Nvidia-GeForce-8-Serie

EVGA GeForce 8800 GTX

Die Nvidia-Geforce-8-Serie ist eine Serie von Grafikkarten, der Nachfolger der Geforce-7-Serie und damit die achte Generation mit dem Namen Geforce. Mit der Geforce-8-Serie führt Nvidia erstmal das Shadermodell 4.0 (SM 4.0) mit Pixel-, Geometrie- und Vertexshader 4.0 nach DirectX 10 ein. Mit ca. 681 Millionen Transistoren besaß die bei der Einführung schnellste Geforce-Karte 8800 GTX als erstes handelsübliches Grafikchipmodell mehr als 500 Millionen Transistoren. Die mobilen Grafiklösungen werden als Nvidia-Geforce-8M-Serie vermarktet.

Geschichte

Die Geforce-8-Serie wurde im Gegensatz zur Geforce-7-Serie nicht weitestgehend aus der Vorgängerserie heraus entwickelt, sondern in vielen Punkten komplett neu erstellt. Dabei äußerte sich Nvidia bezüglich der Unterstützung der Unified-Shader-Architektur so, dass die meisten Beobachter davon ausgingen, dass diese Technologie nicht unterstützt wird. So sprach Nvidias Chefarchitekt in einem Interview, dass Nvidia einen Chip mit Unified Shader erstellen würde, „sobald es sinnvoll ist“.^[1] Dass dies bereits in der Geforce-8-Serie implementiert wurde, war bis zum Release des ersten Grafikchips G80 nicht bekannt.

Die ersten beiden Grafikkarten auf Basis der neuen Grafikprozessoren wurden am 8. November 2006 auf den Markt gebracht. Dies waren die Geforce 8800 GTX mit 768 MB Grafikspeicher, sowie die Geforce 8800 GTS mit 640 MB. Bei der Performance konnten sich die Karten überraschend deutlich von der Vorgängerserie, sowie der ATI-Konkurrenz absetzten. So wies die Einkern-Grafikkarte Geforce 8800 GTS in etwa die Leistung der Dualkern-Grafikkarte Geforce 7950 GX2 auf,^[2] welche bis dahin die schnellste Karte auf dem Markt war. Im Februar 2007 folgte dann noch eine weitere Version der 8800 GTS mit einem Grafikspeicher von 320 MB und ansonsten gleichen Baudaten.

Nvidia Geforce 8600 GT mit G84-GPU

Am 17. April 2007 stellte Nvidia schließlich erste Geforce-8-Karten für Mainstream und Low-End vor, in Form der Geforce 8600 GTS, 8600 GT und der 8500 GT. Die 8600-Serie konnte die teilweise sehr hohen Erwartungen, welche vor allem durch die sehr erfolgreichen Vorgänger, der 6600-Serie und der 7600-Serie, sowie durch die hohen Leistungen der 8800-Serie geweckt wurden, nicht erfüllen, da die Leistung in Bezug auf die wichtigsten Teile der GPU nur etwa einem Viertel des High-End-Chips G80 entspricht. Im Gegensatz dazu waren die beiden Vorgänger G73 (7600) und NV43 (6600) jeweils halbierte Versionen der jeweiligen High-End-Chips.

Mit der Vorstellung der Geforce 8800 Ultra am 2. Mai 2007 drehte Nvidia wieder einmal an der Geschwindigkeitsschraube. Im Vergleich zur 8800 GTX wird dieses Modell mit höheren Taktraten ausgeliefert. Da allerdings auch ein neues Stepping verwendet wird, handelt es sich bei diesem Modell nicht um eine reine Erhöhung der Taktraten, vielmehr ist der Prozessor auch generell für höhere Taktraten ausgelegt. Im Gegensatz zu den bisherigen Grafikprozessoren der Geforce-8-Serie war die 8800 Ultra zur Vorstellung nicht sofort verfügbar, sondern es wurde ein sogenannter „Papierlaunch“ durchgeführt. So konnte die 8800 Ultra noch vor der Konkurrenzserie AMDs, der ATI-Radeon-HD-2000-Serie vorgestellt werden. Die offizielle Verfügbarkeit im Handel war von Nvidia auf den 15. Mai angegeben, vereinzelt war sie jedoch bereits kurz nach der Präsentation lieferbar.

