AMD Radeon lernt FreeSync über HDMI und High Dynamic Range

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amd radeon 2013In der vergangenen Woche trafen sich Mitarbeiter der Radeon Technologies Group im kalifornischen Sonoma. Vermutlich wurden hier viele Weichen für das kommende Jahr hinsichtlich neuer Grafikkarten gestellt – Details dazu werden aber bis auf absehbare Zeit intern bleiben. Mit einigen Details wollte man nun aber doch an die Öffentlichkeit und spricht über einige Neuheiten im Zusammenspiel zwischen GPU und Monitor, die im kommenden Jahr eine Rolle spielen sollen. Dazu gehören FreeSync über HDMI, die Unterstützung von High Dynamic Range, eine verbesserte Low Framerate Compensation sowie den kommenden Verbindungsstandard DisplayPort 1.3.

Auf einige Details werden wir auf den kommenden Seiten nun genauer eingehen, die Veränderungen erläutern und versuchen abzuschätzen, was das jeweilige Feature dem Nutzer bringen wird.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015

Den Anfang der Neuankündigung macht die Unterstützung von High Dynamic Range (HDR). HDR beschreibt eine höhere Darstellung von Helligkeitsunterschieden und einem größeren Dynamikumfang im Vergleich zu Standard Dynamic Range (SDR) HDMI 2.0a beispielsweise unterstützt grundsätzlich eine Übertragung in HDR, Amazon Prime Instant Video bietet einige Inhalte in den USA inzwischen damit an, die neuen 4K-Blu-rays sollen ebenfalls den höheren Dynamikumfang unterstützen. Netflix will Anfang 2016 ebenfalls erste Inhalte mit HDR-Unterstützung anbieten.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Um die Unterschiede zwischen HDR und SDR zu kennen, muss man folgendes wissen: Ähnlich wie bei den Bildwiederholungsraten von Monitor- und Fernseh-Panels schleppen die Hersteller auch bei den Übertragungstechniken noch Altlasten mit sich herum, die aus der Zeit der Röhrenmonitore stammen. Dazu gehört das Fehlen von Übertragungsstandards, die zusätzliche Informationen, wie eben zum Beispiel HDR, an die Ausgabegeräte liefern können. Also auch wenn Kino- und Fernsehproduktionen mit HDR-Informationen aufgenommen werden, werden diese Informationen bei der Übertragung wieder entfernt und heruntergerechnet. Dies betrifft den Farbraum ebenso wie Kontrast und Leuchtdichte, die aktuell bei maximal etwa 100 cd/m² liegt. Dies sorgt dafür, dass ein Schwarz nicht wirklich schwarz ist und bei zu hellen Darstellungen Informationen teilweise verloren gehen.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Nun gibt es aber mehrere Ebenen innerhalb der Erstellung von Video-Inhalten, die aufeinander abgestimmt werden müssen. Dazu gehören das Aufnahmeverfahren, die Bildbearbeitung, die Distribution in Form von Medien und eben die Darstellung auf dem Display selbst. Die Hersteller von Fernsehern und Monitoren versuchen dies mit eigenen Dynamic-Profilen und Anpassungen etwas abzufangen, doch verlorengegangene Informationen lassen sich im Nachhinein nicht mehr hinzufügen und so können diese Details allenfalls interpoliert werden. Auch technisch stehen die Hersteller dabei noch vor Herausforderungen, denn die Vorgaben von HDR lassen sich derzeit noch nicht direkt umsetzen. So bieten LC-Panels die notwendige Helligkeit, rechen beim Schwarzwert aber nicht an die Darstellungsqualität heran, wie sie OLED-Panels bieten. Auch die Hintergrundbeleuchtung muss weiter verbessert werden, um eine dynamischere Leuchtdichte zu erreichen. Einzelne Bereiche des Panels müssen deutlich granularer angesteuert werden, was die Hintergrundbeleuchtung deutlich komplexer und schwieriger macht als dies aktuell der Fall ist.

