Radeon RX 6000: Was ist Smart Access Memory und bringt SAM tatsächlich einen Geschwindigkeitszuwachs?

Seit ihrer Vorstellung Ende Oktober drehen sich diverse Diskussionen um die neuen Navi-21-GPUs, deren Technik, ihre verbesserte Architektur und ihre Raytracing-Fähigkeiten. Doch auch ein weiteres Detail klingt spannend und soll an dieser Stelle ein wenig genauer ins Auge genommen werden. SAM oder Smart Access Memory. Dieses Feature wurde von AMD für einige ihrer offiziellen Benchmarks genutzt und soll zusammen mit AMDs neuen Ryzen-5000-Prozessoren einen kleinen, aber nicht unbeträchtlichen Geschwindigkeits-Boost bieten. Doch was ist SAM eigentlich, auf welche Weise soll es zusätzliche Leistung bringen und funktioniert das tatsächlich auch in Spielen?

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Diese Frage wollen wir an dieser Stelle beantworten. Beachten Sie, dass es sich um ein neues Feature handelt, der Support der Mainboard-Hersteller zum Review-Zeitpunkt obendrein noch recht dünn ausfällt (zum Review-Zeitpunkt wurde SAM von nur 4 Boards unterstützt, darunter unser Asus X570 Crosshair VIII Hero) beziehungsweise die nötigen UEFI-Updates oftmals fehlen und uns außerdem noch nicht sonderlich viele Messwerte mit den neuen Ryzen-Prozessoren sowie den ebenfalls brandneuen Navi-21-GPUs vorliegen. Bei diesem Artikel soll es in erster Linie darum gehen, aufzuzeigen, wie SAM funktioniert und mit welchen Geschwindigkeitsgewinnen in aktuellen Spielen zu rechnen ist. Während dem Testen sind wir auf einige interessante Umstände gestoßen, die wir im Rahmen dieses Artikels allerdings nur umreißen können, darunter etwa der Einfluss von SAM auf die CPU beziehungsweise wie sich SAM im CPU-Limit verhält - denn es scheint, als hätte SAM außerdem positive Einflüsse auf die Prozessor-Performance. Doch dies werden wir an anderer Stelle und über einen längerfristigen Zeitraum genauer unter die Lupe nehmen müssen. Kommen wir also erstmal auf die Basics zu sprechen und prüfen wir dann, wie sich SAM in einer Reihe aktueller Spiele in verschiedenen Auflösungen verhält.

Smart Access Memory - Was ist das und was soll es bringen?

Also, was ist SAM überhaupt? Bei Smart Access Memory, wie AMD die Technik nennt, geht es offensichtlich um Speicherzugriffe. Im Spezifischen ist damit der direkte und unbeschränkte Zugriff auf den Grafikspeicher durch die CPU gemeint. Ein Umstand, der durch die PCI-E-Schnittstelle beziehungsweise die PCI-Spezifikation 3 ermöglicht wurde, bislang aber häufig nur in sehr speziellen Umständen zum Einsatz kam und nicht - oder nur in einigen Fällen - in Spielen. Der Kern der Technologie ist der BAR Resize. BAR bedeutet Base Address Register und dieser wird dazu genutzt, um den diskreten Speicher der GPU direkt von der CPU mit nötigen Daten zu belegen - eine Methode, um Kopiervorgänge zwischen mehreren verschiedenen Speichern zu minimieren. Diese Art Speicherzugriff ist allerdings standardmäßig durch einen Umstand stark eingeschränkt: Im Normalfall kann der Speicher durch BAR nur in kleinen Heaps von 256 MiByte belegt werden. Das Problem: Wird eine größere Menge benötigt, müssen mehrere Copy-Vorgänge von CPU zur GPU vorgenommen werden, was Zeit kostet beziehungsweise Latenzen zwischen CPU und GPU verursacht.

An dieser Stelle kommt BAR Resize der PCI-Schnittstelle und AMDs SAM ins Spiel. Durch die Ausnutzung der BAR Resize-Fähigkeit des PCI-Standards und durch die Verwendung von SAM kann die Größe dieses Blocks angepasst werden, mit einem Copy-Vorgang also auch mehr als 256 MiByte Grafikspeicher direkt von der CPU mit für den aktuellen Frame nötigen Daten belegt werden. Dies verhindert unnötige Latenzen, obendrein kann - laut AMD - die hohe Bandbreite von PCI-E deutlich besser ausgeschöpft werden, was zuvor mit den kleinen Blöcken und den häufigen Copy-Vorgängen nicht vollends möglich war.

