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Anforderungen an die DAW-Echtzeitperformance

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Anforderungen an die DAW-Echtzeitperformance

DAW Echtzeitperformance

Irgendwann kommt der Moment, in dem der alte Rechner nicht mehr genug Leistung hat und ein neues Gerät her muss. Und bei diesem Audio PC wird alles anders, denn diesmal ist Geld vorhanden. Auch der Plan könnte kaum besser sein: mit hohem finanziellen Druck möglichst viel Leistung in das System pressen.

Viel hilft viel, also am besten gleich zwei CPUs mit mindestens zwölf Kernen pro Stück und RAM ohne Ende in die Kiste packen. Ein erster Cinebench-Test liefert sensationelle 5.000 Punkte. Da läuft Dir bei dem Gedanken, gleich zwanzig Instanzen Kontakt gleichzeitig live spielen zu können, schon das Wasser aus dem Mund aufs Keyboard.

Dumm nur, dass Projekte, die auf dem alten i7 Rechner noch gut funktionierten, auf der neuen Dual-Xenon-Übermaschine so gar nicht rund laufen wollen. Obwohl die CPU-Auslastung in der DAW bei gerade mal 25 % steht, gibt es ständig Knacker, Pops und Tonaussetzer. Kein Wunder, zeigt die Realtime CPU-Peak-Anzeige doch ständig Overload an.

Realtime CPU

Realtime CPU

Aus dem Internet ist zu erfahren, dass sich dieses Problem ganz einfach durch Erhöhen der Puffergröße des ASIO-Treibers lösen lässt. Und tatsächlich: Sobald dieser Wert auf 1.024 Samples steht, sind weder Knacker noch Audio-Aussetzer mehr zu hören und auch das CPU-Realtime-Peak-Meter dümpelt knapp über zwei drittel vor sich hin. Problem gelöst?

Nicht ganz, denn wenn man nun auf dem MIDI-Keyboard einen Akkord auf einem virtuellen Instrument oder mit der E-Gitarre eine Verstärkersimulation spielen möchte, dauert es gefühlt eine Ewigkeit, bis etwas aus den Lautsprechern erklingt. Auch bei der Einstellung von Equalizern, Kompressoren und Effekten vergeht zwischen Einstellung eines Parameters und dessen hörbarer Änderung zu viel Zeit, sodass es kaum möglich ist, die Einstellung zu beurteilen. So kann man weder weitere Spuren einspielen, bearbeiten oder einen Song mischen. Der neue, teure und technisch eigentlich überlegene Rechner ist eine einzige Enttäuschung.

Wie kann das sein? Der neue Dual-Xeon-Rechner ist doch fast fünf Mal schneller als der alte i7. Am Audio-Interface und dessen Treibern kann es nicht liegen, denn es handelt sich um das gleiche Gerät, das im alten Rechner anstandslos seinen Dienst verrichtete.

Sonderfall Audio-Echtzeitbetrieb

Im Gegensatz zu den meisten rechenintensiven Anwendungen, wie etwa Video oder 3D-Rendering, bei denen die absolute CPU-Leistung zählt, ist im Audio- und Musikbereich die Echtzeitleistung des Systems entscheidend. Ein Musiker, der in einer DAW via MIDI-Keyboard ein virtuelles Instrument live zum Playback einspielt, muss die gespielten Noten unmittelbar im musikalischen Zusammenhang des Playback hören. Es bringt ihm nichts, wenn die Noten 100 Millisekunden später zu hören sind, denn besagter Kontext besteht längst nicht mehr. Für ein menschenwürdiges Arbeiten am Musik-PC sollte diese auch als Latenz bezeichnete Verzögerung nicht über 8 bis 10 Millisekunden liegen - weniger ist natürlich immer besser.

CPU

CPU

Für den Musiker ist also nur die CPU-Leistung interessant, die er innerhalb dieses Zeitfensters nutzen kann. CPU-Leistung, die nicht in Echtzeit zur Verfügung steht, verpufft im Audiobetrieb mehr oder weniger nutzlos. Dabei wären die meisten CPUs tatsächlich schnell genug, wenn Sie denn störungsfrei arbeiten könnten.

Buffer Size und IRQs

Um zu verstehen, was einen reibungslosen Audiobetrieb in Echtzeit so schwierig macht, hilft es, den vereinfacht dargestellten Weg eines Audiosignals vom Eingang des Audio-Interfaces hin zur DAW bis hin zum Lautsprecher mit allen unterwegs lauernden Stolpersteinen zu verfolgen.

