Geforce GTX 1080 im Test: Erster 16-nm-König mit 2 GHz im OC-Betrieb [Update: 5 Monate später]

Hinweis: Wir haben den Originalartikel vom 17.5. um ein Update auf Seite 2 erweitert.

Vor gut einer Woche hat Nvidia die Pascal-Katze aus dem 16-nm-Sack gelassen: Der GP104-Chip kommt auf der Geforce GTX 1080 und der GTX 1070 zum Einsatz - jeweils flankiert von satten 8 Gigabyte schnellem Grafikspeicher. Es ist die erste Consumer-GPU mit neuer 16-nm-Fertigung und das bedeutet mehr Leistung bei weniger Stromverbrauch. Doch wie viel mehr an Performance konnten die Nvidia-Ingenieure in die 7,2 Mrd. Schaltungen des GP104 quetschen und was bietet der Chip sonst noch? Diese Fragen beantwortet der ausführliche Test von PC Games Hardware.

Wir scheuchen die Geforce GTX 1080 durch unseren Benchmark-Parcours und vergleichen sie mit einer Reihe bis ans Luftkühlungs-Limit übertakteten Radeon- und Geforce-Modellen. Zudem gibt's ein paar Compute-Werte sowie unsere bewährten Messungen zur Lautheit und Leistungsaufnahme. Das Ganze wie gewohnt auf zwei Testseiten, verpassen Sie auf keinen Fall Seite 2 des Artikels.

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Nvidia Geforce GTX 1080 im Test: Spezifikationen

Die wichtigste Neuerung des GP104-Chips ist seine topaktuelle Fertigungstechnik, welche die taiwanische Chipschmiede TSMC 16nmFF+ (FinFET+) nennt. Sie entspricht grob dem, was bei Intel als Trigate oder 3D-Transistoren vermarket wird, liegt in Sachen Dichte im Vergleich zu Intels 14-nm-Prozessen allerdings etwas zurück. Nichtsdestotrotz: Dank 16 Nanometer feiner Strukturen passen theoretisch knapp zwei Mal soviele Transistoren auf den Chip, als wäre er noch in alter 28-Nanometer-Fertigung hergestellt worden. So finden 7,2 Milliarden Schaltungen auf nurmehr 314 mm² Platz.

Quelle: PC Games Hardware Geforce GTX 1080: Der neue GP104 In der GP104-GPU integriert Nvidia neben einem 256-Bit-Speicherinterface auch 2.560 Shader- und 160 Textureinheiten sowie 64 Raster-Operatoren. Bei Shader-Rechenwerken und Textureinheiten entspricht das einem Plus von 25 Prozent gegenüber dem Vorgänger-Chip GM204 auf der GTX 980 - und liegt auf halbem Wege zum großen Maxwell-Chip GM200 (3.072 ALUs). Dessen Leistung will Nvidia schlagen und so haben die Kalifornier zusätzlich kräftig an der metaphorischen Taktschraube gedreht. Lohn der Mühen: Die GTX 1080 bietet sage und schreibe 1.607 MHz Basis- und 1.733 MHz (Standard-)Boosttakt. Je nach Lastszenario lagen während unserer Tests ohne Overclocking zwischen 1.886 und 1.550 MHz an. Ersteres nur für sehr kurze Zeit und bei GPU-Temperaturen unterhalb von 40 °C, letzteres in synthetischen Volllasttests wie dem Furmark nach einer Aufheizperiode. Insgesamt wird eine Rechen- und Texturleistung erreicht, die bei Standard-Boosttakten rund 78 Prozent über der der GTX 980 liegt und immer noch ein gutes Drittel über derjenigen der 1.000 Euro teuren Geforce GTX Titan X.