Eine Woche später, am 9. Mai 2007, wurden dann die ersten mobilen Grafiklösungen auf Basis der Geforce 8 vorgestellt, die Geforce-8M-Serie. Präsentiert wurden allerdings zunächst nur Low-End- und Midrange-Modelle, was auf den Umstand zurückzuführen ist, dass nicht mehr besonders angepasste Grafikprozessoren, sondern „normale“ GPUs verwendet werden. High-End-Modelle würden hier jedoch zu viel Strom verbrauchen. Später folgten leistungsfähigere mobile Grafiklösungen.

Gegen die Konkurrenz in Form der Radeon HD 2400 Pro auf dem Einsteigermarkt richtete man dann am 19. Juni 2007 die Geforce 8400 GS, welche auf dem G86-Chip basierte. Auch diese Grafikkarte wurde vor der großflächigen Verfügbarkeit des Konkurrenzmodells präsentiert, was bereits bei den anderen Grafikeinheiten der gesamten Serie passierte. Nvidia legte dabei den Schwerpunkt auf firmeneigene Vergleiche, um die Leistungsfähigkeit des Produktes zu dokumentieren.

Ein knappes Jahr nach der Einführung des G80 und ein halbes Jahr nach der Einführung des G84 und G86 wurde mit der Präsentation der „Geforce 8800 GT“ am 29. Oktober 2007 die Refreshgeneration eingeleitet. Die Grafikkarte basiert auf dem neu entwickelten G92-Grafikchip, der zwar ähnlich viele Ausführungseinheiten wie der G80 hat, von seinem Aufbau her aber eher dem G84 und G86 ähnelt. Auf dem G92 sind wie im G84 und G86 genau so viele Texture Addressing Units (TAUs) wie Texture Mapping Units (TMUs) vorhanden, während beim G80 die TMUs und TAUs ein 2:1 Verhältnis bilden. Zudem unterstützt der G92 genau so wie G84 und G86 die PureVideo HD-Technik der zweiten Generation. Neu eingeführt wurde mit dem G92 die PCIe-2.0-Schnittstelle, die aber zum früheren PCIe abwärts kompatibel ist. Da Nvidia die Geforce 8800 GT mit sehr hoher Texelfüllrate und Arithmetikleistung ausliefert, ist sie schneller als die ältere Geforce 8800 GTS, sofern die kleinere Bandbreite und der kleinere Speicherausbau (im Vergleich zur 640-MB-Version) nicht zum Performancelimit werden.

Am 11. Dezember 2007 stellte Nvidia zudem eine Geforce 8800 GTS mit dem neuen G92-Grafikprozessor vor, die aufgrund höherer Taktraten und mehr aktiven Einheiten die 8800 GT, bzw. in einigen Anwendungen bei kleiner Auflösung auch die 8800 GTX und 8800 Ultra leistungsmäßig hinter sich lassen kann.

Ohne Ankündigung wurde im gleichen Monat zudem noch der G98-Kern auf den Markt gebracht und ist auf Grafikkarten mit der Bezeichnung „Geforce 8400 GS“ zu finden. Auch unter diesem Namen wurden bisher andere Grafikkarten verkauft, so dass eine Unterscheidung nur sehr schwer möglich ist.

Die Grafikchips konkurrieren neben der Radeon-HD-2000-Serie mit der ATI-Radeon-HD-3000-Serie von AMD, die ihrerseits DirectX 10.1 unterstützt.

Technisches

Unified Shader

Bei der Geforce-8-Serie kommen erstmals Unified Shader zum Einsatz. Die Evolution der Technik hat dazu geführt, dass man nicht mehr wirklich nach Quads im herkömmlichen Sinne unterscheiden kann, da es keine Rendering-Pipelines mehr gibt. Jedoch existieren weiterhin Verbundeinheiten, nämlich die Shader-Cluster und die ROP-Partitionen (Raster Operation Processor Partitionen), welche eine gute Skalierung der Geforce-8-Serie ermöglichen. Die Aufgaben der Pixelpipelines, Vertex- und Pixel-Shader aus den Rendering-Pipelines übernehmen jetzt sogenannte Streamprozessoren (SPs). Je 16 Streamprozessoren sind in einem Shader-Cluster zusammengefasst.

