3D- und Videofähigkeiten integrierter Grafikeinheiten von Core-i- und Ryzen-Prozessoren

Für Profi-Anwender und PC-Spieler führt an Grafikkarten kein Weg vorbei, insbesondere wenn höchste Rechenleistung für komplexe CAD-Modelle, wissenschaftliche Berechnungen oder den neuesten 3D-Shooter gefragt ist. Für die meisten anderen Anwendungen ist eine separate Grafikkarte beziehungsweise ein zusätzlicher Grafikchip im Notebook hingegen überflüssig, denn dafür reicht die im Prozessor integrierte Grafik aus. Sie steuert mehrere Monitore an, entlastet die CPU-Kerne bei der Videowiedergabe und taugt für viele Gelegenheitsspiele.

Die integrierten GPUs (iGPU) der Core-i-Prozessoren von Intel und der ­Ryzen-CPUs von AMD bieten einige Vorteile gegenüber Grafikkarten. Sie benötigen viel weniger Energie. Das bringt nicht nur längere Laufzeiten beim Notebook, sondern auch leisere Kühlung bei Desktop-­PCs. Zudem sind sie viel billiger, ins­besondere in der jetzigen Situation, wo Grafikkarten kaum erhältlich sind. Selbst sparsame Billigmodelle wie die Nvidia GeForce GT 1030 oder AMD Radeon RX 550 kosten derzeit mehr als 100 Euro. Bei leistungsstärkeren Gaming-Karten sind die Straßenpreise auf das Doppelte oder Dreifache der Herstellerpreisempfehlungen gestiegen. Im Unterschied dazu beträgt das Preisdelta zwischen dem Sechskernprozessor Core i5-11400 mit UHD-730-Grafik und dem sonst identischen Core i5-11400F ohne iGPU lediglich 20 Euro.

Wahlhilfe

Doch welche Prozessoren haben eine integrierte Grafik? Bei den Mobilprozessoren lässt sich die Frage einfach beantworten: Alle! Bei Intel ist derzeit die 11. Generation der Core-i-Prozessoren aktuell. Dazu zählen für Notebooks und Mini-PCs die Serien Core i-1100G und Core i-11000H „Tiger Lake“. Sie enthalten eine GPU der 12. Generation, die Intel als Xe bezeichnet. Je nach CPU-Modell gibt es unterschiedlich leistungsstarke Ausbaustufen der 3D-Grafikeinheit mit 16, 32, 48, 80 oder 96 Execution Units (EUs), die ­jeweils acht Shader-Kerne enthalten.

AMDs Mobilprozessoren der aktuellen Serie Ryzen 5000U/H „Cezanne“ enthalten alle eine Radeon-GPU mit 6, 7 oder 8 Compute Units, die jeweils wiederum aus 64 Shader-Kernen bestehen. Ein Ryzen 7 5800H hat bei acht CUs also 512 Shader. Zum Einsatz kommt die ­fünfte Generation der GCN-Architektur (Graphics Core Next) alias „Vega“, die allerdings schon rund vier Jahre alt ist.

In den Desktop-Prozessoren Intel Core i-11000 „Rocket Lake“ gibt es nur schwächere Xe-GPUs mit 24 und 32 EUs. Bei CPUs von Intel mit einem „F“ in der Bezeichnung, wie dem Core i5-11400F, ist die Grafikeinheit hingegen komplett deaktiviert.

Bei den Desktop-Varianten der Ryzen-­Prozessoren ist die Sache etwas vertrackt. Die Radeon-Grafik gibt es bei AMD nur in CPUs mit einem G in der Bezeichnung. Die Ryzen 4000G der „Renoir“-Familie und die kürzlich vorgestellten Ryzen-­5000G-Kombiprozessoren „Cezanne“ mit sechs, sieben oder acht Compute Units behält der Chiphersteller bislang aber ausschließlich PC-Herstellern vor, weshalb sie nur wenige Online-Shops führen. Die Vorgänger der Serie Ryzen 3000G „Picasso“ wiederum sind technisch nicht mehr auf dem neuesten Stand und wegen der Chipknappheit etwa 50 Prozent teurer als vor der Pandemie. Erst Anfang August kommen in Gestalt von Ryzen 5 5600G und Ryzen 7 5700G attraktive CPUs mit aktueller Zen-3-Technik und integrierter Grafik als Boxed-Varianten in den Handel (siehe S. 33).

Anschlussvielfalt

Sowohl bei AMD als auch bei Intel verteilen sich die einzelnen GPU-Bestandteile auf unterschiedliche Funktionsblöcke des Prozessors. Diese kommunizieren über den Ring-Bus (Intel) beziehungsweise das Infinity Fabric (AMD) miteinander. Bei den Core-i-CPUs sitzt der Display-­Controller für die Grafikausgänge beispielsweise im sogenannten System Agent, der auch den PCI Express Root Hub und den Speicher-Controller enthält. Das verringert den Energiebedarf: Die fertig berechneten Bilddaten liegen im Arbeitsspeicher, von wo sie sich der Display-Controller direkt holen kann. Somit können sich die übrigen Funktionsblöcke des ­Prozessors schlafen legen, wenn sich der Bildschirminhalt nicht ändert.