Nachdem das Audiosignal im Analog-Digital-Wandler des Audio-Interface in digitale Daten umgewandelt wurde, werden diese erst einmal in einem Zwischenspeicher (Puffer, engl.: Buffer) abgelegt, bevor sie zur weiteren Berechnung an die CPU weitergeleitet werden. Diese Zwischenspeicher sind notwendig, da die CPU trotz schneller Taktung nicht alle Aufgaben gleichzeitig erledigen kann. Entsprechend werden diese nacheinander abgearbeitet. Im Audiobereich wird die Größe dieser Buffer in Samples oder Millisekunden angegeben. Die Zeit, die zwischen Eingang des Audiosignals am AD-Wandler, der Berechnung durch die CPU und der Ausgabe am DA-Wandler vergeht, bezeichnet man als Latenz oder genauer als Roundtrip-Latenz.

IRQ

Der Treiber des Audio-Interface schickt nun eine Anfrage - IRQ (Interrupt Request) - an die CPU. Hat die CPU gerade nichts zu tun, arbeitet sie diese Anfrage ab. Nach Berechnung durch die CPU wird das Datenpaket wieder zurück zum Audio-Interface geschickt und in einem Zwischenspeicher abgelegt, bis es schließlich über den Digital-Analog-Konverter des Audio-Interfaces in ein analoges Signal umgewandelt wird, dass man über die Lautsprecher hören kann.

Ganz nebenbei muss die CPU aber auch noch alle anderen Aufgaben der DAW und des Betriebssystems erfüllen. Dazu gehören beispielsweise die Echtzeitwiedergabe von MIDI-Noten über virtuelle Instrumente, die Wiedergabe einer Mischung eines Playbacks mit 24 Spuren mitsamt Equalizern, Dynamikeffekten und Nachhall, aber auch die Bildausgabe via Grafikkarte, die Überwachung der Position Ihres Mauszeigers und viele andere lästige Dienste.

Im Idealfall schafft es der Rechner, all diese Prozesse innerhalb oder unterhalb der eingestellten Größe des Zwischenspeichers zu vollziehen und reiht kontinuierlich Datenpaket an Datenpaket. Wird die CPU allerdings von einer Anfrage eines Geräts dauerhaft belegt, etwa weil der Treiber eines Lan-Adapters miserabel programmiert wurde, fehlt auf einmal ein Datenpaket und das Audiosignal wird so lange unterbrochen, bis ein neues Datenpaket anliegt. Das nehmen wir dann als unschönen Audioaussetzer oder Knacksen wahr.

Deffered Procedure Call

Da die CPU keinerlei Ahnung davon hat, welche der Anfragen zu einem gegebenen Zeitpunkt wichtiger als andere sind, arbeitet Sie einfach stur ihre Liste mit IRQs der Reihe nach ab. Egal, wie dringend die Anfrage des Audio-Interface ist, vorher will der Drucker unbedingt noch wissen, wie hoch der Tintenfüllstand ist und die Grafikkarte ist brennend an neuen Treibern interessiert.
Um solche Szenarien zu vermeiden, hat Microsoft den sogenannten Deffered Procedure Call (DPC) eingeführt. Vereinfacht gesagt, ermöglicht der Deffered Procedure Call eine Bevorzugung bestimmter Aufgaben. Dies erlaubt es etwa den Treibern eines Audio-Interfaces, sich mithilfe des DPC in der IRQ-Liste vor die unkritischen Anfragen von Drucker und Grafikkarte zu drängeln. So lässt sich sicherstellen, dass die Datenpakete, die vom Audio-Interface kommen, auch rechtzeitig bearbeitet werden.

Wie schnell DPCs und IRQs in einem System ausgeführt werden, lässt daher Aussagen über die Echtzeitfähigkeit und somit der Eignung eines Systems für den Audiobetrieb zu.

Driver Latency

DPC Latenz messen

Wenn Sie überprüfen möchten, wie sich Ihr System in Sachen DPC-Latenz schlägt, können Sie dies mit der Software Latency Monitor von Resplendence (www.resplendence.com) relativ schnell und einfach herausfinden. Installieren Sie Latency Monitor und starten Sie den Testlauf über die Start-Taste. Falls Ihr System gerade erst gebootet hat, warten Sie ein paar Minuten, bis alle nach dem Start anfallenden Aufgaben erledigt sind und alles rund läuft. Achten Sie darauf, dass kein anderes Programm im Hintergrund läuft, bevor Sie die Messung starten.