In einer Takteinheit kann ein Streamprozessor maximal eine Addition-Operation (ADD) und zwei Multiplikations-Operationen (MUL) durchführen. Dabei wurde bei Grafikshaderberechnungen mit einer früheren Treiberversion als dem ForceWare 158.19 keine zweite MUL-Operation ausgeführt. Mit neueren Treibern kann die zweite MUL-Berechnung zwar zu Teilen auch für Shaderberechnungen genutzt werden, jedoch müssen über die MUL-Operation weiter Sonderfunktionen ausgeführt werden. Daher wird, anders als bei vielen Verwendungen der Grafikkarte als GPGPU, die maximale Rechenleistung über die Streamprozessoren nie erreicht und liegt in der Praxis bis zu einem Drittel unter diesem Maximalwert.

Leistungsaufnahme

Die Geforce 8800 GTX war die erste PCI-Express-Grafikkarte mit einem Grafikprozessor, die über zwei 6-Pin-Stromanschlüsse verfügte. Sie konnte den Negativrekord im höchsten Stromverbrauch bei ihrer Vorstellung für sich verbuchen und bis zur Vorstellung der Geforce 8800 Ultra halten. Die Geforce 8800 Ultra wiederum hielt diesen Negativrekord nur für kurze Zeit und zwar bis zur Vorstellung der ATI Radeon HD 2900 XT. Bei der Vorstellung der Geforce 8800 GTX wurde sie vielerorts für ihre hohe Leistungsaufnahme kritisiert, allerdings auch gelobt für ihre hohe Grafikleistung und die relativ leise Kühllösung, die allerdings zwei Slots belegt. Kritisiert wurde auch, dass der G80 keinerlei Stromsparfunktionen besitzt, so dass nicht einmal die Taktfrequenz im 2D-Modus gesenkt wird, wie das bei den Vorgängern üblich war.

Die hohe Leistungsaufnahme führt dazu, dass für die Geforce-8800-Serie auch leistungsfähige Netzteile notwendig sind. So wird für die Geforce 8800 GTX und Geforce 8800 Ultra ein Netzteil mit mindestens 30 Ampere auf der 12-Volt-Schiene (am besten mit zwei PCIe-Stromanschlüssen 6-Pin-Anschlüsse) empfohlen. Für die Geforce 8800 GTS setzte Nvidia die Mindestanforderung auf ein Netzteil mit 26 Ampere bei 12 Volt und einem PCIe-Stromanschluss. Diese Mindestanforderungen sind jedoch sehr vorsichtig gewählt.

Fehler im Speichermanagement

Die Grafikkarten und mobilen Grafikchips der Geforce-8-Serie wurden mit Treibern ausgeliefert, die einen Fehler im Speichermanagement besaßen. Dieser von Nvidia als VRAM-Bug bezeichnete Fehler führt dazu, dass immer weiter Daten in den Grafikspeicher geladen werden, so dass dieser irgendwann überfüllt ist. Dann müssen Texturen und ähnliche Dateien ausgelagert werden, wodurch die Leistung stark abnimmt. Im Normalfall sollten vorher nicht mehr benötigte Dateien aus dem Grafikspeicher entleert werden, dies passiert bei der Geforce-8-Serie nicht.

Aufgrund des hohen Speicherausbaus der ersten erschienenen Grafikkarten (640 MB bei der Geforce 8800 GTS und 768 MB bei der Geforce 8800 GTX) wurde dieser Fehler in den ersten Monaten nicht bemerkt. Erst mit dem Release der Geforce 8800 GTS mit 320 MB traten Unstimmigkeiten auf, diese Grafikkarte ist auch am stärksten von diesem Fehler betroffen. In diversen Tests lag diese Grafikkarte gegenüber älteren Grafikkarten Nvidias und Modellen AMDs mit langsameren Grafikprozessoren und nur 256 MB Speicherausbau zurück, obwohl sie technologisch überlegen war. In weiteren Tests wurde dann eindeutig festgestellt, dass die Leistungsfähigkeit stark von der Speichernutzung abhängt. Insbesondere bei den 256-MB-Modellen der Geforce 8600 GT und GTS wurden noch größere Unterschiede festgestellt, durch theoretische Überprüfungen ließ sich jedoch feststellen, dass jede Grafikkarte der Geforce-8-Serie diese Fehler besitzt.