Für Darstellungen mit einer solch hohen Dynamic gibt es wie im Audio-Bereich auch bereits einen Standard namens Dolby Vision. Dieser sieht beispielsweise eine maximale Leuchtdichte von bis zu 4.000 cd/m² vor, was ein Vielfaches der aktuell möglichen Leuchtdichte entspricht. Bis wir solche Darstellungen auch im heimischen Wohnzimmer bewundern werden können, werden noch Jahre vergehen. Außerdem fehlt es an weiteren technischen Voraussetzungen, von denen HDMI 2.0a nun eine sein will.

So bietet HEVC derzeit als einziger "Consumer"-Codec die Möglichkeit, HDR-kodierte Inhalte wiederzugeben. Für solche Übertragungen wie sie Dolby Vision vorsieht, werden ebenfalls bestehende Codecs verwendet, die dann aber um weitere Daten erweitert werden. Nur Dolby-Vision-Geräte können damit überhaupt umgehen und auch die Datenrate steigt um bis zu ein Viertel an, was zusätzlich Probleme bereiten kann.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Nicht nur größere Helligkeitsunterschiede können via HDR übertragen und ausgegeben werden, auch der Dynamikumfang bei den Farben ist mit HDR größer. Der sRGB- und Adobe-RGB-Farbraum dürfte den meisten etwas sagen. Darüber hinaus definiert sind Rec. 2020 und Digital Cinema (DCI) HDR-10 UHD TV mit deutlich erweitertem Farbraum, die in weiten Bereichen den Farbraum des menschlichen Auges ausfüllt.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Auf die Übertragung und Darstellung von HDR folgt natürlich noch das Encoding. Hier will AMD in den nächsten Jahren ebenfalls neue Standards etablieren und bereits bestehende in seine eigenen Hard- und Software-Strategien einpflegen. Auch das Encoding folgt alten Vorgaben von 1930, die durch neue Standards wie dem 10-Bit ST 2084 ersetzt werden sollen.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015

Wie auch bei den Filmen ist HDR in Spielen keine neue Erfindung. Bei Spielen wurde mit HDR versucht, einen größeren Dynamikbereich zu simulieren, denn intern konnte zwar damit gerechnet werden, ausgegeben werden konnte die Darstellung aber nur auf dem klassischen Wege, denn weder die Ausgabeseite der Grafikkarten, noch die Übertragung und schon gar nicht die Displays könnten die mit HDR-gefüllten Informationen ausgeben. Damals noch wurde eine übersättigte Darstellung von Lichteffekten als HDR-Darstellung verstanden, die natürlich keineswegs einer echten HDR-Darstellung entsprechen konnte.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Über die Vorteile von HDR sind wir uns also sicherlich im klaren. AMD lässt aber noch zahlreiche Fragen offen. So ist keine aktuelle Grafikkarte mit AMD-GPU in der Lage, einen HDMI-2.0-Ausgang anzusteuern. Allerdings ist HDR auch per HDMI 1.4b möglich, was von einigen aktuellen Karten unterstützt wird. Während dies für die nächste GPU-Generation im Laufe des Jahres bei AMD allerdings erwartet wird, dürfte sich das Durchsetzen an HDMI-2.0a-Endgeräten für die volle Unterstützung in UltraHD bzw. 4K noch etwas hinauszögern. Anfang 2015 wurde die dazugehörige Spezifikation auf Seiten des HDMI-Konsortiums festgezurrt. Wann und in welcher Form erste Geräte mit HDMI 2.0a auf den Markt kommen werden, ist derzeit nicht bekannt. Ebenso offen ist die Frage, ob HDMI-2.0-Geräte zu HDMI 2.0a kompatibel sind.