SAM nutzt also im Grunde einen PCI-E-Standard aus. Und auch andere sind bereits auf ähnliche Ideen gekommen. So bieten beispielsweise Nvidias professionelle Quadro-GPUs direkten Speicherzugriff, und auch Microsoft hat sich in der Vergangenheit bereits mit Studien zum Thema direktem Speicherzugriff durch die CPU auf Register der GPU und Co-Prozessoren beschäftigt - wohl im Zusammenhang mit der Konsolenentwicklung. Es scheint auch deshalb nachvollziehbar, dass die neuen Konsolen SAM beziehungsweise BAR Resize den Anstoß gegeben und das Feature auf den Desktop gebracht haben.

Was wir nicht wissen - und AMDs Reviewer Guide zum Thema SAM schweigt sich an dieser Stelle komplett aus - ist, wie genau SAM funktioniert und ob AMD neben dem BAR-Resize-Feature durch SAM noch weitere Eingriffe vornimmt. Ein interessanter Punkt wäre zum Beispiel die Voraussetzung eines Ryzen-5000-Prozessors. Dies lässt aufhorchen, denn im Prinzip ist für BAR Resize nur eine PCI-E-3.0-fähige Plattform nötig. Unterstrichen wird dieser Fakt durch Nvidia, die kurz nach der Vorstellung der neuen Navi-21-GPUs ankündigten, BAR Resize in Zukunft auch auf dem Desktop zu unterstützen - sowohl mit AMD- als auch Intel-Prozessoren. Letztere unterstützen aktuell nur PCI-E-3.0.

Weshalb also setzt SAM einen Ryzen 5000 voraus? Handelt es sich nur um eine Marketing-Aktion, um das wechselseitige Interesse an den neuen Ryzen-Prozessoren und Navi-21-Grafikkarten zu steigern? Oder greift SAM tiefer in die Hardware ein, nutzt es vielleicht bestimmte Features oder Eigenschaften der neuen CPUs? PCI-E-4.0 ist jedenfalls nicht der limitierende Faktor, SAM funktioniert auch, wenn wir den PCI-E-Slot unserer Grafikkarte auf 3.0 einbremsen. Interessanterweise stießen wir beim Testen mit PCI-E 3.0 jedoch auf einige Ungereimtheiten, doch dazu später ein wenig mehr. Ein weiterer Punkt, der uns verborgen bleibt, ist, wie genau die Spiele-Entwickler den Speicher ansprechen, denn auch hier gibt es unterschiedliche Herangehensweisen, insbesondere beim Verwenden moderner APIs. Nutzen die Entwickler BAR überhaupt aktiv oder lassen sie das Speichermanagement von der verwendeten API regeln? Wird BAR und der direkte Zugriff auf den Grafikspeicher aktiv und auch optimal genutzt? Vielleicht verwenden die Entwickler Vulkan, welches direkten Speicherzugriff mittels eines optionalen Pools im VRAM regelt, auf den sowohl CPU als auch GPU direkt zugreifen können, wie etwa Doom Eternal es tut?

Auch auf diese Fragen haben wir (zumindest bislang) keine Antwort, da die genaue Art und Weise, wie die Programmierer vorgegangen sind, für uns nicht einsehbar ist (oder nur in sehr seltenen Fällen durch die Entwickler kommuniziert wird). Bevor wir uns nun aber die Köpfe mit Fragen zerbrechen, auf die wir aktuell keine Antworten haben, werfen wir doch erst einmal einen Blick auf die Performance mit und ohne SAM in einigen Spielen.