Die aktuellen Core-i-Prozessoren der 11. Generation für Desktop-PCs (Rocket Lake) und Notebooks (Tiger Lake) können wie die Ryzen-Prozessoren der Serien 3000G, 4000G und 5000G nun vier ­Monitore parallel ansteuern. Die vier ­Display-Pipes arbeiten flexibel als DisplayPort, DVI, HDMI sowie im DisplayPort-­Alter­nate-Mode von USB-C oder als ­Embedded DisplayPort (eDP) für Notebook-Panels. Typ und Anzahl der tatsächlich nach außen geführten Anschlüsse hängen jedoch vom jeweiligen Mainboard oder Notebook ab. Die genannten Prozessoren können per HDMI 2.0 und DisplayPort 1.4 über jede Display-Pipe einen 4K-Monitor ruckelfrei mit 60 Hertz ansteuern.

Sind 3D-Inhalte wie PC-Spiele oder die 3D-Ansicht von Google Maps zu berechnen, kommen die Shader-Kerne zum Einsatz. Diese Recheneinheiten belegen vergleichsweise große Teile des Prozessors-Dies.

Der Aufbau entspricht denen verwandter Grafikkarten, nur dass letztere viel mehr Einheiten haben. Intel hat in den letzten Monaten mit Xe eine neue GPU-Architektur eingeführt, von der es künftig auch leistungsstarke Gaming-Grafikkarten geben soll. Technisch handelt es sich dabei aber um keine Revolution, sondern um eine kontinuierliche Weiterentwicklung der bisherigen integrierten GPUs, weshalb Intel sie auch als Gen 12 bezeichnet.

Um die Leistung zu steigern, hat Intel im Vergleich zur Gen 11 die maximale Taktfrequenz von 1,1 auf 1,45 GHz und die Zahl der Execution Units um 50 Prozent von 64 auf 96 erhöht.

Zusätzlich zum Level-3-Cache innerhalb der Xe-GPU kann die Grafikeinheit auf den L3-Cache der CPU-Kerne zu­greifen, der dann als Level-4-Cache dient. Der Chiphersteller bezeichnet letzteren deshalb auch als Last-Level-Cache, um Verwirrung zu vermeiden und weil er der letzte Cache vor dem gemeinsam genutzten Hauptspeicher ist.

AMD hat beim Generationswechsel von Ryzen 3000G auf Ryzen 4000G im vergangenen Jahr stattdessen die Zahl der Shader in der GPU reduziert: Statt elf Compute Units gibt es bei den Ryzen 4000G und 5000G maximal acht. Durch den Umstieg auf 7-Nanometer-Technik konnte der Chiphersteller aber den Maximaltakt der iGPU von 1,4 auf 2,1 GHz kräftig steigern und somit die Performance dennoch erhöhen.

Angespielt

Wie leistungsfähig die verschiedenen iGPUs sind, haben wir mit fünf Spielen unterschiedlicher Genres getestet. Dabei handelt es sich zum Teil um Dauerbrenner wie Die Sims 4, Dota 2 oder World of ­Warcraft, aber auch um aktuellere Titel wie Anno 1800. Bei der Auswahl haben wir solche Spiele genommen, die integrierte Grafikeinheiten nicht von vorn ­herein überfordern.

Statt der Bildrate haben wir in der ­Tabelle auf dieser Seite jeweils angegeben, mit welchen Einstellungen das Spiel jeweils die für eine flüssigen Ablauf notwendigen Bilder pro Sekunden erreichte. Im Parcours traten die jeweils stärkste Xe-GPU der Mobil- und Desktop-Prozessoren mit 96 beziehungsweise 32 EUs und die zweitstärkste integrierte Radeon-Grafik mit 7 CUs gegeneinander an – das Spitzenmodell stand uns nicht zur Verfügung. Zum Vergleich haben wir eine Grafikkarte der 150-Euro-Klasse vom Typ GeForce GTX 1050 gegenüber gestellt.

Im synthetischen Benchmark 3DMark Firestrike lag die größte Intel-iGPU mit 5284 Punkten fast auf dem Niveau der GeForce-Karte (5795 Punkte) und deutlich vor der AMD-Grafik (3657 Punkte). Doch in der Praxis relativierte sich der Vorsprung: Radeon- und Xe-GPU lieferten sich bei 3D-Spielen ein Kopf-an-Kopf-Rennen. Bei Die Sims 4 und Dota 2 reichte es bei Full-HD-Auflösung bei beiden für die höchste Qualitätsstufe, bei letzterem Spiel sogar für über 60 Bilder pro Sekunde.