Nvidia reagierte und versprach einen Treiber, der das Problem lösen sollte. Dieser verzögerte sich jedoch mit der Begründung, dass ein „Problem komplexer Natur“ vorliege. Ende August 2007 stellte Nvidia dann ohne weitere Ankündigung den Beta-Treiber ForceWare 163.44 bereit, dem viele Internet-Magazine unterstellten, er löse das VRAM-Problem. Dies geschah meist auf Grundlage eigener Tests, nachdem die Geforce 8800 GTS mit 320 MB in getesteten Spielen deutlich schneller wurde, die Geforce 8800 GTS mit 640 MB allerdings keine Unterschiede zeigte. Wie jedoch Nvidia auf Nachfrage mitteilte, sei in diesem Treiber der Fehler nicht behoben, die Leistungssteigerungen seien auf Änderungen zurückzuführen, die den VRAM-Bug etwas abschwächten. So sei die Speicherkompression überarbeitet worden, wodurch beim Speicherüberlauf nicht mehr so viel Leistung verloren gehe. Außerdem würden in Stalker die Texturen anders verwaltet, was dortige Leistungssteigerungen erkläre. Laut dem Technical Marketing Analyst Nvidias, James Wang, wird der nächste offizielle Treiber die Fehler im Speichermanagement beheben. ^[3] Mittlerweile sind zwei weitere offizielle Treiberversionen erschienen, der VRAM-Bug ist aber noch immer nicht behoben.

Der G92-Grafikprozessor, der auf der Geforce 8800 GT und auf der im Dezember 2007 vorgestellten Geforce 8800 GTS zum Einsatz kommt, stellt eine Weiterentwicklung der G8x-Chipserie dar. Da er gegenüber dieser diverse Veränderungen erfahren hat, ist es möglich, dass der VRAM-Bug ebenfalls behoben wurde, Belege hierfür stehen bisher aber noch aus.

Weitere Funktionen

Sämtliche Grafikkarten der Geforce-8-Serie unterstützten die CUDA-Technik. Des Weiteren unterstützt die Serie eine Videotechnik, die Nvidia PureVideo HD genannt wird und das Decodieren ganz oder teilweise dem Hauptprozessor abnehmen kann. Alle Grafikprozessoren ohne einen integrierten Videoprozessor unterstützen lediglich die erste Version, alle anderen mindestens die zweite.

Grafikprozessoren

Übersicht Grafikchips der Nvidia-Geforce-8-Serie

Grafikchip	Fertigung			Einheiten						DirectX / OpenGL Version	Video- prozessor	Schnitt- stelle
	Prozess (in nm)	Transistoren (in Mio.)	Die-Fläche (in mm²)	ROP- Partitionen	ROPs	Unified-Shader		TAUs	TMUs
						Stream- prozessoren	Shader- Cluster
G80	90	681	484	6	24	128	8	32	64	10.0 / 2.1	-	PCIe
G84	80	289	169	2	8	32	2	16	16	10.0 / 2.1	VP2	PCIe
G86	80	210	115	2	8	16	1	8	8	10.0 / 2.1	VP2	PCIe
G92	65	754	324	4	16	128	8	64	64	10.0 / 2.1	VP2	PCIe 2.0
G98	65	k. A.	86	1	4	8	0,5	8	8	10.0 / 2.1	VP3	PCI, PCIe 2.0

Namensgebung

Bei der Geforce-8-Serie kommt das gleiche Bezeichnungsschema wie seit der Geforce-6-Serie zum Einsatz. Alle Grafikchips werden mit einer vierstelligen Nummer bezeichnet, die generell mit einer „8“ (für Geforce 8) beginnt. Die zweite Ziffer teilt dann die Familie in verschiedene Marktsegmente auf. Die dritte und vierte Ziffer dienen zu einer weiteren Diversifizierung. Zusätzlich zu den diskreten Grafikchips integriert Nvidia auch Grafikkerne auf Basis der Geforce-8-Serie in den Chipsätzen der Serie nForce 700, diese werden unter den Namen Geforce 8200 und Geforce 8300 vermarktet.

