Raytracing op ‘goedkopere’ grafische kaarten: test en benchmarks

Steeds meer games kunnen raytracing gebruiken voor fraaiere graphics, zelfs game-klassieker Minecraft is er nu met raytracing. Met de huidige GeForce-drivers werkt raytracing niet alleen op GeForce-RTX-kaarten, maar ook op veel GTX-kaarten. We hebben eens gekeken welke prestaties je mag verwachten op die ‘goedkopere’ grafische kaarten.

Raytracing geldt al heel lang als de heilige graal van computergraphics. Je kunt er virtuele werelden mee creëren die een ontzettend realistische indruk maken. Er is echter één probleem: die techniek vergt ontzettend veel rekenkracht. Vroeger was ray­tracing daarom niet in computergames te gebruiken, maar bleef dat voorbehouden aan dure product-­renderings of bioscoopfilms als Toy Story.

 
Ook de blok-graphics van Minecraft ogen realistischer met raytracing.

En toen kwam Nvidia eind 2018 met zijn grafische kaarten van de RTX 2000-serie, alias Turing. Met zijn ingebouwde zogeheten raytracing-cores zou die kaart elke moderne pc van realtime raytracing voorzien. De Nvidia-marketingmachine bestempelde DirectX Raytracing, of kortweg DXR, die de RT-cores leveren ­daarom als de grootste innovatie van de afgelopen 15 jaar. In het begin konden, of beter gezegd mochten, alleen de RTX-kaarten met hun raytracing-cores de weinige DXR-demo’s en -games weergeven.

Maar Microsofts uitbreiding van de DirectX-API vereist niet eens speciale cores. Met de juiste driverondersteuning van Windows 10 kan iedere DirectX 12-compatibele kaart, dus ook die van AMD en Intel, via state-objects in conventio­nele compute-shaders DXR gebruiken. Nvidia bracht al bij de GeForce-driver 425.31 zo’n driver uit. Voordat de RTX-kaarten beschikbaar waren, kon alleen de gruwe­lijk dure Titan V DXR via zijn shader-cores laten lopen. Zo hoefden de ontwikkelaars hun raytracing-code in elk geval niet volledig in het luchtledige te schrijven en te optimaliseren.

Tegelijk met de drivers kwamen er voor geïnteresseerde gebruikers een paar raytracing-demo’s beschikbaar. Daarbij gaat het om de al bekende en in het Star-Wars-universum gepositioneerde Elevator-demo, en de twee gamedemo’s Atomic Heart en Justice. ­Samen met de benchmark 3DMark Port Royal en de drie games Shadow of the Tomb Raider, Battlefield V en ­Metro: Exodus zijn er zeven kant-en-klaar gecompileerde voorbeelden voor DirectX Raytracing. Daar komt dan nog de Quake 2-mod ‘q2vkpt’ bij, die op de open 3D-interface Vulkan is gebaseerd – ook al gebruikt die eigenlijk de raytracing-variant Pathtracing (die ook voor Minecraft wordt gebruikt).

De raytracing-techniek tovert foto-realistische 3D-beelden op je computerscherm.

Ook met de met DXR compatibele drivers is raytracing alleen aan een select aantal grafische kaarten van ­Nvidia voorbehouden. De fabrikant verbindt aan die kaarten enkele ogenschijnlijk willekeurige voorwaarden, zodat niet iedereen van DirectX Raytracing kan genieten. ­Behalve de driverversie is dat vooral het DXR-instapmodel. Dat moet minstens een GeForce GTX uit de zeer populaire 1060-serie zijn en bovendien moet de ­3D-­versneller ook 6 GB VRAM hebben. Daarmee vallen de GeForce modellen GTX 1070, 1080, 1080 Ti en de Titan X (Pascal) en Xp in de prijzen. Ook de GeForce GTX 1660 en 1660 Ti zijn van de partij. Die zijn wel op de Turing-­architectuur gebaseerd, maar hebben in tegenstelling tot de RTX-kaarten geen raytracing-cores.

En Nvidia is streng, want kaarten met dezelfde architectuur als de met DXR compatibele GTX 1660 en de GTX 1060 6GB, maar met slechts 4GB geheugen, mogen geen DXR uitvoeren. Dat geldt bijvoorbeeld voor de GTX 1650 (Turing) en de GTX 1050 Ti (Pascal).

Een blik op de prestatiemetingen met de verschillende op dit moment verkrijgbare DXR-voorbeelden bevestigt de inschatting van Nvidia dat DXR-gebruikers met nog langzamere kaarten niet veel kunnen beginnen. Toch zou het vanuit het perspectief van de ontwikkelaars handig zijn voor het debuggen als ze hun werk ook eens op minder rijk bedeelde laptops kunnen uitproberen of optimaliseren.