Bereits während der Messung können Sie anhand der Farbe der Messbalken und dem darüber liegenden Textfeld erkennen, wie es um die Echtzeitfähigkeit Ihres Systems bestellt ist. Wie immer steht Grün für die Hoffnung und Rot für Schande.

Nach ca. 3 Minuten beenden Sie die Messung. Im Textfeld wird nun angezeigt, ob Ihr System echtzeitfähig ist oder nicht. Ist es das nicht, können Sie unter dem Reiter "Driver" im Detail nachschauen, welche Treiber für die Verzögerungen verantwortlich sind, indem Sie nach "Highest ecexution (MS") sortieren.

DPC Highest Execution Time

Wie Sie diese Daten interpretieren und wie Sie weiter vorgehen, erfahren Sie auf der Resplendence Homepage, bitte beachten Sie ganz unten die Links mit der Überschrifft "LatencyMon documentation and articles".

Informationen zu den angezeigten Treibern finden Sie am besten mittels einer Suche im Internet.

Referenzwerte DPC

Ein gut für den Audiobetrieb konfiguriertes System sollte bei "Highest measured interrupt to DPC latency" den Wert von etwa 100 bis 500 Mikrosekunden  nicht überschreiten. Anfragen mit langen Zeiten können sich in ungünstigen Situationen direkt hintereinander anstellen.

Leider liegen selbst teure High Performance Workstations von etablierten Herstellern mit Werten von über 200 bis teils 1.000 Mikrosekunden deutlich darüber. Mit extrem niedrigen DPC-Latenz-Werten von 5 bis 50 µs sind die Audio Workstations von DA-X einsamer Spitzenreiter, was auch durch die hervorragende Audio-Performance in der Praxis bestätigt wird. Diese Spitzenposition wird seit über 15 Jahren regelmäßig durch zahlreiche unabhängige Tests etablierter Fachmagazine wie etwa CT, Digital Production, KEYS oder Professional Audio bestätigt.

Die Kunst, einen leistungsfähigen Audio-PC zu bauen.

Trotz moderner Multicore-CPUs und schnellen SSDs ist der Aufbau eines leistungsfähigen Audio-PCs auch im Jahr 2018/2019 keine triviale Angelegenheit. Aufgrund der eingangs beschriebenen Eigenheiten und besonderen Anforderungen, die ein leistungsfähiger Audio-PC erfüllen muss, stellt auch dessen Aufbau und die Konfiguration des Betriebssystems besondere Anforderungen an den Hersteller. Aber wo liegen denn nun genau die Unterschiede zwischen einer DAX-Audio-Workstation und den Performance-Workstations der großen/anderen Hersteller?

Hardware-Konfiguration

Die Unterschiede beginnen bereits beim Gehäuse. Ein Audio-PC sollte so leise wie möglich, das Gehäuse stabil, akustisch gut dämmbar und frei von störenden Resonanzen im Hörbereich sein. Der CPU-Kühler und -Lüfter sollten so groß dimensioniert sein, dass eine hohe Kühlleistung bereits bei niedrigen Drehzahlen und somit niedrigen Geräuschpegeln erreicht wird. Auch für das Netzteil und alle übrigen Komponenten, wie etwa Grafikkarte gelten diese Ansprüche: leistungsstark und dabei leise.

Cinebench

Bei der Auswahl der CPU gilt es, jenes Modell auszusuchen, das im realen DAW-Betrieb die höchstmögliche in Echtzeit nutzbare Leistung erzielt. Leider lassen sich aber von der absoluten CPU-Leistung, die sich gut über den Cinebench Multi-CPU Test ermitteln lässt, kaum Rückschlüsse auf die reale Audioleistung ziehen. Ein anschauliches Beispiel hierfür ist der Vergleich der AMD Ryzen 7 1700 CPU, die in einer Workstation des Autors verbaut ist mit der Intel i7 8086K, die in einer DAX-Workstation zum Einsatz kommt:
Im Cinebench-Test ist die AMD-CPU zwar ein paar Punkte schneller. Sobald es aber um Echtzeitleistung im Audiobereich geht, fällt die Ryzen-Workstation gegenüber der in der DA-X-Workstation verbauten Intel-CPU deutlich ab. Und dieser Umstand lässt sich eben auf die Abstimmung der Hardwarekomponenten aber auch auf die eingesetzten Treiber zurückführen.

