Hybrid Graphics - AMD PowerXpress/Enduro und Nivida Optimus

Viele moderne Prozessoren besitzen eine integrierte Grafikkarte, die für viele normale Einsatzzwecke wie Office, Multimedia oder einfache 3D-Spiele geeignet ist. Solche iGPUs ermöglichen nicht nur günstige PC-Systeme, sondern sind zudem sehr stromsparend, was vor allem bei mobilen Geräten wie Notebooks oder Tablets sehr von Vorteil ist. Aber nicht allen Anwendern reicht die Leistung einer iGPU aus, so dass eine zusätzliche, so genannte dedizierte Grafikkarte zum Einsatz kommt. Diese klassischen Grafikkarten sind leistungsstark und für aufwendige 3D-Spiele konzipiert, verbrauchen aber enorm viel Strom. Auch im normalen 2D-Betrieb liegt der Stromverbrauch höher als bei iGPUs.

Hybrid Graphics: AMD PowerXpress/Enduro, Nvidia Optimus
Perfekte Symbiose aus Energiesparen und Leistung. Hybrid Graphics a la AMD Enduro
und Nvidia Optimus ermöglichen das Umschalten zwischen iGPU und dGPU.

Warum also nicht die Vorteile beider Welten kombinieren, sprich die Energieeffizienz der iGPU und die Leistungsstärke der dGPU nutzen? Genau diesen Ansatz verfolgt die Hybrid Graphics Technik, mit dessen Hilfe zwischen iGPU und dGPU umgeschaltet wird. Der Grafikkarten-Treiber erkennt, ob aktuell die Leistung der iGPU ausreichend ist (bspw. während des Bearbeitens eines Office-Dokumentes) und man profitiert von langen Akkulaufzeiten. Startet der Anwender nun ein 3D-Spiel, wird die leistungsstarke dGPU aktiviert und übernimmt ab sofort die Berechnung der 3D-Szenen. Eine perfekte Symbiose aus Energieeffizienz und Leistungsstärke.

Begriffe

Bevor wir die Technik im Detail erläutern, werden an dieser Stelle wichtige Begriffe erläutert.

  • Descrete GPU / Dedizierte Grafikkarte / dGPU
    Hiermit bezeichnet man die leistungsstarke, separate Grafikkarte. In einem Desktop-PC ist es die Grafikkarte als Steckkarte, in einem Notebook das Grafikkarten-Modul. Der Begriff "Grafikkarte" bezieht sich meistens auf die dedizierte Grafikkarte.
  • Integrated GPU / Integrierte Grafikkarte / iGPU / OnBoard Grafikkarte
    Eine integrierte Grafikkarte ist eine relative leistungsschwache, dafür stromsparende Grafikkarte, die Teil des Prozessors oder des Mainboard-Chipsatzes ist. Viele moderne AMD und Intel Prozessoren besitzen eine integrierte Grafikkarte, wodurch günstige und stromsparende PCs (Desktop, Notebooks, Tablets) usw. möglich werden. Bei AMD heißen diese Modelle übrigens APU.
  • Hybrid Graphics
    Technik, mit der im laufenden Betrieb zwischen iGPU und dGPU umgeschaltet werden kann. Im normalen Betrieb (2D) ist die stromsparende iGPU, in leistungshungrigen Anwendungen (bspw. Spiele) ist die dGPU aktiv.
  • Dual Graphics
    Anders als bei Hybrid Graphics wird nicht zwischen iGPU und dGPU umhergeschaltet, sondern beide Grafikkarten berechnen gemeinsam die 3D-Szenen. Ziel ist eine höhere Leistungsfähigkeit.
  • AMD PowerXpress (ab 2008)
    AMD Dynamic Switchable Graphics (ab 2011)
    AMD Enduro (ab 2012)

    Bezeichnungen vom ATI/AMD für die Hybrid Graphics Technik, mit der zwischen iGPU und dGPU im laufenden Betrieb umgeschaltet werden kann. PowerXpress ist die ursprüngliche Technik, die im Laufe der Zeit verbessert wurde und nun mit Enduro bezeichnet wird.
    AMD Enduro Logo
  • Nvidia Hybrid Power
    Nvidia Optimus

    Bezeichnungen von Nvidia für die Hybrid Graphics Technik. Nvidia hat die ursprüngliche Hybrid Power Technik ab Version 3 in Nvidia Optimus umbenannt.
    Nvidia Optimus
  • Muxed, Muxeless
    In den ersten Versionen von Hybrid Graphics wurden noch Mulitplexer zum Umschalten der Grafikausgänge verwendet, was in der Praxis ziemlich umständlich (Neustart, Flackern usw.) war. Muxeless ist die moderne Umsetzung von Hybrid Graphics.

Die Hybrid Graphics Technik

Wie bereits angesprochen erkennt bei der Hybrid Graphics Technik der Grafikkartentreiber anhand bestimmter Profile, ob nun die iGPU oder dGPU aktiv sein soll. Zusätzlich hat der Anwender in den Treiberoptionen die Möglichkeit, die Leistungsprofile individuell festzulegen. Beispiel: im Netzbetrieb soll immer die dGPU aktiv sein, im Akkubetrieb nur die iGPU. Die Funktionsweise erklärt AMD in diesem Video sehr verständlich:

Die modernen Versionen von Hybrid Graphics namens AMD Enduro und Nvidia Optimus haben den Vorteil, dass der Anwender das Umschalten nicht bemerkt und dieses völlig im Hintergrund passiert. Die technische Umsetzung ist dabei wie folgt: das Ausgangssignal der Grafikkarte erfolgt immer über die iGPU, unabhängig davon, welche der beiden Grafikkarten für die Berechnung zuständig ist. Wird nun ein 3D-Spiel gestartet und die dGPU aktiv, so übernimmt diese die Berechnung und kopiert das Ergebnis über den PCI-Express-Rückkanal in den Ausgabespeicher der iGPU.

