RTX IO und DirectStorage: Der neue Datenpfad, wenn die GPU SSD-Daten entpackt

Seit Jahren folgt die Ladearchitektur von Videospielen einem linearen Muster: Die Daten gelangen vom Speicherlaufwerk in den Arbeitsspeicher des Systems, wo die CPU die Dekomprimierung übernimmt, bevor sie sie an die GPU weiterleitet. Dieser Ablauf funktioniert zwar, belastet aber die Rechenkerne erheblich – besonders dann, wenn moderne Spiele-Engines Tausende kleiner Ein-/Ausgabeanfragen pro Sekunde verarbeiten.

Laut der Microsoft-Dokumentation zu DirectStorage können herkömmliche Win32-APIs einen ganzen CPU-Kern allein für den Verwaltungsaufwand des Betriebssystems beanspruchen. Dadurch lässt sich die Bandbreite moderner NVMe-Laufwerke nur eingeschränkt nutzen, denn die CPU wird zum Engpass, noch bevor das Laufwerk selbst an seine Grenzen kommt. Die Abhängigkeit von der CPU zu verringern ist das zentrale Ziel neuer Technologien für beschleunigten Speicherzugriff.

In diesem Zusammenhang sind Latenz und die Zahl gleichzeitiger Übertragungen entscheidend: Jeder API-Aufruf umfasst einen Wechsel zwischen Speicherbereichen, eine Datenkopie und eine Dekomprimierung, die Taktzyklen beansprucht. Wiederholen sich diese Vorgänge Hunderte oder Tausende Male, leidet die Gesamtleistung des Spiels. Die Folge sind lange Ladezeiten und unerwünschtes Pop-in in offenen Spielwelten.

NVIDIA RTX IO ist eine Technologie-Suite, die schnelles Laden und GPU-basierte Dekomprimierung von Assets ermöglicht. Laut der offiziellen NVIDIA-Dokumentation können komprimierte Daten mit minimalem Umweg über den Systemspeicher in den GPU-Speicher übertragen werden. Die GPU verwendet das Komprimierungsformat GDeflate, um Daten mit hohem Durchsatz zu dekomprimieren. Dadurch kann die CPU andere unterstützende Aufgaben übernehmen.

Die Verwendung von GDeflate, einem offenen Komprimierungsstandard, ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Architektur. NVIDIA zufolge erreicht RTX IO eine Ein-/Ausgabeleistung, die die Bandbreite moderner NVMe-Geräte auslasten kann. Die Dekomprimierung mit ZLib auf der CPU schafft es dagegen nicht, dieselbe Bandbreite auszulasten. Das zeigt, wie effizient sich diese Aufgabe auf die GPU-Architektur verlagern lässt. Verlustfreie Komprimierung kann außerdem die Download- und Installationsgröße von Spielen verringern und so SSD-Speicherplatz sparen.

Zur Veranschaulichung wurden Tests mit einem Beispielspiel durchgeführt, die bei aktiviertem RTX IO eine Verringerung der gesamten Ladezeit um 70 % zeigen. Das verbessert nicht nur den ersten Eindruck für Spielerinnen und Spieler, sondern setzt auch CPU-Ressourcen für Beleuchtungs- und Physikeffekte in Echtzeit frei.

DirectStorage ist eine Microsoft-API, die als Softwareebene Anwendungen den direkten Zugriff auf NVMe-Speicherhardware ermöglicht und den Großteil des Betriebssystem-Overheads beseitigt. Laut der Entwicklerdokumentation ist DirectStorage auf hohe Bandbreite bei geringer CPU-Auslastung ausgelegt und kann bis zu 50.000 Anfragen pro Sekunde verarbeiten, während höchstens 10 % eines einzelnen CPU-Kerns beansprucht werden.

Die API ist nicht auf eine bestimmte GPU-Marke beschränkt. Sie dient als Standard, über den Entwickler effizient auf Speicherfunktionen zugreifen können. Im NVIDIA-Ökosystem arbeitet DirectStorage mit RTX IO zusammen, um die Dekomprimierung auf der GPU zu ermöglichen. Die Microsoft-Dokumentation für Xbox Series X|S beschreibt, wie DirectStorage eng mit der zugrunde liegenden NVMe-Hardware zusammenarbeitet, um die Leistung zu maximieren. Dieser Ansatz wurde auch auf die Windows-Desktopplattform übertragen.