Smart Access Memory - Benchmarks in Spielen

Für unsere Spiele-Benchmarks nutzen wir unser auf dem Asus X570 Crosshair Hero VIII basierendes Testsystem. Das UEFI des Mainboards wurde aktualisiert, um die Unterstützung von SAM zu gewährleisten. Statt des übertakteten Ryzen 9 3900X verbauen wir den neuen 16-Kerner Ryzen 9 5950X, den wir wassergekühlt mit Standard-Taktraten und 4 × 8 GiByte DDR4-3200 RAM betreiben. Dazu gesellt sich das via PCI-E-4.0 verbundene Referenzmodell der RX 6800, die ebenfalls mit Standard-Takt rechnet. Wir fertigen Benchmarks zuerst mit deaktiviertem SAM, um eine Basislinie zu erhalten, dann schalten wir den schlauen Speicherzugriff zu, messen erneut und stellen daraufhin die Messwerte gegenüber.

Ein wichtiger Punkt vorweg: Die Plattform ist sehr schnell, wir erhalten also prinzipiell sehr gute Werte. Allerdings gibt es mit den neuen Navi-GPUs einige Ausreißer - bei der Auswahl unserer Spiele insbesondere nach oben. Besonders zwei Titel fallen sehr deutlich auf, bei beiden Titeln handelt es sich obendrein um frisch erschienene Spiele, die in Kooperation mit AMD entstanden und bereits Next-Gen-Fassungen erhalten haben. Die Rede ist von Assassin's Creed Valhalla und Dirt 5. In beiden Titeln liefern die neuen Navi-21-GPUs insbesondere bei niedrigen Auflösungen eine im Vergleich zu anderen Grafikkarten sehr hohe Performance: In Full HD liefert die RX 6800 - sogar ohne SAM - im neuen Assassinen-Abenteuer 82,7 Fps. Das ist schneller als eine schnelle Custom RTX 3090 mit unserem übertakteten Ryzen 3900X samt 3800er RAM und kräftig geschärften Timings, die in Full HD nur 79,3 Fps liefert und der RX 6800 und dem Ryzen 5950X bereits ohne SAM knapp 5 Prozent unterlegen ist. In Dirt 5 ist es ein ähnliches, aber nochmals aberwitzigeres Bild: Mit unserem regulären Testsystem liefert die übertaktete Asus RTX 3090 in Full HD 108,4 Fps, die RX 6800 dagegen stemmt - abermals ohne SAM - in Full HD 114,7 Fps; hier liegt die neue Radeon gar 6 Prozent vor dem übertakteten Nvidia-Schwergewicht.

Bei diesen Titeln handelt es sich allerdings um Ausnahmen. Navi 21 ist nicht in jedem Spiel so performant, obendrein haben wir in unserem Test zu Assassin's Creed Valhalla bereits die maue Geforce-Performance bei niedrigen Auflösungen kritisiert und in beiden Spielen rücken sich die Abstände bei steigenden Auflösungen zurecht. Beide Spiele sind obendrein ein wenig "verdächtig", da sie in Kooperation mit AMD entstanden und einige Features enthalten könnten, die nur oder besonders gut mit Navi 21 funktionieren: Dirt 5 nutzt beispielsweise einige Grafikeffekte aus AMDs frisch erweiterter Fidelity-FX-Bibliothek, darunter die Umgebungsverdeckung CACAO und wohl auch die Stochastischen Screen-Space-Reflections. Die im Rahmen von Fidelity FX angebotenen Effekte sind zwar offen verfügbar, aber das bedeutet natürlich nicht, dass diese Effenkte nicht ganz besonders gut auf neuen Navi-GPUs funktionieren könnten. Auf den Next-Gen-Konsolen kommt obendrein Variable Rate Shading zum Einsatz. Prinzipiell funktioniert VRS auch mit anderen Grafikkarten, darunter auch Nvidias Ampere, doch eventuell funktioniert die Technik - so sie denn auf dem PC überhaupt Verwendung findet - besonders gut mit AMDs neuen Navi-GPUs. VRS könnte auch in Assassin's Creed Valhalla zum Einsatz kommen, einige Effekte, darunter Feuer, die Screen-Space-Reflections sowie Unschärfe-Effekte beim Segeln mit dem Langboot sind auffällig grob und neigen in einigen Situationen zu Pixelation. Leider findet sich aktuell keinerlei nützliche Dokumentation zu den DX12-Features von Valhalla oder welche neuen Hardware-Fähigkeiten das Assassinen-Abenteuer unterstützt, uns bleibt an dieser Stelle also bislang nur Mutmaßung. Doch genug zur generellen Performance der RX 6800 - diese werden wir in kommenden Benchmarks noch häufig betrachten können. Kommen wir zu SAM und unseren Messungen.

