Maxwell-Grafikkarte: Nvidia korrigiert die Spezifikationen der Geforce GTX 970

Die Geforce GTX 970 spricht ihre 4 GByte ungewöhnlich an, die letzten 512 MByte sind sehr langsam. Mehrere im GM204-Chip deaktivierte Funktionseinheiten drosseln die Leistung der Maxwell-Grafikkarte, wie Nvidia unter Druck der Öffentlichkeit bekannt geben musste.

Artikel veröffentlicht am 25. Januar 2015, 23:28 Uhr, Marc Sauter

Stilisierte Geforce GTX 970 (Bild: Nvidia)

Nvidia hat bestätigt, dass die Geforce GTX 970 über eine andere Videospeicher-Verwaltung verfügt als die Geforce GTX 980. Dies geht jedoch nicht aus den bisher veröffentlichten Spezifikationen hervor. Auf dem Papier sollten beide Grafikkarten über ein identisches Speichersystem verfügen.

Mehrere Nutzer haben festgestellt, dass eine unregelmäßige Frametime für Ruckler verantwortlich ist, oder gar die Bildrate in Spielen einbricht, wenn zwischen 3,5 und 4 GByte des Videospeichers der Geforce GTX 970 belegt sind. Bei der GTX 980 tritt dieses Problem nicht auf, auch das hat Nvidia bestätigt.

Der Hersteller begründet die Ruckler mit der geringeren Anzahl an Shader-Blöcken und deren Anbindung an das Videospeichersystem über eine leistungsschwächere Crossbar, benennt aber keine Details. Theoretisch verfügen Geforce GTX 980 und GTX 970 beide über ein 256-Bit-Interface mit 4 GByte GDDR5-Speicher mit 3,5 GHz. Diese werden von 2 MByte L2-Cache gepuffert, dahinter sind 64 Raster-Endstufen (ROP) geschaltet.

Nun leidet die Geforce GTX 970 unter zwei Problemen: Messwerte zeigen, dass die Pixelfüllrate nicht 64, sondern 52 Raster-Endstufen entspricht. Da Nvidia angibt, die geringere Anzahl an Shader-Blöcken sei schuld, liegt die Vermutung nahe, dass bei der Maxwell-Architektur die Pixelfüllrate nicht durch die ROP-, sondern die Shader-Einheiten begrenzt wird, ähnlich wie bei Fermi.

Jedem der 16 Shader-Blöcke des Maxwell-Chips GM204 sind vier Raster-Endstufen zugeordnet, die wahrscheinlich wie bei Fermi und Kepler per 128-Bit-Bus mit den Shader-Blöcken verbunden sind. Bei nur 13 statt 16 Blöcken werden die ROPs in ihrer Leistung limitiert - die entspricht dann besagten 52 Raster-Endstufen. Die zusätzlichen 12 vorhandenen ROPs machen sich nur bemerkbar, wenn hohe Kantenglättungsmodi aktiviert sind, etwa 8x MSAA.

Die verglichen mit der Geforce GTX 980 geringere Pixelfüllrate der Geforce GTX 970 äußert sich jedoch schlicht in weniger Bildern pro Sekunde. Dies gilt vor allem bei älteren, nicht allzu Shader-lastigen Spielen oder in hohen Auflösungen wie Ultra-HD, bei Supersampling oder bei Downsampling.

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Speichersystem der Geforce GTX 970 mit teildeaktiviertem L2-Cache (Bild: Nvidia)

Die reduzierte Pixelfüllrate erklärt nicht, warum die Geforce GTX 970 erst dann deutliche Ruckler zeigen soll, wenn mehr als 3,5 der 4 GByte Videospeicher verwendet werden. Auf der Grafikkarte sind acht Speicherchips verbaut, jeder davon hängt an einem 32-Bit-Interface. Zwei davon schaltet Nvidia zusammen, das macht vier 64-Bit-Controller und somit theoretisch ein 256-Bit-Speicherinterface bei der Geforce GTX 970 und der Geforce GTX 980.

Beide Karten sollen 2 MByte L2-Cache bieten, je 512 KByte sind einem 64-Bit-Controller vorgelagert, also vermutlich 256 KByte pro GDDR5-Speicherbaustein. Während Programme 2 MByte bei der GTX 980 auslesen, sind es bei der GTX 970 in den uns bekannten OpenCL- und Cuda-Anwendungen nur 1.792 KByte.

