildqualität liefert, aber auch aufwendig zu berechnen ist. Somit können Grafikkarten ohne FP16-Blending-Einheiten, unter anderem die X8x0-Serie von ATi, zwei Testszenen nicht ausführen, weswegen die Punktzahl dieser GPUs generell niedrig ausfällt. Darüber hinaus können nur Grafikkarten, die MSAA auf ein FP16-Rendertarget ausführen können, die HDRR-Sequenzen mit Anti-Aliasing berechnen. Grafikkarten ohne diese Fähigkeit erzeugen bei Einsatz von Kantenglättung keine Punktzahl und werden deswegen nicht berücksichtigt. Weitere Details zu diesem Programm gibt es in einem unserer ausführlichen Artikel. [7]

AquaMark 3

• Kommen wir nun zu dem letzten synthetischen Benchmark in unserem Testparcours. Das von Massive Development entwickelte Programm nutzt eine erweiterte Version der Grafikengine aus dem U-Boot-Spiel AquaNox 2 - Revelation. Die Engine hört auf den Namen Krass und unterstützt mittlerweile auch Pixelshader 2.0-Effekte. Darüberhinaus kommen noch Pixelshader der älteren Version 1.1 sowie 1.4, weiterhin auch die Vertexshader 1.1, zum Einsatz. Angereichert mit einigen schönen Effekten wie zum Beispiel einem verbesserten Partikelsystem soll dies laut den Entwicklern der erste DirectX 9-fähige Reality-Benchmark der Welt sein.
  
  
• Download: AquaMark3.com [8]

Spielebenchmarks

Age of Empires 3

• Wohl kaum ein Strategiespiel wie „Age of Empires“ und dessen Nachfolger haben aufgrund deren Erfolge Geschichte unter den PC-Spielern geschrieben. Nun erscheint der dritte Teil der Serie, welcher mit einer für Strategietitel atemberaubenden Grafik erscheint, die dazu modernste Techniken wie das Shader-Model 3.0 und gar High-Dynamic-Range-Rendering unterstützt. Wir spielen für die Messungen eine einminütige Sequenz ab, die dem realen Spielablauf entspricht und mehrere Explosionen sowie einen Kampf mit vielen Einheiten zeigt. Alle Details werden auf das Maximum gesetzt, womit auch HDRR genutzt wird. Allerdings sind jene Modi nicht gleichwertig, da bei nVidia-Grafikkarten hochwertiges FP16-HDR zum Einsatz kommt, während die ATi-Pendants der X1000-Serie nur INT10-HDR liefern. Dementsprechend funktioniert auf den ATi-Karten normales MSAA, bei den nVidia-GPUs wird hingegen ein 1,5xSSAA-Modus benutzt. Die Bildqualität ist jedoch im normalen Spielablauf vergleichbar. Die X8x0-Reihe kann in Age of Empires 3 keinerlei HDRR darstellen (Shader-Details kann nicht auf „Very High gestellt werden), weswegen die Performance von Grund aus deutlich höher ist.

Battlefield 2

• Battlefield ist wohl zweifellos eines der beliebtesten und meist gespielten Multiplayer-Spiele aller Zeiten. Der Nachfolger Battlefield 2 knüpft an das Erfolgsrezept an und kombiniert eine schicke Grafik mit einem relativ einfachen, aber sehr spaßigem Spielkonzept. Die Grafik überzeugt durch relativ moderne Shader-Effekte, lebt jedoch größtenteils durch aufwenige Texturen sowie einem überzeugenden Partikel- und Rauchsystem, wodurch eine dichte Atmosphäre erzeugt wird. Die Details werden für die Messungen auf das Maximum gestellt und wir setzen das Tool „BF2Bench“ [9] ein, da nur jenes realistische und reproduzierbare Ergebnisse erzeugt. Die mehrere Minuten lange Timedemo zeigt aus einer freien Kamerasicht mehrere Panzer-, Flugzeug- und Soldatengefechte.

Call of Duty 2

• Der Weltkriegsshooter „Call of Duty 2“ besticht nicht nur mit einer dichten Atmosphäre und einer Menge Spielspaß, auch die Grafik weiß zu gefallen. So wurde für das Spiel eine komplett neue Grafik-Engine geschrieben, bei welcher die Entwickler viele „Grafikregister“ gezogen haben. So setzt das Spiel auf viele Shader-Effekte und ist dank der hervorragenden Texturen und den sehr guten Gesichtsanimationen eine Augenweide. Am meisten beeindruckt in dem First-Person-Shooter die Rauch- und Nebeldarstellung, die wahrlich einzigartig ist – solch einen realistischen Rauch gab es bis jetzt in keinem PC-Spiel. Doch die Grafikpracht fordert ihren Tribut an den 3D-Beschleuniger und frisst die vorhanden Ressourcen der GPU wie zum Frühstück. Zudem ist Call of Duty 2 eines der ersten Spiele, die von einem 512 großen VRAM profitieren können. Die von uns ausgesuchte Timedemo zeigt einen Abschnitt aus der „Russenkampagne“, die vor allem durch die Darstellung des Schnees sowie der Landschaft extrem Hardwarefordernd ist. Mehrere Schusswechsel und Rauchgranaten sind mit von der Partie, weswegen sich die Timedemo sehr gut für einen Testparcours eignet.