Nvidia Geforce GTX 1080 im Test: GDDR5-Speicher: Nun mit X

Quelle: PC Games Hardware Geforce GTX 1080 GDDR5X RAM Beim Speicher geht Nvidia neue, aber zugleich bewährte Wege. Anstatt auf fortschrittlichen, aber teuren HBM- oder gar HBM-gen2-Speicher zu setzen wie AMDs Radeon R9 Fury/Nano oder Nvidias Profi-Flaggschiff Tesla P100, besitzt der GP104 acht 32 Bit-Controller, die sich auf GDDR5- und das neue GDDR5X-Protokoll verstehen. Letzteres bietet einen Quad-Data-Rate-Modus und könnte daher auch "GQDR5(X)" heißen. Die Folge jedenfalls ist, dass die Speicherchips - derzeit exklusiv von Miterfinder Micron hergestellt - eine Datenrate von derzeit bis zu 10,0 GT/s (Mrd. Datentransfers pro Sekunde) erreichen und somit rund 42,8 Prozent schneller arbeiten als der auf unzähligen Karten verwendete 7-Gbps-GDDR5-Speicher der vorigen Generation. Angebunden sind die Controller über jeweils 256 KiB L2-Cache - insgesamt also dem GM204 entsprechende 2 MiByte; pro Rechenwerk verfügt der GP104 über weniger Level-2-Puffer als sein Vorgänger.

Um die restliche Lücke zum stärker gestiegenen Rechenleistung im Vergleich zur alten Generation zu schließen, hat Nvidia die verlustlos arbeiten Bildpuffer-Farbdifferenz-Komprimierung, auch bekannt als Delta-C-Kompression, verbessert und um einen 8:1-Modus erweitert. Insgesamt sollen so mehr Szenarien von der transferratenschonenden Technik profitieren und weitere 20 Prozent Bandbreite gewonnen, beziehungsweise weniger benötigt werden. Inwiefern das in der Praxis funktioniert oder ob Grafikkarten mit höherer Brutto-Transferrate hier und da Vorteile haben, klären wir mithilfe von Benchmarks.

*Angabe bei Standard-Boosttakt, abhängig vom automatischen GPU-Boost fallen die tatsächlichen, theoretischen Durchsatzwerte höher aus.

Nvidia Geforce GTX 1080 im Test: Neue Architektur oder "nur" Maxwell 3.0?

Diese Grenze ist fließend, denn obwohl Pascal als neue Generation bezeichnet wird, bewirken Fertigung und damit einhergehend Transistordichte, Taktfreudigkeit und Stromsparmöglichkeiten den Hauptteil der Verbesserungen. Die GPU-Architektur wurde nur behutsam verbessert. Abgesehen von der überarbeiteten Delta-C-Kompression sind die Unterschiede bei den Shader-Multiprozessoren (SMs) mit der Lupe zu suchen. Caches, Register, Shader-ALUs, FP64-Rate, Shared Memory - all das bleibt im Vergleich zum GM204 quasi identisch. In den nach wie vor vier Graphics Processing Clustern (GPC) sind nun jeweils fünf statt vier und insgesamt also 20 anstelle von 16 SMs vorhanden - jedes nach wie vor mit 4 x 32 FP32-ALUs, 4 x 8 Spezialfunktionseinheiten, 4 x 8 Load-/Store-Einheiten, 2 x 4 Textureinheiten und sogar vier FP64-ALUs pro SM. Nicht einmal der für den GP100 als wichtige Verbesserung ausgemachte, doppelte FP16-Durchsatz blieb erhalten.

Wäre da nicht die überarbeitete und nun flexiblere Geometrieeinheit sowie die Fähigkeit der Hardware, zur Laufzeit selbst zu entscheiden, ob ein SM im Grafik- oder Compute-Modus laufen soll, könnte man fast von einem Maxwell auf Steroiden sprechen. Entsprechend lässt es sich Nvidia auch nicht nehmen, diese beiden Änderungen samt ihrer Anwendungsmöglichkeiten in den Vordergrund zu stellen. Die flexiblere Geometrieverarbeitung erlaubt nun die für Virtual Reality praktischen Projektionen in die Optik des Headsets ohne mehrfache Geometrieverarbeitung. Das kann bei entsprechend programmierter Software einen deutlichen Performance-Vorteil im Zusammenspiel mit der VR-Brille ermöglichen.