Wichtig sind neben der DPC Problematik CPU Modelle mit einer besonders hohen Taktung und erst dann hoher Anzahl von Kernen.

OS/Software-Konfiguration

Das Ryzen Beispiel zeigt, dass auch die schnellste CPU, der schnellste Quad-Channel RAM-Speicher und superflinke SSDs ihre Leistung nicht voll entfalten können, wenn sie von einem schlecht konfigurierten Betriebssystem ausgebremst werden. Die Liste der potentiellen Bremsklötze ist lang und hängt nicht zuletzt vom Zusammenspiel der installierten Hard- und Software ab. Prinzipiell kann jede Hardware, jeder Treiber, jeder Windows-Dienst oder im Hintergrund laufendes Programm das System ausbremsen.

Latency

Latency

Die Kunst einen gut laufenden Audio PC zu bauen, besteht darin, sämtliche im System installierten Hard- und Software-Komponenten im Zusammenspiel mit diversen Audio-Interfaces und DAW-Anwendungen auf optimale Verträglichkeit zu testen. Das beginnt bei der Auswahl des Mainboards, des RAM, der CPU, Massenspeicher, Netzwerkadapter und Grafikkarten und setzt sich bei der Konfiguration des BIOS und des Betriebssystems, des Netzwerkadapters usw. fort. Welches Mainboard ist am besten für welche CPU geeignet? Ergibt Quad-Channel-RAM bei diesem System Sinn? Läuft eine M.2-SSD besser als eine PCIe-SSD? Nehme ich als Library-Speicher eine SSD oder reicht eine konventionelle Festplatte? Welche Dienste können abgeschaltet werden, ohne dass die Funktionalität des Betriebssystems leidet?

Klasse statt Masse

Die genannten Schritte sind für große PC-Hersteller in der Massenproduktion kaum umsetzbar und aufgrund der geringen im Audio-PC-Markt verkauften Stückzahlen finanziell auch wenig attraktiv. Die meisten Hersteller von High-Performance-PCs/Workstations sorgen zwar auf dem Papier für eine schnelle Hardware-Ausstattung, die bei 3D- und HD-Videoschnitt auch gut funktioniert. Allerdings wird diese in seltensten Fällen für den kritischen Audio-Echtzeitbetrieb konfiguriert oder gar optimiert. Ob die Kombination aus Komponenten, Treibern und dem OS auch wirklich reibungslos und mit niedrigen Latenzen funktioniert, wird nicht überprüft, geschweige denn garantiert. Das führt dazu, dass selbst teure, enorm leistungsfähige Workstations renommierter Hersteller aufgrund der Hard- und Softwarekonfiguration für den Audio-Echtzeitbetrieb oft ungeeignet sind und die teure Leistung ungenutzt verpufft.

Mehrwert

Doch im Audiobereich ist genau dieses Wissen bei der Auswahl der Hardware-Komponenten und die notwendige Erfahrung bei der Konfiguration des Betriebssystems die eigentliche Leistung des Herstellers. Neben den Kosten für Hardware und Installation, macht dieses Wissen einen großen Anteil am eigentlichen Wert einer Audio-Workstation aus. Digital Audionetworx hat sich dieses Know-how über Jahre hinweg in aufwändigen Testreihen erarbeitet und beantwortet diese mit jeder Hard- und Software-Generation aufs Neue.

Als Kunde profitieren Sie bei einer individuell nach Wunsch gefertigten DAX-Workstation am Ende von einem stabilen, nahezu geräuschlosen und dennoch gut gekühlten System mit viel CPU-Leistung, die Sie auch tatsächlich in Echtzeit nutzen können. Eine individuell konfigurierte DAX-Workstation kostet dabei meist kaum mehr, als die Massenware von der Stange. Darüber hinaus stellt die zusätzliche in Echtzeit nutzbare Audioleistung für Sie als Kunden einen nicht zu unterschätzenden Mehrwert dar, da Sie aus einer preiswerteren Hardware deutlich mehr Leistung herausholen können.

21. Januar 2019
Posted in: Pro Audio Guide