Doom 3

• Angst? Schock? Dunkelheit? Grafikpracht? All dies gibt es wohl zu Genüge im Gruselshooter Doom 3. John Carmack, einer der Chefentwickler des Spiels und eine legendäre Persönlichkeit, wenn es um spektakuläre Grafik-Engines geht, hat bei seinem neuesten Werk die größte Aufmerksamkeit den Stencil-Schatten gewidmet. Dementsprechend dunkel ist das gesamte Spiel, damit die schablonenartigen Schatten gut auf den Spieler wirken. Aber dies waren noch nicht genug Effekte für den Entwickler ID-Software. So macht Doom 3 auch Gebrauch von den Pixelshader-Einheiten der Grafikkarten und setzt ebenfalls massiv auf Bump Mapping sowie Normal Maps. Zwar sind die Texturen verbesserungswürdig, aber trotzdem gehört Doom 3 zu den anspruchsvollsten Titeln des Jahres 2004 und ist somit prädestiniert für unseren Benchmarkparcours. Das Spiel setzt ID-typisch nicht auf DirectX als API, sondern auf OpenGL.

Fear

• Doom 3 bekommt Konkurrenz – und was für Eine! Die Programmierer des neue Gruselshooters F.E.A.R. scheinen sich Doom 3 als großes Vorbild ausgesucht zu haben, wobei man allerdings fast alles besser zu machen scheint. Unter anderem wird die sehr beklemmende Atmosphäre durch eine Grafikqualität erreicht, die ihres Gleichen sucht. Shadereffekte in Massen, wunderschönes Bump-Mapping, sehr spektakuläre Schattenwürfe, detaillierte Texturen sowie hübsch aussehende Partikeleffekte und noch vieles mehr bekommt der Spieler zu Gesicht, weswegen F.E.A.R. bereits Pflicht für einen guten Benchmark-Parcours geworden ist. Wir verwenden mittlerweile für diese Zwecke die Vollversion, die über eine integrierte Benchmarkfunktion verfügt. Jene zeigt ein Gefecht sowie eine größere Explosion, die durch eine frei bewegende Kamera aufgenommen worden sind. Die Details sind, mit Ausnahme der Soft-Shadows, auf das Maximum gesetzt.

HL2: Lost Coast

• Half-Life 2 ist wohl zweifellos aufgrund seines legendären Vorgängers eines der meist erwarteten Spiele aller Zeiten gewesen. Nun ist es da und begeistert nicht nur in spielerischer Hinsicht, sondern auch durch seine Grafik, die unter anderem durch massiven „Shader Model 2.0“-Einsatz ermöglicht wird. Einige Monate nach der Erscheinung brachte Valve die kostenlose Technologiedemo „Lost Coast“ auf den Markt, die als Besonderheit High-Dynamic-Range-Rendering unterstützt und somit nicht nur einen deutlich höheren Lichtumfang sowie Lichtdynamik bietet, sondern auch die Hardware bis auf das Äußerste fördert. Valve hat dabei jedoch auf die Kompatibilität zu älteren Grafikkarten geachtet und setzt deswegen eine „minderwertige“ Form des HDRR ein, die nicht die optimale Bildqualität liefert. So liegen zwar die Texturen im FP16-Format vor – beziehungsweise INT16 für Grafikkarten ohne FP-Filtering –, allerdings verzichtet Valve auf FP16-Blending. Aus diesem Grund können auch X8x0-Grafikkarten in Lost Coast HDRR darstellen. Die selber erstellte Timedemo zeigt mehrere Feuergefechte mit Soldaten sowie einem Hubschrauber und verdeutlicht eindrucksvoll den optischen Gewinn durch HDRR.

Quake 4

• Die bekannte Quake-Reihe von ID-Software ist jedes mal ein Highlight für einen „First Person Shooter“-Fan, da die Spiele nicht nur einen hohen Unterhaltungswert bieten, sondern auch mit einer Grafikpracht daherkommen, die des öfteren die Messlatte ein gutes Stück höher legt. Die aktuelle Version, Quake 4, wurde allerdings von Raven Software programmiert und nutzt eine leicht weiterentwickelte Doom-3-Engine. Somit liegt die Grafik auf einem hohen Niveau, kann aber keine neue Maßstäbe setzen. Nichtsdestotrotz bietet das Spiel mit aufwenigen Charaktertexturen und vielen Schattenspiele einiges fürs Auge. Die ausgesuchte Timedemo zeigt mehrere Feuergefechte sowie spektakuläre Schatten- und Farbspiele. Anzumerken wäre ein Bug, der sich in die Timedemo-Funktion von Quake 4 eingeschlichen hat, welcher in Doom 3 noch nicht vorhanden war. So werden keine Charakterschatten dargestellt, ebenso fehlen ein Groß der Waffeneffekte. Dementsprechend liegt das Level der Bilder pro Sekunde im richtigen Spielmodus ein Stück unter unseren Ergebnissen.