Aufteilung:

• 82xx/83xx: integrierte Grafikeinheiten in nForce-700-Chipsätzen (siehe ebendort)
• 84xx/85xx: Low-End
• 86xx: Mainstream
• 88xx: Performance und High-End

Buchstabenkürzel

• GS - Schwache Budgetversion
• GT - Starke Version
• GTS - Im Mainstream-Segment mit der GT die leistungsfähigste Version
• GTX - Sehr starke Version (nur im High-End-Segment)
• Ultra - Leistungsstärkstes Modell (nur im High-End-Segment)

Dieses Schema lässt sich allerdings nur begrenzt anwenden, da Nvidia unter den Namen „Geforce 8400 GS“ und „Geforce 8800 GTS“ verschiedene Grafikkarten vermarktet. So wurde der Name der 8800 GT auch im Bezug zur neueren Geforce 8800 GTS, und nicht zu den älteren G80-basierten 8800-GTS-Varianten gewählt. Diese neuen 8800-GTS-Grafikkarten werden wegen des kleineren Speicherinterfaces an der Speichergröße von den Vorgängerkarten unterschieden.

Modelldaten

Übersicht Modelle der Nvidia-Geforce-8-Serie

Modell	Offizieller Launch	Grafikprozessor (GPU)								Grafikspeicher				TDP (Watt)
		Typ	Aktive Einheiten					Chiptakt (MHz)	Shader- takt (MHz)	Größe (MB)	Takt (MHz)	Typ	Speicher- interface
			ROPs	Shader- Cluster	SPs	TMUs	TAUs
Geforce 8400 GS	15. Jun. 2007	G86	4	1	16	8	8	450	900	256 (512)	400	DDR2	64 Bit	38W
	4. Dez. 2007	G98		0,5	8	8	8	567	1400		500			k. A.
Geforce 8500 GT	17. Apr. 2007	G86	8	1	16	8	8	450	900	256 512 (1024)	400	DDR2	128 Bit	40W
Geforce 8600 GT	17. Apr. 2007	G84	8	2	32	16	16	540	1180	256 (512)	700	GDDR3	128 Bit	47W
Geforce 8600 GTS	17. Apr. 2007	G84	8	2	32	16	16	675	1450	256 (512)	1000	GDDR3	128 Bit	71W
Geforce 8800 GS	15. Jan. 2008	G92	12	6	96	48	48	550	1375	384	800	GDDR3	192 Bit	92W
Geforce 8800 GT	29. Okt. 2007	G92	16	7	112	56	56	600	1500	256 512 (1024)	900	GDDR3	256 Bit	102W
Geforce 8800 GTS	12. Feb. 2007	G80	20	6	96	48	24	513	1188	320	792	GDDR3	320 Bit	146W
	8. Nov. 2006									640
	Nov. 2007			7	112	56	28
Geforce 8800 GTS 512	11. Dez. 2007	G92	16	8	128	64	64	650	1625	512 (1024)	970	GDDR3	256 Bit	143W
Geforce 8800 GTX	8. Nov. 2006	G80	24	8	128	64	32	576	1350	768	900	GDDR3	384 Bit	155W
Geforce 8800 Ultra	2. Mai 2007	G80	24	8	128	64	32	612	1512	768	1080	GDDR3	384 Bit	175W

Hinweise:

• Die angegeben Taktraten sind die von Nvidia empfohlenen bzw. festgelegten. Allerdings liegt die finale Festlegung der Taktraten in den Händen der jeweiligen Grafikkarten-Hersteller. Daher ist es durchaus möglich, dass es Grafikkarten-Modelle gibt oder geben wird, die abweichende Taktraten besitzen.
• Angaben in runden Klammern – insbesondere beim Speicherausbau – bedeuten, dass es gebräuchliche Retail-Versionen von verschiedenen Herstellern mit dieser Ausstattung gibt, diese aber nicht als Referenzdesign in öffentlichen Nvidia-Dokumenten gelistet sind.
• Mit dem angegebenen Zeitpunkt ist der Termin der öffentlichen Vorstellung angegeben, nicht der Termin der Verfügbarkeit der Modelle.
• Die TDP-Angaben des Herstellers können von den realen maximalen Leistungsaufnahmen abweichen.