Beim Betrachten der Benchmarks fällt auf, dass einige Spiele sehr deutlich auf SAM ansprechen. Darunter springen insbesondere Assassin's Creed Valhalla, Red Dead Redemption 2 und der Flight Simulator 2020 ins Auge. Letzterer ist besonders interessant, da in Full HD ein hartes CPU-Limit vorliegt. SAM bringt indes trotzdem einen zehnprozentigen Geschwindigkeitszuwachs, was durchaus sehr beachtlich ist. In den höheren Auflösungen und im Grafiklimit schwindet der Vorteil durch SAM im Flight Sim allerdings drastisch. Der Umstand mit dem potenziellen Geschwindigkeitszuwachs im CPU-Limit ist sehr interessant und lässt sich obendrein logisch nachvollziehen: Während eines Speicherkopiervorgangs stallt nicht nur die GPU, sondern auch die CPU. Müssen aufgrund der beschränkten Blockgröße ohne SAM (oder BAR Resize) viele kleine Kopiervorgänge geschehen, so wird sowohl die CPU als auch die GPU durch die zusätzlichen Kopiervorgänge entstehenden Latenzen ausgebremst - ein Punkt, der uns in Zukunft wohl und besonders im Rahmen unserer CPU-Tests noch einiges Kopfzerbrechen bescheren wird.

Bei Assassin's Creed Valhalla und Red Dead Redemption 2 steigen die Bildraten mit SAM bei Full HD ebenfalls am stärksten, auch dies ergibt Sinn, denn bei Full HD liegen die Frameraten im Normallfall deutlich höher als bei WQHD- oder UHD-Auflösungen. Damit ist auch die Berechnungszeit eines Frames kürzer, woraufhin die Zugriffszeiten eine kritischere Rolle einnehmen, da sie im Vergleich zu höheren Auflösungen bzw. niedrigeren Bildraten einen größeren Anteil an der gesamten Berechnungszeit eines Frames ausmachen. Allerdings gibt es bei Assassin's Creed Valhalla und Red Dead Redemption 2 große Zugewinne über sämtliche Auflösungsstufen. Anders als Doom Eternal nutzt RDR2 unter Verwendung der Vulkan-API offenbar nicht den durch die API ermöglichten Direktzugriff auf den Grafikspeicher, weshalb SAM im Western-Abenteuer, das durch die große offene Welt zudem logisch nachvollziehbar häufig auf eine große Menge Daten zugreifen muss, einen deutlichen Vorteil bringt. Eine ähnliche Situation wie in Red Dead Redemption 2 haben wir in Assassin's Creed Valhalla: Eine große offene Welt, durch die sich der Spieler mehr oder minder frei bewegen kann - durch die hohe Bewegungsfreiheit und damit die schlechte Vorhersehbarkeit der Spieleraktionen kann die Engine nur schlecht voraussagen, welche Daten für den nächsten Frame benötigt werden. Ein optimiertes Vorabladen ist daher nur eingeschränkt möglich und für den aktuellen Frame benötigte Daten müssen daher sehr zeitkritisch gestreamt werden. Da SAM genau dieses Streaming beschleunigen kann, sind relativ deutliche Zuwächse in großen offenen Spielewelten nicht allzu verwunderlich. Auch andere Spiele mit Open-World-Szenarien, darunter etwa Mafia Definite Edition zeigen unter Verwendung von SAM relativ große Zugewinne. Soweit können wir die Funktion von SAM und im Großen und Ganzen auch die von AMD angegebenen Werte bestätigen.