De voorwaarde van minimaal 6 GB geheugen is niet hele­maal logisch. Aan de ene kant hebben de versnellingsstructuren van raytracing (BVH-Tree) extra ruimte in het VRAM nodig. Nvidia heeft het daarbij over een gigabyte meer per toepassing. Aan de andere kant kunnen grafische chips al jaren delen van het werkgeheugen gebruiken, zodat te weinig geheugen bij een sowieso al ­lagere performance eigenlijk geen bezwaar mag zijn.

Klik op de tabel voor een vergroting met alle tabellen (in pdf-formaat).

Om de volledige 3D-engine van een game via raytracing te laten lopen, vergt een enorme rekenkracht. Ook de met RT-cores uitgeruste high-end RTX-kaarten zouden daarom aan de complexe 3D-scène’s zoals die in moderne games normaal zijn een hele dobber hebben. Daarom maken de ontwikkelaars een tussenstap en gebruiken ze raytracing-technieken alleen bij berekeningen waar het de moeite waard is. Voor de rest vallen ze op de traditionele raster-graphics (bitmap) terug.

In de multiplayershooter Battlefield V, waarbij een hoge framerate onmisbaar is, worden alleen bepaalde weerspiegelingen met raytracing uitgevoerd. Het rustigere Shadow of the Tomb Raider gebruikt DXR voor mooiere schaduwpartijen – alternatief ook door extra lichtbronnen – wat iets meer vermogen kost. De ­stealthshooter Metro: Exodus vervangt meteen het hele belichtingsmodel door een op raytracing gebaseerde Global Illumination, wat meer dan alleen een enkel effect is. Alle games moeten in meerdere of mindere mate trucjes toepassen om ondanks de uitgebreide techniek de prestaties overeind te houden. Metro bijvoorbeeld berekent de belichting niet voor iedere pixel afzonderlijk, maar neemt willekeurige steekproeven. Daaruit wordt dan de kleurverdeling van de andere pixels geëxtrapoleerd.

Verschillende weergavetechnieken zijn ook voor raytracing verschillend in complexiteit. Dat kan aan het aantal benodigde stralen liggen of hoe compact, dus cache-vriendelijk de benodigde datastructuren zijn.

Een blik op de resultaten zegt genoeg. Bij het berekenen van sommige scènes trekken ook de met raytracing-­cores uitgeruste GeForce RTX-kaarten het in hoge resoluties als 4K (Ultra HD, UHD) niet meer. Dan is het niet zo vreemd dat een oudere high-end kaart als de GTX 1080 Ti met raytracing, wat een extra belasting van zijn shader-cores is naast de normale 3D-berekeningen, in de meeste gevallen onspeelbare framerates oplevert. Daarbij is Shadow of the Tomb Raider de uitzondering, daar haalt de 1080 Ti in WQHD-resolutie met 2560 × 1440 pixels nog gemiddeld 31 beelden per seconde – maar bij de laagste 5 procent daarvan maar half zo veel.

Bij de GTX 1070 krijg je een vergelijkbaar prestatiebeeld al in full-hd (1920 × 1080). De GTX 1060 als DXR-instapmodel haalt in full-hd met raytracing-schaduwen op ‘gemiddeld’, de laagst mogelijke DXR-instelling, maar iets meer dan de 30 frames per seconde (fps) die nog als vloeiend gelden. Daarbij biedt ‘gemiddeld’ nauwelijks optische voordelen tegenover de veel snellere raster-graphics. Pas met ‘hoog’ veroorzaken de zon en kleinere lichtbronnen hun eigen raytracing-schaduwen. De instelling ‘ultra’ geeft aan sommige schaduwen nog een gedeeltelijke transparantie, zodat bijvoorbeeld tere varens geen inktzwarte schaduwen werpen. Maar in buitenruimtes kost dat soms heel veel vermogen, zodat zelfs een RTX 2070 de framerates van de benchmark niet haalt.

Klik op de tabel voor een vergroting met alle tabellen (in pdf-formaat).

De niet-RTX Turing-modellen GTX 1660 en 1660 Ti kunnen dankzij grotere caches en verbeteringen in de ­architectuur ten opzichte van de GTX 1000-kaarten beter met raytracing overweg. Maar zij hebben minder ­brute kracht dan een GTX 1070. Hun relatieve fps-verlies is dan wel kleiner dan dat van de GTX 1000-kaarten, maar het zit toch nog op een laag niveau en meestal tussen de GTX 1070 en 1080 Ti in.