Übersicht der Kompatibilität

Auflösung:

1080p bei 120 Hz
10bpc

1440p bei 60 Hz
10bpc

2160p bei 30 Hz
10bpc

2160p bei 60 Hz
10bpc
GPU-Serie: Radeon R9 300 Serie Radeon R9 300 Serie Radeon R9 300 Serie Radeon R9 300 Serie
Display-Ausgänge: HDMI 1.4b
DisplayPort 1.2
HDMI 1.4b
DisplayPort 1.2
HDMI 1.4b
DisplayPort 1.2
HDMI 1.4b
DisplayPort 1.2
Inhalte:

Spiele
Fotos

Spiele
Fotos
Spiele
Fotos
Spiele
Fotos
Filme

Bereits auf der Computex in diesem Jahr zeigte AMD, dass FreeSync auch per HDMI funktioniert. Im Unterschied zur Implementation im DisplayPort-Standard verwendet AMD hier allerdings keine offene Lösung, sodass noch unklar ist, wohin AMD mit FreeSync per HDMI möchte. Bisher ist nicht absehbar, dass FreeSync in einer kommenden Variante von HDMI wird einfließen können. Die Monitorhersteller werden aber sicherlich nicht auf einen proprietären Standard setzen, wie sie es bei G-Sync von NVIDIA tun müssen. Außerdem würde sich AMD in diesem Punkt selbst wiedersprechen, denn FreeSync wird als offener Standard beworben.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Allerdings scheint man es mit der Umsetzung von FreeSync über HDMI ernst zu meinen. DisplayPort und HDMI gehören zu den meistverbreiteten Übertragungsstandards im Büro und im Wohnzimmer. Beide abzudecken ist daher sicherlich keine schlechte Idee, da man nicht nur einen Großteil der Kombinationen aus AMD-Grafikkarten und Monitor anspricht, sondern den weitaus größten Teil – neben DisplayPort und HDMI wird es zukünftig auf absehbare Zeit keinen weiteren Übertragungsstandard mehr geben. Außerdem spricht man mit der Unterstützung von FreeSync über HDMI die Notebookhersteller an, die häufiger auf HDMI setzen als auf DisplayPort.

Bereits im ersten Quartal soll es soweit sein und AMD will die Umsetzung von FreeSync per HDMI am Markt anbieten können. Mit der Radeon Software Crimson Edition hat man auch bereits den ersten Treiber vorgestellt, der zumindest theoretisch in der Lage ist, FreeSync per HDMI zu unterstützen. Natürlich kann dieser aktuell nur von AMD oder von Partner, mit denen man in diesem Bereich zusammenarbeitet, in dieser Form genutzt werden.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Den Nachteil der fehlenden Unterstützung einer proprietären Technologie, denn nichts anderes ist FreeSync über HDMI, will AMD direkt im Keim ersticken und nennt zahlreiche Partner, die sich bei der Entwicklung und Unterstützung beteiligen. Mit Acer, LG und Samsung hat man ein paar Monitor-Hersteller mit an Bord und rechnet bestimmt auch damit, einige weitere präsentieren zu können.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Natürlich will man der zukünftigen Entwicklung des HDMI-Standards nicht im Wege stehen. Sollte es also eine Erweiterung geben (zum Beispiel ein mögliches HDMI 2.1), die eine offene FreeSync-Unterstützung vorsieht, wird sich AMD daran beteiligen wollen. Ausdrücklich erwähnt wird von AMD zudem, dass hersteller-spezifische Erweiterungen im HDMI-Standard vorgesehen sind. Dies kann aber natürlich nicht darüber hinwegtäuschen, dass es sich zunächst einmal nicht um eine offene Erweiterung handelt.

Weniger überraschend ist, dass AMD in zukünftigen GPUs die volle Kompatibilität einbauen wird. Wichtig ist AMD aber auch, dass alle anderen Bereiche des HDMI-Standards beibehalten werden. Dies gilt für ältere Varianten, aber auch für zukünftige Versionen.