Smart Memory Access - Ungereimtheiten während der Tests

Was sehr seltsam und ein Umstand ist, für den wir keine gute Erklärung haben: Bei unseren Tests haben wir außerdem die Funktionalität von SAM unter PCI-E-3.0 untersucht. Dabei verhält sich SAM in vielen Titeln so, wie man es erwarten würde: Gegenüber PCI-E 3.0 ohne BAR-Resize-Technologie bringt SAM einen recht deutlichen Geschwindigkeitszuwachs, bleibt insgesamt aber hinter PCI-E-4.0 samt SAM zurück. Aber dies gilt nicht für alle getesteten Spiele: Wieder zählt Assassin's Creed Valhalla zu den Titeln, die sich sehr auffällig verhalten, denn tatsächlich liefert das Assassinen-Abenteuer unter der Verwendung von SAM mit PCI-E 3.0 die beste Performance und zwar mit Abstand. In Full HD liegen die Bildraten mit SAM und PCI-E 3.0 bei 99,1 Fps, das P99-Perzentil der Frametimes erreicht umgerechnet gar 76 Fps. Dies ist nochmals fast 10 Prozent schneller als SAM unter PCI-E 4.0.

Assassin's Creed Valhalla ist indes auch nicht der einzige Ausreißer: Während sich andere Spiele beim Testen mit SAM und PCI-E 3.0 so verhalten, wie man erwarten würde, beim Wechsel von PCI-E 4.0 auf 3.0 also auch bei der Verwendung von SAM leicht an Performance einbüßen, zeichnet Borderlands 3 (Test in der Print-Ausgabe) das gleiche Bild wie Valhalla, nur in deutlich abgeschwächter Form. PCI-E 3.0 ist unter der Verwendung von SAM am schnellsten, in Full HD relativ deutlich, in WQHD etwas weniger und ab UHD liegt bei beiden Spielen knapp PCI-E 4.0 vorn, dort ist indes auch der Einfluss von SAM am geringsten. Dieses Verhalten ist mysteriös, schließlich sollte man davon ausgehen, das gerade beim Kopieren von größeren Memory-Blöcken die theoretisch doppelt so schnelle PCI-E-4.0-Schnittstelle die Nase vorn haben sollte. Das PCI-E 3.0 indes bei einigen Spielen zumindest bei niedrigen Auflösungen als Sieger hervorgeht, ist stark kontraintuitiv. Diese Ungereimtheiten müssen ausführlichere Tests zu einem späteren Zeitpunkt aufdecken - insbesondere, da sie auch unsere zukünftigen Hardware-Tests beeinflussen könnten. Eventuell könnten auch kommende Treiber und UEFI- oder BIOS-Updates Abhilfe schaffen, es ist nicht auszuschließen, dass unsere frühen Review-Treiber oder die UEFI-Version unseres Mainboards noch nicht optimal mit SAM zusammenarbeiten.

Smart Memory Access - Fazit des ersten Tests

SAM ist definitiv ein spannendes Feature - offenkundig empfinden nicht nur wir und unsere Leser so, schließlich hat es nur Tage gedauert, bis auch Nvidia Support für BAR Resize für den Desktop angekündigt hat. Die Performance-Zugewinne sind von Spiel zu Spiel sehr unterschiedlich und es kommt obendrein ein wenig darauf an, welche Auflösung Sie zu nutzen gedenken. Im Großen und Ganzen scheint ein Leistungsgewinn im mittleren einstelligen Prozentbereich realistisch. Doch es gibt eben auch Titel, denen SAM einen deutlich größeren Geschwindigkeits-Boost beschert, obendrein verbessern sich die Frametimes nicht selten in einem recht beachtlichen Maße. Open-World-Titel scheinen besonders gut mit der Technik zu harmonieren und bei der CPU-Performance könnte SAM obendrein ebenfalls deutlich größere Vorteile bringen.

Diese Umstände gehören genauer untersucht, dies ist allein schon für unsere zukünftigen Testabläufe ausschlaggebend. Außerdem werden wir die Performance von SAM natürlich mit Nvidias Ansatz vergleichen sobald dieser verfügbar ist, eventuell ergeben sich dabei neue Erkenntnisse. Wir werden bis daher weitere Messungen und Erfahrungen sammeln und generell werden wir noch viele weitere Tests benötigen, um alle interessanten Fähigkeiten und Besonderheiten der aktuellen Hardware auszuleuchten und zu verstehen. Wenn Sie sich im Rahmen dieses Artikels für weitere Messungen, zusätzliche Spiele-Tests und Frametime-Vergleiche sowie die stellenweise mysteriöse PCI-E-3.0-Performance unter der Verwendung von SAM interessieren, in der kommenden Ausgabe der PCGH 01/21 werden Sie fündig.

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