Metro: Exodus is wat raytracing betreft een stuk veeleisender. Het is dan ook genadeloos tegenover de ­GeForce GTX-modellen en krijgt ze – met uitzondering van de 1080 Ti in full-hd en een hoog raytracing-niveau – volledig op de knieën. Voor de veeleisende shooter waarbij de voor het vloeiend gamen zo belangrijke ­minimale framerates niet onder de 30 mogen zakken, is al zonder raytracing en met full-hd een GTX 1080 of RTX 2060 aan te raden.

Frame-analyse van Metro: Exodus. Turing-kaarten bewerken berekeningen in gehele getallen (INT32) en met floating-points (FP32) parallel. Gpu’s met Pascal-architectuur kunnen dat alleen na elkaar. De RT- en Tensor-cores van de RTX-kaarten nemen andere taken over, waardoor de gpu meer fps berekent.

Bij de DXR-demo’s wordt het pas echt heftig, omdat die natuurlijk in de eerste plaats een optisch wow-effect moeten bereiken, ongeacht de speelbaarheid bij de latere games. Justice, een Chinees mmo-spel, houdt zich tamelijk relaxed en haalt op de GTX 1080 Ti en GTX 1660 Ti in elk geval in full-hd meer dan 30 fps – maar zakt soms flink in. Een GTX 1070 blijft onder de 30 fps-grens. De demo van Atomic Heart van studio Mundfish, een firstperson action-rpg, speelt zich af in het Rusland van een alternatieve realiteit. Daar zorgt raytracing voor meervoudige weerspiegelingen en realistische schaduwen. Alleen de drie RTX-kaarten halen in 1920 × 1080 en 2560 × 1440 enigszins vloeiende framerates. Alle geteste GeForce GTX-kaarten duiken al bij full-hd flink onder de 30 fps.

Een aparte plaats neemt de demo Elevator in, die al geruime tijd geleden voor het eerst werd getoond. Hij draaide oorspronkelijk op een server met meerdere Tesla-kaarten uit de Volta-generatie. Bij de markt­introductie van de Turing presenteerde Nvidia als teken van de kracht van de Turing een versie die al op een enkele RTX 2018 Ti vloeiend draaide. En inderdaad haalt de uitgebrachte versie van de RTX 2080 Ti ook in 4K nog een bioscoopwaardige 24 fps. De RTX 2070 en 2060 halen dat nog in 2560 × 1440, terwijl een GTX 1080 Ti in Full HD met minder dan 20 fps voortkruipt.

Klik op de tabel voor een vergroting met alle tabellen (in pdf-formaat).

Maar daar komt Nvidia’s tweede Turing-troef op tafel: deep-learning supersampling, kortweg DLSS. Die techniek, die je ook bij Battlefield V, Metro: Exodus, Atomic Heart en Justice kunt inschakelen, is als je alleen op de naam afgaat een vorm van anti-aliasing. Maar in werkelijkheid verlaagt hij eerst de renderresolutie van de scène en gebruikt hij via de Tensor-cores een vooraf getraind neuraal netwerk om details (en gladde randen) te construeren. In de Elevator-demo is DLSS standaard actief en laat zich (eigenlijk) niet uitschakelen. Daarom slaan RTX-kaarten in vergelijkende tests qua prestaties altijd een goed figuur.

Lukt het toch om DLSS uit te zetten, bijvoorbeeld doordat je de NGX-optie bij het installeren van de driver uitvinkt, dan moeten ook de RTX-kaarten in de volle­dige resolutie rekenen en is het gedaan met de glorie. De 2080 Ti haalt de 48 fps dan nog maar in full-hd, en daar ligt dan ook de grens, bij 2560 × 1440 is het nog maar 33 en bij 4K net 15 fps. De 2070 zakt 7 fps in, de RTX 2060 ­berekent in (echte) 4K nog maar net vier frames per ­seconde – alleen in full-hd halen ze allemaal de gemiddelde waarde van 24 fps.

Met de DXR-driver GeForce 425.31 gunt Nvidia veel bezitters van een GeForce-GTX een kijkje in de geweldige wereld van raytracing. Maar het is niet meer dan een voorproefje, want Nvidia’s uitspraak dat voor speelbare framerates RT-cores onmisbaar zijn, wordt door de meeste tests bevestigd.
Of de onderdelen van de DXR-driver werkelijk tot op het bot voor de GTX-kaarten geoptimaliseerd zijn of dat er hier en daar nog een frame per seconde meer in had gezeten, zal wel voor altijd geheim blijven. Daarom kun je DirectX Raytracing alleen maar in sommige games gebruiken als je in het bezit bent van een high-end kaart zoals een GTX 1080 Ti of beter.

(Carsten Spille en Noud van Kruysbergen, c’t magazine)