18.07.2012, 10:10

Friedrich Stiemer

Hardware-Grundlagen

Die Grafikkarte Bild für Bild erklärt

Wir erklären Ihnen Bild für Bild den Aufbau einer Grafikkarte - hier die Nvidia Geforce GTX 680. ©Nvidia

Jeder gute PC hat eine dedizierte Grafiklösung: In unserem Ratgeber erklären wie Ihnen Bild für Bild den Aufbau einer Grafikkarte.
Früher hat die CPU die Grafikarbeit übernommen, doch gute Grafikkarten sind für potente Systeme unabdingbar und stellen PC-Games nicht nur flüssig dar, sondern sie beschleunigen auch Multimedia-Anwendungen und sind deshalb auch für Grafik- oder Video-Spezialisten nicht mehr wegzudenken. Sie verfügt über einen eigenen Prozessor (GPU = Graphics Processing Unit), einen eigenen Speicher und über Schnittstellen, um die visuellen Signale auf den Monitor zu bringen. Was in den Grafikbeschleunigern drin steckt und wie die einzelnen Komponenten zusammenspielen, klären wir in unserem Ratgeber am Beispiel des aktuell schnellsten Modells, der Nvidia Geforce GTX 680.

Das Herzstück: Der Grafikprozessor, kurz GPU

Wie auch bei einer herkömmlichen CPU sorgt die GPU für die Berechnung, in diesem Fall für die der Grafikausgabe von Texturen und speziellen Grafikfunktionen wie Kantenglättung. Doch sie verarbeiten auch Video- und Audio-Signale und bieten spezielle Decoder dafür. Aktuelle GPUs übertreffen Prozessoren in der Rechenleistung und deshalb setzen sie Wissenschaftler und Techniker in Supercomputern ein, um überaus aufwändige parallele Berechnungen zu meistern. Aber auch im Aufbau selbst überbieten die Grafikprozessoren eine klassische CPU.
Der Grafikchip der Nvidia Geforce GTX 680 beherbergt im Inneren rund 3,5 Milliarden Transistoren (elektronische Bauelemente um elektrische Signale zu Verstärken oder zu Schalten), im Top-Prozessor Intel Core i7-3960X stecken nur 774 Millionen der kleinen Teile. AMDs aktuelles Flaggschiff AMD Radeon HD 7970 protzt schon richtig mit 4,3 Milliarden Transistoren. Der Maß der Dinge bei der Herstellung von GPUs ist derzeit das 28-Nanometer-Fertigungsverfahren, die bei kleinerem Raum effizientere und vor allem leistungsfähigere Chips erlaubt.
Der sogenannte RAMDAC (Random Access Memory Digital/Analog Converter) ist der Digital-Analog-Wandler, dessen Leistung die Hersteller in MHz angeben. Er ist maßgeblich für die Bildqualität verantwortlich, da er die binären Informationen der Grafikkarte für den Monitor in Spannungen umsetzt, also digitale in analoge Signale. Bei neueren Monitoren und Grafikkarten entfällt der Zwischenschritt über den Chip, da die beiden Geräte sowieso nur noch digital miteinander kommunizieren.Mittlerweile ist der Chip standardmäßig schon im Grafikprozessor integriert.
Die Ablage: Der Grafikspeicher
Der Grafikspeicher der Grafikkarte dient als Ablage der verarbeiteten Daten der GPU. Die Kapazität des Speichers limitiert letztendlich die maximale Farbtiefe und Bildauflösung. Neue Grafikkarten verfügen über mehrere Gigabyte Speicher: Die AMD Radeon HD 7970 kann rund 3 GB DDR5-Speicher aufweisen, die Nvidia Geforce GTX etwa 2 GB. Die Abkürzung "DDR" bedeutet Double Date Rate und ist mittlerweile in der fünften Version zu haben. Wie der Name schon sagt, erfolgt dadurch eine Verdopplung der Transferrate durch die Datenübertragung auf zwei Taktflanken.
Die Chips beinhalten mehrere Speicherbereiche: dem Framebuffer, dem z-Buffer, den Vertex- und Pixel-Shadern, den Geometriedaten und den Texturdaten. Jeder einzelne Bereich bietet Platz für bestimmte Pixel und zugehörige Informationen, beispielsweise der Position, der Lage und der Farbtiefe der Pixel in einem dargestellten Objekt.

