Grafikkarte im Tempo-Streit (ausführlicher Test)

Die neuste Nvidia-GPU "Geforce GTX 680"mit dem Codenamen Kepler wurde von der Community heiß erwartet. Die wildesten Gerüchte kursierten im Internet: Manche behaupteten, dass der kommende Grafikprozessor nur um einen geringeren Prozentsatz schneller ist als die Geforce GTX 580. Wieder andere bescheinigten der Grafikkarte astronomische Leistungswerte, welche die AMD Radeon HD 7970 um Längen übertreffen. Nvidia selbst hüllte sich in Schweigen und ließ nicht den Hauch einer offiziellen Information nach Außen dringen.

Den Grafikprozessor Geforce GTX 680 lässt Nvidia - ebenso wie AMD - nun im effizienten 28-Nanometer-Verfahren fertigen. Kurz zusammengefasst ermöglicht das neue Produktionsverfahren mehr Transistoren auf kleinerer Fläche bei gleichzeitiger Zunahme der Rechenleistung und Senkung des Energieverbrauchs. AMD zeigt, dass sich die versprochene Energieeffizienz auch in der Praxis bewahrheitet. Die Messung der Leistungsaufnahme der GTX 680 zeigt, dass sich die neue Architektur auch für Nvidia gelohnt hat. Apropos kleinere Flächen: der Grafikchip misst nur noch rund 294 Quadratmillimeter und ist damit auch kleiner als der bis dato komplexeste Chip in der AMD Radeon HD 7970: die Tahiti-GPU ist 380 Quadratmillimeter groß. Dagegen verbaut AMD mit rund 4,3 Milliarden Stück mehr Transistoren auf seiner GPU. Nvidia platziert nur über 3,5 Milliarden Transistoren.

Kepler ist aber keine von Grund auf neu zusammengebaute GPU, sondern basiert auf dem Vorgänger Fermi. Der Grafikprozessor selbst setzt sich aus vielen verschiedenen Blöcken zusammen, wobei jeder Block eine eigene spezifische Aufgabe bei der 3D-Berechnung übernimmt. Weiterhin erledigen aber die GPCs (Graphics Processing Clusters) den Löwenanteil und verfügen über dedizierte Ressourcen für die Rasterung, das Shading und die Berechnung von Texturen und Rechenaufgaben. Innerhalb der Kepler-GPCs befinden sich die neuen Streaming-Multiprozessoren (kurz SMX) der nächsten Generation. Diese sollen gegenüber den älteren Fermi-Streaming-Prozessoren nicht nur mehr leisten, sondern auch noch sparsamer im Verbrauch sein.

Innerhalb der SMXs befinden sich die wichtigsten Komponenten der Grafikverarbeitung. Die SMX-Cuda-Kerne sind für die Physik- und den unterschiedlichen Pixel-Berechnungen zuständig. Die Textur-Einheiten sorgen für die Verarbeitung der Texturen und deren Ablage in den Grafikspeicher. Die Einheiten mit dem Namen Special Function Unit (SFU) kümmern sich um transzendentale und Grafik-Interpolations-Anweisungen. Schlussendlich ist die Polymorph-Engine verantwortlich für Vertex Fetch, Tesselation und Viewport-Transform. All diese Funktionseinheiten berechnen die hochkomplexen 3D-Effekte moderner PC-Grafik.

Im Vergleich zu Fermi soll Kepler natürlich vor allem leistungsfähiger sein. Nvidia verbaut mehr Cuda-Kerne, die auf diese Weise eine bessere Performance bei niedrigeren Taktraten leisten sollen. Mit jeweils 192 Cuda-Cores in je acht SMXs enthält Kepler sechs Mal mehr Berechnungseinheiten als noch der Vorgänger Fermi bei doppelter Leistungssteigerung (Leistung geteilt durch Watt).

Natürlich haben die Entwickler auch am Speicherinterface getüftelt und es komplett überarbeitet. Laut Nvidia erreicht die Geforce GTX 680 mit seinem 256 Bit großen Interface und einem 2 GB großen DDR5-Speicher nun Speichergeschwindigkeiten von bis zu 6 GBits/s, was Kepler zum Grafikchip mit dem höchsten Speicherdurchsatz auf dem Markt machen würde.