Die iGPU ist demzufolge nur für die Ausgabe der berechneten Bilder zuständig, die eigentliche Arbeit übernimmt die dGPU. Der Vorteil dieser Technik? Zum einen ist die Umsetzung einfacher, da die Grafikausgänge (DVI, HDMI usw.) nur eine Grafikkarte angebunden werden müssen. Zum anderen entsteht kein nerviges Flackern während des umschaltens.

Alte Hybrid Graphics Technik: AMD PowerXpress, Intel Hybrid Power

Die Anfänge von Hybrid Graphics in den Jahren 2007/2008 und den darauffolgenden Jahren zeigte, dass die Technik noch in den Kinderschuhen steckte und die Usability für den Anwender alles andere als brauchbar war. Die Technik basierte auf so genannten Mulitplexern, über welche die Anbindung der Grafikausgänge der iGPU und dGPU erfolgte. D.h. sowohl iGPU und dGPU waren mit den Grafikausgängen verbunden und ein separater Grafikkartentreiber ("Proxytreiber") sorgte für das Umleiten der Grafikausgabe.


Alte Technik: iGPU und dGPU sind über Multiplexer an die Grafikausgänge angeschlossen.
Das Umschalten erfolgt über einen separaten Proxytreiber

Die so genannte "muxed"-Technik hat viele Nachteile:

  • Die Multiplexer verursachen mehr Logik auf dem Mainboard, die Umsetzung ist teurer und komplexer.
  • Zu Beginn erforderte das Umschalten einen Neustart des Systems. Später erfolgte das Umschalten während des Betriebs, dauerte aber teilweise bis zu 15 Sekunden und verursachte ein nervendes Flackern.
  • Der zusätzliche Proxy-Treiber wurde vom Gerätehersteller gepflegt und in der Regel bereits zur Auslieferung veraltet.

In den Anfängen war die Hybrid Graphics Technik eher für den ambitionierten Technik-Fan geeignet, weniger für die breite Masse. AMD und Nvidia arbeiteten daher stark an der Optimierung der Technik, bis man den massentauglichen Einsatz mit neuen Produktbezeichnungen Nvidia Optimus und AMD Enduro kenntlich machte.

AMD/ATI

Version Jahr Name Muxeless? Erneuerungen
PowerXpress 1-3 2008 PowerXpress Nein
PowerXpress 4 2011 Dynamic Switchable Graphics Ja Dynamisches Umschalten ohne Reboot
PowerXpress 5 2012 Enduro Ja OpenGL- und DirectX-Support, 0 Watt Shutdown der inaktiven GPU
PowerXpress 5.5 2012 Enduro Ja Vollständige Benutzersteuerung im Catalyst-Treiber

Nvidia

Version Jahr Name Muxeless? Erneuerungen
Hybrid-Power 1 & 2 2007 Hybrid-Power Nein
Hybrid-Power 3 2010 Optimus Ja Dynamisches Umschalten ohne Reboot

Nvidia war AMD immer einen Schritt voraus und AMD musste stark nachbessern, was anhand dieser Folie deutlich wird:

AMD's Entwicklung von PowerXpress hin zu Enduro
AMD's Entwicklung von PowerXpress hin zu Enduro

Laut der Präsentationsfolie wird ersichtlich, dass AMD es erst in der 2. Jahreshälfte des Jahres 2012 geschaft, Hybrid Graphics für die breite Masse anbieten zu können.

Sind Intel, AMD und Nvidia zueinander kompatibel?

Grundsätzlich können alle Hersteller miteinander im Hybrid Graphics Verbund betrieben werden. Das ist die Theorie. In der Praxis ist natürlich eine Abstimmung zwischen den Herstellern notwendig und somit ist natürlich klar, dass aufgrund der Konkurrenz-Situation die integrierten Grafikkarten nicht beliebig mit dedizierten Grafikkarten vermischt werden können. Da Nvidia keine integrierten Grafikkarten und Intel keine dedizierten Grafikkarten herstellt, ergibt sich folgendes Situation:

iGPU dGPU Kompatibilität
Sehr gute Kompatibilität
Befriedigende Kompatibilität
Sehr gute Kompatibilität
keine bis schlechte Kompatibilität

Wer ein stabiles Hybrid Graphics System besitzen möchte, sollte bei einer AMD/AMD oder Intel/Nvidia Kombination zugreifen.

Bekannte Probleme

Neben der Inkompatibilität vor allem zwischen AMD und Nvidia findet man im Netz immer wieder Treiberprobleme. Wie in diesem Beispiel, bei dem ein Anwender mit einer Intel HD 4000 + AMD Radeon HD8870M + Windows 8 Kombination Probleme mit Enduro hat. Außerdem findet man bei AMDs Enduro immer wieder Berichte, wo die dGPU nicht aktiv wird, obwohl ein bestimmtes 3D-Spiel gestartet wurde. Hier scheint der Treiber nicht zu erkennen, dass Leistung statt Energiesparen gefordert ist.

Kleiner Exkurs: AMD Dual Graphics

Oftmals wird in Verbindung von Hybrid Graphics auch der Begriff Dual Graphics verwendet. Dual Graphics beschreibt ebenfalls das Zusammenarbeiten von iGPU und dGPU. Der Unterschied zu Hybrid Graphics ist, dass iGPU und dGPU nicht abwechselnd betrieben werden, sondern gemeinsam die 3D-Szenen berechnen, um die Gesamtperformance zu steigern. Hier lautet das Motto: "die Kraft der zwei Herzen".

Dual Graphics - Die Kraft der zwei Herzen

Quellen