Der wichtigste Vorteil ist der geringere Kontextwechsel zwischen Kernel und Benutzermodus: DirectStorage-Aufrufe sind asynchron und blockieren die CPU nicht. So können Spiele-Engines eine konstante Bildrate beibehalten, selbst wenn sie große Datenmengen einlesen.

Damit diese Technologien ihre volle Leistung entfalten können, muss das System bestimmte Hardwareanforderungen erfüllen. Eine NVMe-Solid-State-Drive an einem schnellen PCIe-Bus ist unverzichtbar, denn der Hauptvorteil beruht darauf, die Speicherbandbreite auszulasten. SATA-Laufwerke und mechanische Festplatten können die RTX-IO-Architektur aufgrund ihrer begrenzten Latenz- und Übertragungsgeschwindigkeit nicht nutzen.

Auf der Softwareseite muss die GPU eine Architektur unterstützen, die GDeflate-Dekomprimierung ermöglicht. NVIDIA hat die Technologie an GeForce-RTX-Grafikkarten gebunden, insbesondere ab der Serie 30, die Architekturverbesserungen für solche Aufgaben einführte. Außerdem muss das Betriebssystem die DirectStorage-API unterstützen. Unter Windows sind dafür aktuelle Versionen erforderlich, die entsprechende Verbesserungen des Speicher-Stacks enthalten.

Endanwendern wird empfohlen, die NVIDIA-Treiberversion und das Windows-10/11-Update mit DirectStorage-Unterstützung zu überprüfen. Die offizielle Dokumentation enthält eine Prüfliste, mit der sich die Kompatibilität leichter feststellen lässt.

Es ist wichtig, zwischen den technischen Möglichkeiten der Architektur und der Leistung zu unterscheiden, die Nutzerinnen und Nutzer in einem bestimmten Spiel tatsächlich wahrnehmen. NVIDIA zufolge kann RTX IO die Ein-/Ausgabeleistung im Vergleich zu herkömmlichen Festplatten um bis zu das 100-Fache steigern. Diese Zahl bezieht sich jedoch auf die Datenübertragungskapazität und bedeutet nicht zwangsläufig, dass sich die gesamte Ladezeit in jedem Szenario entsprechend verkürzt. Die tatsächliche Ladezeit hängt davon ab, wie die Spiele-Engine diese APIs implementiert und wie komplex die geladenen Assets sind.

Die Kompatibilität eines Spiels garantiert keine sichtbare Verbesserung, wenn der Titel nicht für DirectStorage oder RTX IO optimiert wurde. Viele aktuelle Spiele verwenden weiterhin herkömmliche Ladepfade. Eine schnelle NVMe-SSD und eine RTX-GPU allein reichen daher nicht aus, um diese Vorteile zu aktivieren. Die Implementierung durch den Entwickler entscheidet darüber, ob Nutzer schneller laden und Texturen flüssiger streamen können.

In Vergleichsstudien zeigen Titel, die beide Technologien integrieren, eine um 30 % geringere Latenz beim Laden von Texturen und eine um 15 % höhere anhaltende Bildrate in anspruchsvollen Szenen.

Ob ein Spiel diese Technologien nutzt, lässt sich anhand der technischen Dokumentation des Titels oder der Versionshinweise des Entwicklers prüfen. Die Verwendung der DirectStorage-API im Spielcode ist ein klares Indiz; für die Aktivierung der GPU-Dekomprimierung ist jedoch eine spezielle Integration von RTX IO erforderlich. Unabhängige Leistungstests sind die einzige Möglichkeit, festzustellen, ob die Verbesserung bei einer bestimmten Hardwarekonfiguration erheblich ist.

Um die Auswirkungen dieser Technologien zu bewerten, sollte die Ladezeit vom Hauptmenü bis zum Spielbeginn gemessen werden. Auch die Häufigkeit, mit der Objekte in offenen Spielwelten plötzlich eingeblendet werden (Pop-in), ist relevant. Zeigt ein Spiel trotz kompatibler Hardware bei diesen Messwerten keine Verbesserung, verwendet es wahrscheinlich nicht den beschleunigten Speicherpfad. Transparente Angaben der Entwickler zur Verwendung dieser APIs sind wichtig, damit Nutzer fundierte Entscheidungen über ihre Hardwarekonfiguration treffen können.

Mit Werkzeugen wie DirectStorage Performance Monitor oder NVIDIA Nsight Compute lässt sich der Datenfluss beobachten und die tatsächliche Verwendung von GDeflate in Echtzeit bestätigen.