Features

GPU-Boost:

AMD verbessert mit der AMD Radeon HD 7970 auch seinen Overclocking-Lösung Powertune. Nvidia zieht auch hier nach und führt mit der Geforce GTX 680 die Funktion GPU Boost ein. Wie der Name schon erkennen lässt übertaktet die Grafikkarte sich nun selbst bei Bedarf. GPU Boost ist eine Kombination aus Software- und Hardware-Techniken und passt den Prozessortakt dynamisch an die jeweiligen Betriebsbedingungen an, während eine dedizierte Hardware-Komponente fortlaufend die Stromaufnahme des Grafikprozessors überwacht. Hier begrenzt also - neben der thermischen Schutzfuktion - nur noch der Stromverbrauch das Overclocking. Praktisch setzt Nvidia GPU Boost folgendermaßen um:

Liegt die Leistungsaufnahme der Grafikkarte unter dem TDP (Thermal Design Power) von 195 Watt, taktet sie sich vom 1006 MHz hohen Grundtakt hoch auf den Durchschnittstakt von 1058 MHz, der übrigens schon 5 Prozent mehr Leistung bringen soll. Doch Schluß ist damit noch nicht, da sich der Takt ab diesem Zeitpunkt dynamisch stufenweise weiter erhöht. Erreicht die GTX 680 den von Nvidia gesteckten TDP, taktet sich der Prozessor wieder herunter. Auf diese Weise soll die Karte im Energieverbrauch drastisch sinken und dem bisherigen Stromfresser-Image der Vorgänger-Generation ein Ende setzen.

Adaptive VSync:

Als Tearing bezeichnet man ein versetztes Bild, etwa eine verschobene obere Bildhälfte, die oft bei schnellen Richtungswechseln in 3D-Spielen auftreten kann. Die Ursache liegt in unterschiedlichen Bildwiederholraten von Grafikkarte und Monitor. Die Vertikale Synchronisation passt die Werte an, bevor sie den Monitor erreichen. Doch kaum ist das eine Problem beseitigt, folgt das nächste: So stottert beispielsweise bei einem 60-Hertz-LCD bei eingeschalteten VSync das Bild, sobald die Bildwiederholrate unter 60 Bilder pro Sekunde fällt, da VSync die Hertz-Zahl des Monitors auf 30 Hz reduziert. Genau das möchte Nvidia mit Adaptive VSync verhindern. Die Technik steuert VSync dynamisch und schaltet es bei Bildwiederholraten von unter 60 Bildern in der Sekunde einfach ab, um das Stottern zu vermeiden - ab dieser Grenze ist die Synchronisation eingeschaltet, um das Tearing zu verhindern.

TXAA:

Diese spezielle Technik soll eine filmreife Kantenglättung auf den Bildschirm zaubern. Nvidia zufolge ist TXAA eine Mischung aus Software- und Hardware-Kantenglättung, die teilweise auch Komponenten von computeranimierten Filmen nutzt. Das Anti-Aliasing kommt in zwei Stufen zum Einsatz: TXAA 1 soll besser glätten als achtfaches MSAA, dabei aber nur die Leistung von zweifachem MSAA benötigen. TXAA 2 dagegen soll eine noch bessere Kantenglättung als die erste Stufe ermöglichen und dabei nur auf Kosten von vierfachem MSAA kommen. Bald erscheinende PC-Games sollen erstmals TXAA nutzen, wie zum Beispiel Borderlands 2 oder auch die Unreal Engine 4.

3D Vision Surround:

Mit einer Nvidia Geforce GTX 680 ist es nun möglich, bis zu vier Bildschirme gleichzeitig zu betreiben. Gamer können sich also drei Bildschirme nebeneinander stellen und im stereoskopischen 3D daddeln (Nvidia 3D Vision). Der vierte Screen kann bei Bedarf zugeschalten werden. Zusätzlich unterstützt die GTX 680 HDMI 1.4a und die 4K-Auflösung (3840 x 2160 Pixel) sowie die parallele Übertragung von Audio-Signalen.

NVENC:

Schon vorherige Nvidia-Grafikkarten verfügten über einen Hardware-Videodecoder. Diese nutzen die Leistung der Cuda-Kerne, was sich einerseits als recht effektiv herausstellt, doch auf der anderen Seite auch viel Leistung frisst. NVENC ist eine dedizierte Encodierungs-Engine und soll damit aufräumen: die neue Engine soll nicht nur vier Mal schneller encodieren, sondern dabei auch noch weniger Energie verbrauchen.

