Was ist GPU-Rendering?

Der GPU-Rendering-Technologie wird derzeit viel Aufmerksamkeit geschenkt. Wahrscheinlich wissen Sie bereits, dass sie extrem schnell ist, und vielleicht wissen Sie auch, dass die Hardware viel kompakter ist als eine klassische Renderfarm. Wenn Sie sonst nichts darüber wissen, aber darauf brennen, es zu erfahren, dann lesen Sie weiter.  

by  Tim Harcourt |  Dienstag, 01 September 2020  |  Rendering  |  RENDERFARM  |  CPU RENDERING  |  CPU RENDER  |  GRAPHICS RENDERING  |  3D GRAPHICS RENDERING  |  GRAPHICS RENDERING PIPELINE

Was ist GPU-Rendering?

Beginnen wir mit dem traditionellen CPU-Rendering. Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, ist eine CPU (Central Processing Unit) ein Allzweckprozessor, der sich in der Mitte des Systems befindet. Er führt alle Programme auf Ihrer Workstation aus und steuert die Interaktionen mit Festplatten, Netzwerken und Bildschirmen.

Eine CPU basiert im Wesentlichen auf einem Einzelkern-Design, das angewiesen werden kann, eine Aufgabe mit jeweils einem Datenbit auszuführen. Im Laufe der Entwicklung von CPUs wurden immer mehr Kerne hinzugefügt, so dass nun jedem der Kerne separat Aufgaben zugewiesen werden können. Eine typische Workstation-CPU hat 6-14 Kerne und führt 12-28 simultane "Threads" von Anweisungen aus. Die meiste Zeit wird jeder Thread an einem Datenblock arbeiten.

Die GPU (Graphics Processing Unit) befindet sich auf der Grafikkarte. Ihre Hauptaufgabe ist die Verarbeitung von Daten zu Bildern auf dem Bildschirm. Ursprünglich war die GPU mit dem Rest des Computers über AGP verbunden, das die Daten in der einen Richtung - vom Computer zur Grafikkarte - sehr schnell, in der anderen Richtung aber fast gar nicht schickte. Dies bedeutete, dass der Grafikprozessor zwar für den Bildschirm rendern konnte, aber nach der Verarbeitung dieser Daten diese nicht zur Speicherung an den Computer zurückschicken konnte.

Vor etwa 10 Jahren begann man, Grafikkarten stattdessen über PCIe anzuschließen. Dadurch werden Daten schnell sowohl zum als auch vom Grafikprozessor gesendet, so dass dieser als eigenständiger Mini-Computer fungieren kann.

Die Art und Weise, wie Daten von GPUs und CPUs verarbeitet werden, ist grundsätzlich ähnlich, aber bei einer GPU liegt der Schwerpunkt auf der Parallelverarbeitung (Arbeit mit vielen Daten gleichzeitig). Im Gegensatz zur CPU-Technologie werden GPUs von Grund auf so konzipiert, dass sie Anweisungen gleichzeitig über viele Kerne verarbeiten.

Beim Rendern nimmt die GPU also einen einzigen Satz von Anweisungen und führt sie über mehrere Kerne (von 32 bis zu Hunderten) auf mehreren Daten aus. Eine typische Workstation-GPU hat 2000-3000 Kerne und führt 100 oder mehr Threads von Anweisungen aus. Jeder Thread bearbeitet etwa 30 Datenblöcke auf einmal.

Das bedeutet, dass die CPU an etwa 24 Datenblöcken gleichzeitig arbeiten kann, während eine GPU etwa 3000 Datenblöcke verarbeiten kann. Dies macht einen enormen Unterschied in der Leistung aus. Wenn Sie beispielsweise HD-Frames rendern, die aus etwa 2 Millionen Pixeln bestehen, ist das der Unterschied zwischen der gleichzeitigen Verarbeitung von 24 oder 3000 dieser Pixel.

Das bedeutet, dass GPUs (viel) schneller als CPUs sind, aber nur für einige Aufgaben. Im Bereich von VFX ist dies eigentlich eine recht gute Sache, da 3D-Rendering genau die Aufgabe ist, für die eine GPU konzipiert ist.

Aber es gibt limitierende Faktoren. Grafikkarten enthalten einen sehr schnellen Speicher - aber eine kleinere Menge davon im Vergleich zum Hauptspeicher des Systems. Bei vielen GPU-Renderern ist die Größe der Szene, die Sie rendern können, auf die maximale Größe des Arbeitsspeichers der Grafikkarte beschränkt (24 GB mit der NVIDIA Quadro M6000, Stand: diese Woche). Es gibt einen Renderer, Redshift, der dies verändert hat, indem er den Grafikprozessor in die Lage versetzt hat, den Hauptspeicher für das Rendern zu nutzen. Mit Redshift können Sie also Szenen rendern, die viel größer sind. Das ist eine wichtige Entwicklung für das GPU-Rendering.

Wer rendert im Moment auf GPUs? Eine Menge VFX-Software verwendet bereits GPU-Rendering-Technologie - daher die Vorteile einer 3D-Karte. So ziemlich alle Echtzeit-Renderer verwenden GPU. Viele der großen Einrichtungen fügen das GPU-Rendering in ihre CPU-Renderfarm-basierte Pipeline ein, um die Durchführung schneller Aufgaben zu erleichtern.

Wenn Sie die Investition in eine CPU-Renderfarm bereits getätigt haben, werden Sie diese wahrscheinlich nicht verschrotten. Aber wenn Sie in 4K arbeiten wollen, dann lohnt es sich wirklich, darüber nachzudenken, wie das GPU-Rendering Ihre Arbeit beschleunigen könnte.

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