Einer der acht 512-MByte-Speicherbausteine würde damit keinen L2-Cache besitzen, der die Zugriffe auf den GDDR5 abfedert - was die Ursache für die Ruckler und die geringen Bildraten sein könnte. Einige Nutzer spekulieren gar, es sei eine 32-Bit-Partition deaktiviert, was ein 224-Bit-Interface ergebe und durch Messungen der Datentransferrate belegt sei.

Nvidia hat den Videospeicher der Geforce GTX 970 nach eigener Aussage in einen 3,5- und einen 0,5-GByte-Block unterteilt. Der Treiber versucht, möglichst nicht die 512-MByte-Partition zu füllen, eventuell weil er so programmiert ist, diesen Block mangels L2-Cache oder aufgrund der wie auch immer beschnittenen Crossbar nur im Notfall anzusprechen.

Nvidias Benchmarks zufolge ist der Leistungseinbruch bei einer Geforce GTX 980 und einer GTX 970 nahezu identisch, wenn über 3,5 GByte Videospeicher belegt sind. Gerade eine unregelmäßige Frametime äußert sich aber nicht in einer niedrigeren durchschnittlichen Bildrate, sondern vor allem in dem von vielen Nutzern beschriebenen Ruckeln.

Sollte der L2-Cache der GTX 970 beschnitten sein, sind effektiv nur 3,5 GByte nutzbar, obwohl die Karte mit 4 GByte Videospeicher beworben wird. Wir werden versuchen, das Problem in den kommenden Tagen einzugrenzen.

Nachtrag vom 26. Januar 2015, 20:02 Uhr

Nvidia hat die bisherigen Spezifikationen der Geforce GTX 970 für falsch erklärt und Monate nach der Veröffentlichung korrigiert. Es soll eine Fehlkommunikation zwischen den Ingenieuren und der technischen Presseabteilung gegeben haben, erklärte Nvidias Chef-Architekt für die Maxwell-Grafikkarten-Modelle, Jonah Alben.

Wie von Golem.de richtig vermutet, hat Nvidia bei der Geforce GTX 970 den L2-Cache eines GDDR5-Controllers deaktiviert, also ein Achtel des schnellen Zwischenpuffers. Statt 2.048 stehen der Grafikkarte nur 1.792 KByte zur Verfügung. Somit müssen sich zwei 32-Bit-Controller eine 256-KByte-L2-Partition teilen, was die Geschwindigkeit teils deutlich reduziert.

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Frametimes einer GTX 980 @ GTX 970 und einer echten GTX 970. Weniger Millisekunden und gleichmäßigere Zeiten sind besser! (Bild: PCGH)

Obendrein sind zwei der 16 ROP-Partitionen abgeschaltet, statt 64 sind somit 56 Raster-Endstufen vorhanden. In der Praxis wird deren Durchsatz aber von 13 statt 16 Shader-Blöcke limitiert, die effektive Pixelfüllrate entspricht wie von uns dargelegt, nur 52 ROPs.

Unterm Strich bedeutet dies Folgendes: Werden die erste 3.584 MByte Videospeicher angesprochen, geschieht dies mit 196 GByte pro Sekunde. Der 512-MByte-Block ohne L2-Cache hingegen liefert zusätzliche 28 GByte pro Sekunde, was laut Nvidia im einstelligen Prozentbereich bremst und uns an die Geforce GTX 660 Ti erinnert. Die Geforce GTX 980 hingegen kann immer auf 224 GByte pro Sekunde zurückgreifen.

	Geforce GTX 980	Geforce GTX 970 (bisher)	Geforce GTX 970 (neu)
GPCs	4	4	4
SMMs	16	13	13
ALUs	2.048	1.664	1.664
TMUs	128	104	104
ROPs	64	64	56
L2-Cache	2.048 KByte	2.048 KByte	1.792 KByte
Speicherinterface	256 Bit	256 Bit	224 + 32 Bit
Speichertakt	3,5 GHz GDDR5	3,5 GHz GDDR5	3,5 GHz GDDR5
Speichermenge	4.096 MByte	4.096 MByte	3.584 + 512 MByte
Datentransfer-Rate	224 GByte/s	224 GByte/s	196 + 28 GByte/s

Korrigierte Spezifikationen der Geforce GTX 970