Ebenso wie AMD führt Nvidia mit der GTX 600 nun auch die neue Grafikschnittstelle DirectX 11.1 ein. Des Weiteren kommuniziert sie auch über PCI-Express 3.0, um einen höheren Datendurchsatz gegenüber der Vorgänger-Generation PCI-Express 2.0 zu gewährleisten.

Testergebnisse

Nvidias Kepler verspricht viel und auch die Präsentation strotzt voller Stolz, gewürzt mit leichter Arroganz gegenüber der Konkurrenz. Doch kann die Geforce GTX 680 den Versprechungen auch gerecht werden? Lassen Sie uns schnell von der Theorie in die Praxis gehen und endlich die neuen Features ausprobieren und die Grafikkarte auf Herz und Nieren testen. Denn sollten die Behauptungen stimmen, ist die neue Nvidia-Karte wirklich die schnellste Grafikkarte überhaupt und AMD sollte sich schnell wieder hinter den Schreibtisch setzen und an einer neuen GPU tüfteln. Sind AMDs Zeiten wirklich vorbei, sich auf dem Grafik-Thron zu räkeln und von Südsee-Inseln zu träumen?

Wie eingangs erwähnt verfügt die Nvidia Geforce GTX 680 über einen Grund-Prozessortakt von 1.006 MHz. Der Boost Clock bezeichnet den durchschnittlichen Takt von 1.058 MHz, der bei unterschrittenem TDP zum Einsatz kommt. Bisher konnten sich nur die AMD Radeon HD 7870 und die Radeon HD 7770 als die ersten Grafikkarten mit einem GPU-Takt von 1 GHz im Referenzdesign brüsten, doch Nvidia setzt noch glatte 6 MHz drauf. Es hat fast den Anschein, als möchte Nvidia mit der gering höheren Taktzahl AMD einfach nur eins auswischen , da nun die GTX 680 den stärksten Grund-Takt auf den Markt aufweist.

Der physikalische Speichertakt des 2 GB großen DDR5-Speichers beläuft sich auf 1.502 MHz. Die Größe des Speicherinterface beträgt 256 Bit. Im Hinblick auf die AMD Radeon HD 7970 beeindrucken die Ausstattungs-Werte nicht, da deren Flaggschiff auf einen großen 3 GB DDR5-Speicher über ein 348 Bit Interface zugreift. Der Speichertakt dagegen ist mit 1375 MHz etwas niedriger. Die Nvidia Geforce GTX 680 mausert sich mit einer effektiven Speichergeschwindigkeit von 6 Gbit/s zur Grafikkarte mit dem zur Zeit schnellsten Speicherdurchsatz. Zum Vergleich: Die AMD Radeon HD 7970 kommt auf etwa 5,5 Gbit/s.

Nvidia verbaut in der Geforce GTX 680 1536 Shader-Einheiten, die sich durch einen Shader-Takt von ebenfalls 1.006 MHz auszeichnen. Nvidia hat auf die Verdopplung des Shader-Takts verzichtet, wie es bei den Vorgängergenerationen eigentlich immer der Fall war. Wieder zum Vergleich: Der Shader-Takt der Radeon HD 7970 liegt bei 925 MHz bei 2.048 integrierten Shader-Einheiten. Die Geforce GTX 580 rechnet mit 512 Shadern bei einem Shader-Takt von 1.002 MHz.

Für die Bildausgabe sorgen folgende Schnittstellen: zwei Mal DVI, einmal HDMI und einmal ein Displayport. Auf diese Weise lassen sich an der Geforce GTX 680 bis zu vier Monitore parallel betreiben. AMD-Fans können darüber nur lächeln, da sie mit ihren Grafikkarten der Radeon HD 7000-Generation dank Eyefinity 2.0 und den entsprechenden Anschlüssen gleich sechs Monitore anschließen können. Bei beiden Grafikkarten lassen sich aber die Audiosignale gleichzeitig und unabhängig voneinander senden. Alleine von der Ausstattung her kann die Nvidia Geforce GTX 680 den AMD-Boliden also nicht immer überbieten - es bleibt also abzuwarten, was der Grafik-Hersteller aus der verbauten Hardware letztendlich herausholt.