Eher obskur dagegen ist die Hardware-Zuteilung für Compute und Grafik. In Maxwell-GPUs mussten die einzelnen SMs vom Treiber in den Compute- oder Grafikmodus versetzt werden. Eine Mischung aus beidem, wie es AMDs GCN-Architektur erlaubt, ist nicht möglich. Eine Neuzuteilung ist nur möglich, wenn dazu die ganze GPU kurz angehalten wird - das will man aus Performancegründen möglichst vermeiden.Eher obskur dagegen ist die Hardware-Zuteilung für Compute und Grafik. Pascal in Form des GP104 erlaubt nun, dass die SMs zur Laufzeit, also ohne die komplette GPU anzuhalten, ihre Betriebsart wechseln: Von Compute zu Grafik oder umgekehrt. Trotzdem müssen die SMs ihre gerade laufende Aufgabe zu Ende bearbeiten. Die Unterbrechung, also eine Preemption, kann zwar wesentlich feinkörniger als zuvor erfolgen, scheint aber im Treiber noch nicht freigeschaltet zu sein oder zu funktionieren. Nvidia spricht von Pixel-Level-Preemption für Compute und Grafik, der Treiber meldet derzeit aber noch die gröbstmögliche Konfiguration "DMA Buffer", wie auch andere Grafikchips es tun. Intels Skylake-IGP kann bereits Triangle-Level Grafik-Preemption und Pixel-Level-Preemption für Compute. Nvidia will über die hauseigene CUDA-Schnittstelle später sogar Instruction-Level-Preemption anbieten.

Nicht erwähnt hat Nvidia in seiner Präsentation, dass der GP104 in Sachen "Conservative Rasterization" von Tier 1 nach Tier 2 aufsteigt, hier also geringfügig mehr Möglichkeiten bietet als Maxwell. So ist die Unsicherheits-Region von einem halben auf ein 256stel Pixel geschrumpft, es werden Degenerate-Triangles nach der Wandlung ins Rasterizer-Datenformat unterstützt und CPU-basierte Algorithmen wie Voxelization werden unterstützt.

Nvidia Geforce GTX 1080 im Test: Neue Display-Engine mit H.265, VP9, HDR und DP1.2-1.4

Komplett überarbeitet hat Nvidia auch die Display-Engine samt Video-De- und Encoder. Passend zur kommenden Generation von Displays und Fernsehern unterstützt der GP104 nicht nur als einer der ersten Chips die "PlayReady"-Einstufung 3.0, sondern kann auch Displays mit bis zu 8K Auflösung und Ultra-HD-LCDs mit 120 Hertz befeuern.

Bis zu vier Bildschirme kann die GTX 1080 ansteuern - das konnte bereits der Vorgänger. Doch dank DP1.3/1.4 "readiness" sind nun maximal 7.680 × 4.320 Pixel bei 60 Hertz möglich, wofür allerdings zwei Displayports 1.3 kombiniert werden müssen. Der HDMI-Anschluss entspricht dem 2.0b-Standard und unterstützt mit HDCP 2.2 den Kopierschutz der Ultra-HD-Blu-Rays. Natürlich funktionieren auch 5K- mit 60- und Ultra-HD-Displays mit bis zu 120 Hertz. Nur auf analoge Monitore wie CRTs müssen GTX-1080-Nutzer ab Werk verzichten und bei Bedarf auf aktive DP- oder HDMI-Adapter zurückgreifen. Ein Schritt, den AMD bereits 2013 mit der R9-290-Generation vollführte.

Hier eine Übersicht über die unterstützten Video-Beschleunigungen:

Nvidia Geforce GTX 1080 im Test: Lautheit, Leistungsaufnahme, Kühlung

Quelle: PC Games Hardware Nvidia Geforce GTX 1080 im PCGH-Test (8) Der Kühler der GTX 1080 folgt dem bewährten Muster: Ein am Heck der Grafikkarte platzierter Radiallüfter bewegt die Luft durch ein Lamellenpaket hindurch direkt aus dem Gehäuse hinaus. Die Lamellen nehmen die Wärme über eine Vapor Chamber auf, welche der GTX 1080 wie auch der Titan X spendiert wurde, nachdem die günstigeren Karten inzwischen mit einer herkömmlichen Heatpipe-Konstruktion im Kühlerboden auskommen mussten. Gegenüber den Maxwell-GPUs hat Nvidia die Rotorblätter leicht modifiziert (siehe Bild).