Leistungsdaten

Für die jeweiligen Modelle ergeben sich folgende theoretische Leistungsdaten:

Theoretische Leistungsdaten Nvidia-Geforce-8-Serie

Modell	Rechenleistung über die Streamprozessoren (GFlops)	Pixelfüllrate des Grafikprozessors (MPixel/s)	Texelfüllrate des Grafikprozessors (MT/s)	Datenübertragungsrate zum Grafikspeicher (GB/s)
Geforce 8400 GS (G86)	43,2	1800	3600	6,4
Geforce 8400 GS (G98)	33,6	2268	4536	8,0
Geforce 8500 GT	43,2	3600	3600	12,8
Geforce 8600 GT	113	4320	8640	22,4
Geforce 8600 GTS	139	5400	10800	32,0
Geforce 8800 GS	396	6600	26400	38,4
Geforce 8800 GT	504	9600	33600	57,6
Geforce 8800 GTS	342,1	10260	24624	63,4
Geforce 8800 GTS 112SPs	399,2	10260	28728	63,4
Geforce 8800 GTS 512	624	10400	41600	62,1
Geforce 8800 GTX	518	13824	36864	86,4
Geforce 8800 Ultra	580,6	14688	39168	103,7

Hinweise:

• Die angegebenen Leistungswerte für die Rechenleistung über die Streamprozessoren, die Pixelfüllrate, die Texelfüllrate und die Speicherbandbreite sind theoretische Maximalwerte. Die Gesamtleistung einer Grafikkarte hängt unter anderem davon ab, wie gut die vorhandenen Ressourcen ausgenutzt bzw. ausgelastet werden können. Außerdem gibt es noch andere, hier nicht aufgeführte Faktoren, die die Leistungsfähigkeit beeinflussen.
• Die angegebene Rechenleistung über die Streamprozessoren bezieht sich auf die Nutzung beider MUL-Operationen, die bei Grafikshaderberechnungen nicht erreicht wird, da weitere Berechnungen ausgeführt werden müssen. Bei diesen Berechnungen liegt die Leistung der Rechenleistung über die Stream-Prozessoren daher geringer. Details finden sich im Abschnitt Unified Shader.
• Die Rechenleistung über die Streamprozessoren ist nicht direkt mit der Leistung der ATI-Radeon-HD-2000- und 3000-Serie vergleichbar, da diese auf einer anderen Architektur aufbaut, welche anders skaliert.

Referenzen

1. ↑ X-bit labs: Nvidia Chief Architect: Unified Pixel and Vertex Pipelines – The Way to Go, 11. Juli 2005, englisch
2. ↑ http://www.computerbase.de/artikel/hardware/grafikkarten/2006/test_nvidia_geforce_8800_gts_sli/25/#abschnitt_performancerating_qualitaet
3. ↑ Computerbase: ForceWare 163.44 behebt VRAM-Bug auf G8x (Update), 28. August 2007

Weblinks

• "Ein erster Blick auf die G80-Technologie" (www.3dcenter.de)
• "nVidia G80: Technik im Detail" (www.computerbase.de)
• "nVidia G84: Technik im Detail" (www.computerbase.de)
• "Nvidia G84: Arch and VP analysis" (www.beyond3d.com)
• "Nvidia G80: General Performance Analysis" (www.beyond3d.com)
• "Nvidia G80: Image Quality Analysis" (www.beyond3d.com)
• "Nvidia G80: Architecture and GPU Analysis" (www.beyond3d.com)
• "G92 – Das Geheimnis ist gelüftet" (www.computerBase.de)

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