Die Königsdisziplin einer Grafikkarte ist immer noch die Berechnung und Beschleunigung von 3D-Grafik für Computerspiele. Die AMD Radeon HD 7970 gilt als die bislang schnellste Einprozessor-Grafikkarte auf den Markt und beeindruckt mit konkurrenzlosen Werten - bis jetzt. In Battlefield 3 ergeben sich mit den Ultra-Settings und unter Full-HD-Auflösung durchschnittlich 54 Bilder pro Sekunde, die Radeon HD 7970 48 Bilder pro Sekunde. Auch unter Dirt 3 steckt die GTX 680 den Konkurrenten in die Tasche: Die 7970 legt mit 92 Bilder pro Sekunde zwar sehr gut vor, doch auch hier überbietet die GTX 680 die Spiele-Leistung mit pfeilschnellen 117 Bildern in der Sekunde. Im Strategiespiel Anno 2070 geben sich die beiden Grafikkarten nicht viel, da sie beide konstant flüssige 60 Bilder pro Sekunde abliefern. Der synthetische DirectX-11-Benchmark 3D Mark 11 fordert viel Leistung im Extreme-Modus und misst bei der GTX 680 beeindruckende 3128 Punkte - die 7970 ist damit um genau 380 Punkte geschlagen. Die Nvidia Geforce GTX 680 überholt die AMD Radeon HD 7970 in der Spiele-Leistung durchschnittlich um knapp 11 Prozent. Hier haben die Nvidia-Ingenieure gute Arbeit geleistet und das Maximum aus der Hardware gekitzelt.

Der neue NVENC-Decoder ist beim Transcodieren von Full-HD-Material ins mobile iPad-Format ebenfalls schneller: für WMV-Dateien benötigt er nur 26 Sekunden, für H.264-Filmchen nur 34 Sekunden. Die 7970 ist damit auch wieder abgehängt, da sie mit 29 Sekunden für WMV-Dateien und 49 Sekunden für H.264-Dateien mehr Zeit in Anspruch nimmt. Des Weiteren entlastet der Grafikprozessor die CPU des Systems ebenfalls etwas besser als die Konkurrenz: der Haupt-Prozessor ist nur zu 4 Prozent ausgelastet, bei der 7970 sind es 5 Prozent.

Nur die OpenGL-Leistung der Geforce GTX 680 lässt zu wünschen übrig. Mit 51,32 Bilder pro Sekunde unter Cinebench 11.5 bekleckert sich die Karte nicht mit Ruhm. Denn die Radeon HD 7970 kommt auf vorbildliche 78,32 Bilder pro Sekunde.

Ergonomie

Nvidia hat auch das Kühldesign der Geforce GTX 680 überarbeitet. Speziell geformte Aluminium-Finnen des aufgesetzten Kühlblocks sollen für einen besseren Luftstrom sorgen. Die eingesetzten Heatpipes verhelfen zur Wärmeabfuhr und dämmende Materialien halten die Lautstärke in einem erträglichen Maß - soweit in der Präsentation von Nvidia. Doch all den Behauptungen zum Trotz merken wir im Test nicht viel vom "Quiet Gaming" (Leisen Spielen): mit 3,6 Sone unter Vollast macht sich die Karte deutlich bemerkbar. Damit liegt sie auf dem gleichen Niveau wie der Vorgänger, der Geforce GTX 580. Allerdings hat sich die Lautheit im Leerlauf mit gemessenen 0,6 Sone etwas verbessert, womit die Grafikkarte nicht auffällig laut dreht.

Doch die Lautstärke-Werte sind immer noch besser als die des Referenzdesigns der AMD Radeon HD 7970, die mit unakzeptablen 5 Sone unter Last unüberhörbar ist. Die Temperatur-Werte sind referenztypisch nicht gerade vorzeigbar. Unter Last heizt sich die GTX 680 auf 71 Grad Celsius auf, im Leerlauf sind es noch vertretbare 37 Grad Celsius, die 7970 kommt auf vergleichbare Werte. Hier sind die Serien-Hersteller wie Asus, Gigabyte oder MSI gefragt, die mit ihren eigenen Kühllösungen erfahrungsgemäß oft bessere Ergebnisse liefern. Hinweis: Die Messung der Lautstärke erfolgt mit einem Richtmikrofon in einer Entfernung von 50 Zentimetern.