Die maximale Lautheit der GTX 1080 in unserem Spieleparcours beträgt 4,2 Sone. Die automatische Lüftersteuerung setzt in diesem Fall 62 Prozent PWM-Impuls, was beinahe 2.500 U/min entspricht. In vielen anderen Fällen beträgt die Drehzahl rund 2.200 (54-56 % PWM), resultierend in einer Lautheit von 4,0 Sone. Das ist zwar deutlich hörbar, das tiefe Rauschen des Nvidia-Referenzkühlers ist subjektiv jedoch ertragbar. Gegen das (unter Last) leise Betriebsgeräusch der flüssiggekühlten Radeon R9 Fury X kommt das GTX-1080-Kühldesign jedoch nicht an.

Quelle: PC Games Hardware Geforce GTX 1080 Power Delivery Front Spulenfiepen weist unser Testmuster der GTX 1080 erst ab hohen drei- oder gar vierstelligen Bildraten auf, sofern eine passende 3D-Last anliegt, in ersten Tests im Compute-Bereich (z. B. unter Open CL) haben wir kein Spulenfiepen vernommen. Das Störgeräusch lässt sich auf fast allen leistungsfähigen Grafikkarten provozieren - über Ursachen und Folgen haben wir bereits ausführlich im Heft (Ausgabe 01/2015) berichtet - und im Falle der GTX 1080 liegt dessen Niveau auf dem anderer Referenzkarten von AMD und Nvidia.

In Sachen Leistungsaufnahme, welche wir separat vom Rest des PCs über einen PCI-Express-Extender messen, kann die GTX 1080 dank optimierter Fertigung auftrumpfen. Im Leerlauf benötigt Nvidias High-End-Karte nicht einmal 10 Watt an Energie, deutlich weniger als die besten Modelle der 28-nm-Ära. Unter Last steht die Karte relativ sogar noch besser da und zeigt, dass Nvidias TDP-Angabe von 180 Watt korrekt ist. Unter Spiele-Volllast sieht die Steuer-Elektronik zu, dass die Leistungsaufnahme stets knapp unterhalb des Limits bleibt, mit von uns gemessenen 171 bis 175 Watt. Dafür muss sich die GP104-GPU mehr oder minder stark untertakten und die Spannung senken.

Overclocking-Test mit Bordmitteln ...

Mit 120 Prozent Powertarget, dem in Tweak-Tools einstellbaren Maximum, darf die Karte rechnerisch bis zu 216 Watt aufnehmen. Wir haben es in Anno 2070 ausprobiert, ein Spiel, in dem die Geforce GTX 1080 sowohl power- als auch temperaturlimitiert ist. Setzen wir nur das Powerlimit herauf, rennt die Karte nach kurzer Zeit an das Temperaturziel von 83 °C und taktet sich auf rund 1.650 MHz herunter. Erst mit 100 % PWM-Impuls, womit die Karte bei 4.000 Lüfterumdrehungen pro Minute knapp unter der 70-°C-Marke bleibt, schlägt sich das erhöhte Powertarget in Form höherer Leistung nieder: Der Auto-Boost klettert auf rund 1.780 MHz, resultierend in nun 46 anstelle von 44 Fps. Die Leistungsaufnahme entspricht einer Punktlandung auf dem theoretischen, um 20% Prozent erhöhten Maximalwert - wir messen 215 Watt.

... und mit starker Nachrüstkühlung auf der Jagd nach 2 GHz Kerntakt

Quelle: PC Games Hardware GTX 1080 mit Accelero Xtreme IV Das genügte uns nicht, wie auch jeder Übertakter bei der GTX 1080 den Wunsch nach stärkerer Kühlung verspüren wird. Im nächsten Schritt, den wir erst am frühen Morgen vor Ablauf der Verschwiegenheitsvereinbarung am 17. Mai wagten, musste der Founders-Edition-Kühler weichen. An seine Stelle tritt ein Arctic Accelero Xtreme IV (ab rund 55 Euro). Dieser ist dank seiner universell einsetzbaren Backside-Kühlung, welche die Wärme rückseitig von der Platine aufnimmt, auch mit der Geforce GTX 1080 kompatibel. Die Lochabstände der GP104-GPU sollten indes kein Problem für jeden Kühler darstellen, welcher variable Schraubenplätze bietet. Was der Xtreme IV auf der Geforce GTX 1080 leistet, sehen Sie im bereits oben verlinkten Video - Reinschauen lohnt sich nicht nur wegen der Overclocking-Tests mit mehr als 2 GHz Kerntakt.

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