Bei der Städtesimulation Cities: Skylines und dem Online-Rollenspiel World of Warcraft mit der Erweiterung Shadowlands mussten wir die Qualität bei den iGPUs reduzieren, damit der Spielspaß erhalten blieb. Beim Hin und Herscrollen vermiesen sonst Ruckler die Laune. Anno 1800 kann man klar als Grafikkartenspiel bezeichnen, dort hatte schon die GeForce GTX 1050 zu kämpfen. Die Grafik sieht allerdings auch auf niedrigster Stufe ansprechend aus, ganz im Unterschied zu Sims 4 (siehe oben). Wenig empfehlenswert für Gelegenheitsspieler trotz Xe-­Architektur ist die UHD-700-Grafik der Core-i-­Desktop-Prozessoren. Beschnitten auf 32 EUs erreicht sie lediglich 2259 Punkte im 3DMark Firestrike und taugt nur für anspruchslose Titel wie Die Sims 4.

Bewegtbilder

Zusätzlich zu den flexibel einsetzbaren Shader-Kernen enthalten moderne Prozessoren spezialisierte Funktionseinheiten für das De- und Encoding von Videoformaten. Sie können zwar nur exakt die dafür notwendigen Operationen durchführen, benötigen dabei aber viel weniger Energie als die CPU-Kerne. AMD und Intel packen sie jeweils in einen separat angebundenen Funktionsblock, sodass sich die ­Videoeinheiten unabhängig vom Shader-­Block der GPU komplett schlafen legen können und umgekehrt.

Was die Videofähigkeiten betrifft, ­stehen die Xe-GPUs an der Spitze. Außer etablierten, teils schon Jahrzehnte alten Codecs wie MPEG2, VC1 und H.264/AVC übernehmen Sie auch bei anspruchsvolleren, neuen Formaten H.265/HEVC, VP9 und AV1. Vor allem die beiden letztgenannten haben große Bedeutung, weil die Videoplattformen YouTube und der Streaming-Anbieter Netflix sie zunehmend einsetzen. Die Codecs sind zwar rechenintensiver, benötigen aber für vergleichbare Videoqualität geringe Bitraten als ihre Vorgänger. Das spart Platz auf dem Server und Leitungskapazität im Internet.

Im Praxistest spielte der Core i5-11600K mit der UHD-750-Grafik AV1-­Videos mit 4K-Auflösung hardware­beschleunigt mit unter 2 Prozent CPU-Last ab. Der Task Manager von Windows 10 zeigt zudem die Auslastung der Videoeinheiten der GPU an, die bei rund 20 Prozent lag. Bei 8K-Auflösung kamen die sechs Prozessorkerne hingegen ins Schwitzen, denn im Unterschied zu HEVC und VP9 können die Xe-GPUs AV1 nur maximal bis 4K-Auflösung abspielen. Die CPU-Last erreichte deshalb rund 40 Prozent, während die Videoeinheiten Däumchen drehten. Bei VP9 klappte auch 8K mit unter 4 Prozent CPU-Last, die Video-­Engine war zu 80 Prozent ausgelastet.

AMD hinkt bei den Videofähigkeiten der integrierten GPUs sowohl Intel als auch den eigenen Grafikkarten hinterher. Die Ryzen 4000U/H/G und 5000U/H/G verwenden noch den Funktionsblock Video Core Next 2.0 (VCN 2.0) der Vega-­Generation, dem zum Beispiel die Unterstützung für den AV1-Codec fehlt. Bei der Mobil-CPU Ryzen 3 4300U lag deshalb die CPU-Last bei der Wiedergabe eines AV1-Videos mit 4K-Auflösung mit 60 Prozent wesentlich höher als beim Intel-­System – das leert den Akku rasch. Die 15-Watt-Modelle der Ryzen-Prozessoren können zudem nur 4K-Videos beschleunigen, während das bei den leistungsstär­keren 45- und 65-Watt-CPUs auch in 8K-­Auflösung bei HEVC und VP9 klappt.

Fazit

In vielen Belangen erreichen die im Prozessor integrierten Grafikeinheiten inzwischen das gleiche Funktionsniveau wie deutlich teurere Grafikkarten. Bei den Videofähigkeiten hat Intels aktuelle Xe-Grafik klar die Nase vorn.

Für Gelegenheitsspieler sind lediglich die stärksten iGPUs von AMD und Intel interessant. Sie können in guter Qualität massentaugliche Spiele darstellen, die ­darauf ausgelegt sind, auch auf schwachen GPUs flüssig zu laufen. Die UHD-700-Grafik von Intel ist dafür nur eingeschränkt empfehlenswert.

Vor allem für Office-PCs und -Notebooks ist eine iGPUs eine sinnvolle Option, die Strom und bei der Anschaffung Geld spart. Aber auch bei Rechnern mit einer Grafikkarte kann sich die integrierte Grafik als Retter in der Not erweisen. Bei einem Defekt der Karte kann man den PC so weiter verwenden, bis Ersatz eintrifft. (chh@ct.de)