Der Stromverbrauch der Nvidia Geforce GTX 680 soll sich nach Herstellerangaben auf maximal 195 Watt belaufen und benötigt deshalb auch nur zwei 6polige Stromanschlüsse. Die GTX 580 und die AMD Radeon HD 7970 müssen sich aufgrund des höheren TDPs über einen 8poligen und einen 6poligen PCI-Express-Stromanschluss mit Energie versorgen. Dank dem eingangs erwähnten Feature GPU Boost soll die Grafikkarte im Betrieb noch weniger Energie verbrauchen, da sich der Prozessortakt ja dynamisch verändert. Damit soll sie auch unter der Leistungsaufnahme der sowieso schon effizienten AMD Radeon HD 7970 liegen.

Wir unterziehen die Grafikkarten einem Härtetest und der fordernde Benchmark Furmark gibt Nvidia recht: Der maximale Stromverbrauch der Radeon HD 7970 liegt bei 369 Watt, bei der Geforce GTX 680 nur bei 328 Watt. Zwar sind beide Karten immer noch moderat im Verbrauch, doch Nvidia hat hier die Nase vor und bietet die effizientere Grafikkarte an. Der 28-Nanometer-Fertigungsprozess hat für die GTX 680 also Früchte getragen. Anders schaut es im DirectX-11-Benchmark 3D Mark 11 aus: hier unterliegt die Kepler-Karte mit 310 Watt zu 284 Watt der Tahiti-Grafikkarte von AMD.

3D Mark 11 führt in seinen verschiedenen Test-Szenarien auch einen sogenannten kombinierten Benchmark durch, der nicht nur die reine GPU, sondern auch die CPU nutzt. Deshalb stellt dieser Benchmark das typischere Nutzer-Verhalten dar. Furmark dagegen belastet den Grafikprozessor aufs Äußerste, die CPU hat dabei nicht viel zu tun. Daher entspricht Furmark nicht der alltäglichen Belastung einer Grafikkarte. Jedoch möchten wir die beiden Flaggschiffe an ihre Grenzen bringen und setzen dieses Mal zwei Benchmarks ein, um den Stromverbrauch zu messen und zu vergleichen.

Fazit

Die Test-Ergebnisse der Nvidia Geforce GTX 680 sprechen für sich: Nvidia hat sich den Platz auf dem 3D-Thron wieder verdient, indem der Hersteller mit der GTX 680 das derzeit qualitativ beste Gaming-Erlebnis bietet. Die Grafikkarte mit der neuen Kepler-GPU ist in ihrer Spiele-Leistung konkurrenzlos und verweist die bisherige Nummer 1, die AMD Radeon HD 7970, auf Platz 2 im Ranking der Einprozessor-Grafikkarten.

Zwar fällt der Unterschied bei diesen ohnehin schon flüssigen und hohen Bildwiederholraten nicht ins Auge, doch die GTX 680 ist einfach schneller und kann komplexe DirectX-11-Effekte besser verarbeiten und auf den Bildschirm bringen. Auch in Sachen Multimedia fährt die GTX 680 der Konkurrenz davon und decodiert dank der NVENC-Engine schneller.

Auch die neuen Features wie GPU Boost oder Adaptive VSync machen die Grafikkarte zu einer absolut spieletauglichen Grafiklösung. Nvidia sorgt auch für eine noch bessere Energieeffizienz als die Konkurrenz und punktet damit wohl auch bei umweltbewussten Spielern. Nur die Hitzeentwicklung der GTX 680 ist zu hoch und die Lautstärkemessung liefert keine so guten Werte - trotz Versprechungen von einem überarbeiteten Kühldesigns.

Der empfohlene Verkaufspreis beträgt für Europa rund 500 Euro und ist damit auch noch recht erschwinglich. Schließlich erhalten Sie brandneue Technik und viel Leistung, mit der Sie auch noch für künftige Spiele gerüstet sind. Vor allem Enthusiasten sollten hier zugreifen. In den nächsten Wochen jedoch dürften noch die etwas schwächeren, dafür aber günstigeren Mittelklasse-Modelle folgen. Hier wird es dann besonders für die breite Spieler-Masse interessant. (PC-Welt/tö)

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