Konkrete Ankündigungen macht man ebenfalls heute. Ob es für den Erscheinungstermin für alle Monitore beim ersten Quartal 2016 bleibt, bleibt abzuwarten:

Monitore mit Unterstützung für FreeSync über HDMI

Hersteller und Modell

Auflösung

Bildschirmdiagonale

Panel
Acer XF290C 2.560 x 1.080 Pixel 27 Zoll -
LG 34UM58A 2.560 x 1.080 Pixel 29 / 34 Zoll -
LG MP68 1.920 x 1.080 Pixel 21,5 / 23 / 23,8 / 27 Zoll -
Samsung CF791 3.440 x 1.440 Pixel 34 Zoll -
Samsung CF770 1.920 x 1.080 Pixel 23,5 / 27 Zoll -
Samsung CF591 1.920 x 1.080 Pixel 27 Zoll -
Samsung CF390 1.920 x 1.080 Pixel 21,5 / 23,5 / 27 Zoll -
Samsung SF350

1.920 x 1.080 Pixel

20 / 23,5 / 27 Zoll -

Neben der Auflösung und Bildschirmdiagonalen dürfte für Spieler aber noch interessant sein, welches Panel jeweils eingesetzt wird und welche Bildwiederholungsraten möglich sind. Hierzu werden wir vielleicht auf der CES Anfang Januar weitere Details in Erfahrung bringen können.


Auch wenn Technologien wie FreeSync auf den ersten Blick nur Vorteile für den Nutzer haben, so gibt es hier dennoch einige Fallstricke und Probleme, die sich aus der Technik ergeben. Auch diese will AMD im kommenden Jahr angehen bzw. hat dies mit der Radeon Software Crimson Edition bereits getan.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Die Low Framerate Compensation (LFC) ist bei der Kompensation eines der Probleme von FreeSync ein entscheidender Faktor. Fällt die Framerate unter die minimale Bildwiederholungsraten des FreeSync-Displays, kommt es normalerweise zu einem kurzen Stottern. Eigentlich soll genau das durch FreeSync verhindert werden. Ein Algorithmus erkennt nun, wenn die Framerate unter die minimale Bildwiederholungsrate des Displays fällt und hält die Ausgabe an Frames am Ausgang eben über dieser Schwelle. Dabei kann es natürlich dazu kommen, dass ein Frame mehrfach ausgegeben wird, ohne jedes mal neu gerendert zu werden.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Eine Bedingung für eine funktionierende Low Framerate Compensation ist, dass der Monitor eine um den Faktor 2,5 höhere maximale FreeSync-Bildwiederholungsrate beherrscht als die Minimum-FreeSync-Bildwiederholungsrate. Im Falle des ASUS MG279Q ermöglicht dieser eine FreeSync zwischen 35 und 90 Hz. Dies entspricht genau der Vorgabe um den Faktor 2,5. Da nicht alle FreeSync-Monitore diese Bedingung erfüllen, gilt es beim Kauf zu prüfen, in welcher Spanne der Monitor mit FreeSync arbeitet. Eine Kennzeichnung ist nicht geplant. Als Monitor-Hersteller sollte man dies dem Kunden also näherbringen und explizit darauf hinweisen.

Die Low Framerate Compensation ist eine in Software umgesetzte Technologie. Sie kann an zukünftige Anforderungen und Entwicklungen angepasst werden. Derzeit ist der Bereich zwischen 35 und 30 FPS entscheidend und hier spielen die Panel-Hersteller eine wichtige Rolle.


Auch wenn bisher die HDMI-Schnittstelle eine entscheidende Rolle gespielt hat, so wird im kommenden Jahr auch eine größere Verbreitung von DisplayPort 1.3 erwartet. Ende 2014 wurde DisplayPort 1.3 verabschiedet, gut 18 Monate später ist mit der ersten Umsetzung zu rechnen. Neben AMD wird sicherlich auch NVIDIA im kommenden Jahr auf DisplayPort 1.3 setzen.

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DisplayPort 1.3 geht einher mit HBR3 (High Bit Rate 3). Dies beschreibt die höhere Übertragungsrate von DisplayPort 1.3, die für die reine Verbindung bei 32,4 GBit/s liegt. Für die Videoübertragung bleiben 25,92 GBit/s übrig. DisplayPort besitzt bei der Bandbreite einige Vorteile gegenüber HDMI 2.0 und wird beispielsweise bei UltraHD/4K- oder sogar 5K-Auflösungen verwenden. Aktuell sind bei letztgenannter Auflösung noch zwei DisplayPort-Verbindungen notwendig. Mit dem Dell UltraSharp UP2715K haben wir uns einen solchen Monitor angeschaut.

DisplayPort 1.3 sollen die gleichen Verbindungen und Kabel voraussetzen, wie DisplayPort 1.2. Allerdings gilt es hier etwas Vorsicht walten zu lassen, denn erst kürzlich mehrten sich Berichte, die durch minderwertige Kabel und Verbindungen bei hohen Auflösungen und Bildwiederholungsrate von Problemen sprachen. Eine kleine Anleitung haben wir in diesem Zusammenhang vor wenigen Tagen gegeben.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Für AMD ist nun wichtig zu betonen, dass man im Jahr 2016 GPUs vorstellen wird, die DisplayPort 1.3 unterstützen werden. Im vierten Quartal 2016 wird der Nutzer vermutlich erstmals einen Vorteil daraus ziehen können, denn dann wird die Verfügbarkeit erster Panels erwartet, die bei UltraHD/4K eine Bildwiederholungsrate von 120 Hz ermöglichen. Damit werden auch FreeSync-Monitore in diesem Bereich interessanter als sie dies heute durch die Limitierung der Verbindung und der Panels der Fall ist.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Bereits angesprochen haben wir die heute per DisplayPort 1.2 mögliche Ansteuerung von 5.120 x 2.880 Pixel eines 5K-Displays, wozu aber zwei Kabelverbindungen notwendig sind. DisplayPort 1.3 ermöglicht dies über eine Kabelverbindung und Mitte 2016 rechnet AMD damit, dass mehr und mehr Hersteller eine solch hohe Auflösung anbieten werden.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Neben der simplen Ansteuerung von immer höheren Auflösungen soll DisplayPort aber auch bei bewährten Auflösungen neue Möglichkeiten bieten. Je geringer die Auflösung, desto höhere Bildwiederholungsraten werden damit möglich bzw. das Signal kann mit High Dynamic Range übertragen werden.


Auch wenn das Dezember-Update der Radeon Technologies Group keine konkreten Ankündigungen mit sich bringt, so ist doch zu sehen, dass man sich bei AMD bemüht die Marschrichtung nicht nur intern vorzugeben, sondern diese auch nach Außen zu kommunizieren. Die heutige Ankündigung konzentriert sich auf die Ausgabe, die Displays und die Übertragung der dazugehörigen Bildsignale.

High Dynamic Range

So wie die Auflösung und vor allem die Pixeldichte in jüngster Vergangenheit angezogen haben, wird HDR in nächster Zeit ein wichtiger Bestandteil der Darstellung auf Monitoren sein. Wer einmal vor einem HDR-Inhalt und hier vor allem vor einem Video gesessen hat, will den Schritt zurück nicht mehr. Die Parallele zu den Pixeldichten bei den mobilen Geräten (Smartphone, Tablet und Notebook – die Desktop-Displays hinken teilweise noch hinterher) ist hier naheliegend.

Allerdings ist das aktuelle Ökosystem noch nicht darauf vorbereitet und es reicht auch nicht aus, wenn die Grafikkarte dies intern beherrscht. An erster Stelle stehen die Inhalte, die zwar mit entsprechenden Aufnahmeverfahren (zumindest bei Kino- und professionellen TV-Produktionen) aufgezeichnet und in der Post-Produktion so verarbeitet werden, spätestens aber bei der Ausgabe und Darstellung gehen diese zusätzlichen Informationen meist aber wieder verloren. AMD kann zumindest das Encoding und die Ausgabe über die entsprechenden Anschlüsse sicherstellen. HDMI 1.4b bzw. HDMI 2.0a sowie DisplayPort 1.3 bieten die entsprechenden Voraussetzungen und AMD will diese Entwicklung 2016 weiter anführen.

Das größte Fragenzeichen befindet sich auf Seiten der Displays. Am deutschen Markt ist bisher nur ein einziger Monitor gelistet, der HDR unterstützt. Der Panasonic TX-65CZW954 bietet bei 65 Zoll eine Auflösung von 3.840 x 2.160 Pixel und eben die Unterstützung für HDR – kostet dafür aber auch etwa 9.500 Euro. Die neue Blu-rays sowie zahlreiche Streaming-Dienste wollen 2016 als Startschuss für HDR sehen. Bei den Monitor- und TV-Herstellern scheint dieser Ruf noch nicht angekommen zu sein.

FreeSync über HDMI

Bisher beschränkte sich die AMD mit FreeSync auf die DisplayPort-Verbindung. Damit soll nun Schluss sein und FreeSync soll auch per HDMI möglich sein. Die Frage nach der Offenheit des Standards ist sicherlich der Knackpunkt, denn mit FreeSync über DisplayPort wird eine frei zugängliche Technologie propagiert. FreeSync ist kein Bestandteil der HDMI-Spezifikation. Diese erlaubt aber eine Erweiterung der Standards und entkräftet damit das Argument des nicht mehr freien Standards. In welcher Form AMD FreeSync über HDMI dem Hersteller zugänglich macht, ist uns derzeit nicht bekannt.

Mit FreeSync über HDMI eröffnet AMD zumindest eine weitere Möglichkeit für die eigene Technologie, wenngleich es über DisplayPort keinerlei Einschränkungen gibt. Alle modernen disktreten Grafikkarten verwenden DisplayPort und für die Monitor-Hersteller dürfte es ebenfalls kein Problem sein, einen solchen Eingang zu verbauen. FreeSync für HDMI ist sicherlich eher eine Alternative für den mobilen Bereich, denn an Notebooks findet sich eher ein HDMI- als ein DisplayPort-Anschluss.

AMD Radeon Technologies Group Update Dezember 2015
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Low Framerate Compensation

Mit der Radeon Software Crimson Edition verbessert AMD die FreeSync-Technologie in Bereichen, die bisher problematisch waren. Über die Low Framerate Compensation soll verhindert werden, dass ein ständiges Schwanken zwischen 30 und 40 FPS dazu führt, dass sich FreeSync bei 35 Hz einsetzt und wieder abschaltet. Bei aktiver LFC wird der aktive Bereich von FreeSync bis auf 30 Hz verringert. Es geht allerdings weniger darum einen Extremfall ständig abzudecken, als vielmehr darum zu verhindern, dass kurze Framedrops zu einem Stottern führen.

Low Framerate Compensation steht allerdings nicht auf allen FreeSync-Monitoren zur Verfügung. Eine Bedingung ist die Spanne zwischen minimaler und maximaler Bildwiederholungsrate, die nicht bei allen Monitoren um den Faktor 2,5x gegeben ist.

DisplayPort 1.3

Um den zukünftigen Anforderungen an die Übertragung von Bildsignalen gerecht zu werden, plant AMD natürlich auch den Einsatz von DisplayPort 1.3. Die höheren Datenraten machen Displays mit 3.840 x 2.160 oder 5.120 x 2.880 Pixel bei hohen Bildwiederholungsraten erst möglich und sind außerdem eine Voraussetzung für Funktionen wie HDR bei solch hohen Auflösungen.

Mit DisplayPort 1.3 geht AMD nun konsequent einen Weg weiter, den man mit HDMI 2.0 bei den aktuellen Grafikkarten mit Fiji-GPU etwas verschlafen hat. Üblicherweise sind die Grafikkarten dem Markt an Monitoren und Fernsehern etwas voraus, was zuletzt bei AMD nicht immer der Fall war. Der Einsatz von DisplayPort 1.3 und eventuell HDMI 2.0, auch wenn sich AMD dazu nicht explizit geäußert hat, ist daher sicherlich wenig spektakulär, als vielmehr sinnvoll und notwendig, um bei der aktuellen Entwicklung mithalten zu können.