Cool bleiben: Der Grafikkarten-Kühler

Wie auch ein klassischer Prozessor produziert auch der Grafikchip Abwärme im Betrieb. Die komplette Verlustleistung (TDP) muss die Grafikkarte als Wärmeenergie abführen. Deshalb existieren drei Möglichkeiten, diese Wärme abzuführen.
Die gängigste ist es, einen Radiator zu verbauen, der aktiv die aufkommende Hitze an die Umgebung abgibt, indem ein Kühlkörper sie an den Lüfter weiterleitet. Ein gutes Beispiel für ein komplett überarbeitetes Kühl-Design hat Asus im Portfolio. "DirectCU" nennt sich das Design und kommt bei der links abgebildeten Asus Geforce GTX 680 DirectCU 2 TOP zum Einsatz. Diese Variante ist zwar günstig, doch sorgt aber auch für störende Geräusche bei starker Auslastung. Genau hier soll die passive Kühlung eine Alternative sein:
Anstatt auf einen röhrenden Lüfter setzt die Lösung auf große und umfassende Kühlkörper in Verbindung mit sogenannten Heatpipes (Wärmeleitrohren aus leitenden Material wie Kupfer), die die thermische Energie durch Konvektion (also Strömung) nach Außen abgeben. Der Vorteil ist, dass keine Störgeräusche entstehen, aber allzu große aufkommende Abwärme schafft die passive Kühlung nicht. Zusätzlich kann der große Kühlkörper zu einem hohen Gewicht der Grafikkarte und somit zu einer schwereren Belastung des Steckplatzes führen. Sapphire hat mit der Ultimate-Serie eine beliebte passiv gekühlte Grafikkarten-Reihe im Angebot - links zum Beispiel die Sapphire HD 7750 Ultimate.
Die teuerste Alternative ist die Wasser- oder Flüssig-Kühlung: Genau wie beim herkömmlichen Prozessor transportiert der ständige Wasser- oder Flüssigkeits-Kreislauf die entstehende Abwärme zum Radiator, der die Energie letztendlich nach Außen abgibt. Das ist zwar die effektivste, aber auch die teuerste Lösung. Links sehen Sie eine wassergekühlte Geforce GTX 680 von EVGA namens Hydro Copper. Zum Problem könnte bei allen drei Lösungen der Platz sein: Je größer das Design ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass der benachbarte Steckplatz nicht mehr nutzbar ist.

Die System-Schnittstelle: Der PCI-Steckverbinder

Die am häufigsten verwendete Schnittstelle zwischen der Grafikkarte und dem Mainboard ist die PCI-Express-Schnittstelle (Peripheral Component Interconnect Express). Die goldenen Kontakte an der Unterseite stellen die Verbindung her und damit den Anschluss zur Datenübertragung zum System. Der Status-Quo ist PCI-Express 3.0 und sorgt dafür, dass selbst - theoretisch - große Datenmengen ihren Weg in den Betrieb finden. Früher war dafür der Steckplatz AGP (Accelerated Graphics Port) zuständig, doch mit den steigenden Taktraten und Speichermengen hat die Verbindung mittlerweile ausgedient.

Auf den Schirm: Die Video-Schnittstellen

Um die visuellen Inhalte auch auf den Bildschirm zu bringen, ist natürlich auch ein externer Signalausgang nötig. Neue Grafikkarten verfügen meist nur noch über Schnittstellen, die Signale digital übersetzen: einmal HDMI, einmal DVI und ein Displayport sind oft schon Standard. Gang und Gäbe war früher auch noch VGA, um die Signale analog zu übertragen, doch im Zuge des Fortschritts verzichten immer mehr Hersteller auf die analoge Bildwiedergabe. Der Vorteil der digitalen Übertragung ist die bessere Bildqualität gegenüber analogen Signalen.
Es ist auch nicht selten, dass Hersteller auch andere Signalaus- oder -eingänge verbauen: Beispielsweise TV-/Video-Out, Component-Out oder auch Cinch-Buchsen sind möglich, da die GPUs auch Video und Ton verarbeiten können.

Weitere Komponenten der Grafikkarte

Die PCI-Stromanschlüsse: Leistungsfähige Grafikkarten verlangen auch nach großen Energiemengen, die der PCI-Express-Slot alleine nicht mehr stemmen kann. Deshalb soll ein direkter Anschluss an das System-Netzteil die ausreichende Leistungsaufnahme gewährleisten. Gängig sind 6- bis 8-polige PCI-Anschlüsse. Besonders hungrige Grafikkarten verlangen sogar nach zwei 8poligen Steckern, aber mittlerweile sind die Karten auch durch die effizientere 28-Nanometer-Fertigung etwas genügsamer und benötigen nur noch zwei 6polige PCI-Anschlüsse. Richtig sparsamen Grafikbeschleunigern brauchen auch oft überhaupt keine zweite Stromversorgung.
SLI- / Crossfire-Schnittstelle: An der Oberseite befinden sich die Kontakte, um zwei oder mehrere Grafikkarten mit Hilfe von sogenannten Brücken im Verbund zu betreiben. Die Brücke ist nötig, um gemeinsam Daten auszutauschen und die Ressourcen auf die Berechnungen aufzuteilen. Die Brücke ermöglicht eine Datenübertragung von bis zu 1 GB zwischen den GPUs, ohne dabei Bandbreite des PCI-Steckplatzes zu beanspruchen. Nvidia nennt die Technik SLI, AMD führt die Bezeichnung Crossfire.

Andere Grafiklösungen - Integriert oder für die Industrie

Günstigere Laptops oder PCs verzichten oft auf eine eigene Grafikkarte, stattdessen setzen sie auf die integrierten Grafikkerne im Prozessor selbst, wie sie in den Intel Core i-CPUs seit der Clarkdale-Architektur (2010) oder in den AMD-Fusion-Prozessoren (2011) enthalten sind. Auch das Mainboard selbst kann über eine Grafikeinheit verfügen, die entweder in den Chipsätzen integriert ist oder eigene Grafikprozessoren, die die Hersteller fest auf der Platine verdrahten.
Diese Lösungen erlauben zwar günstigeres Geräte, aber aufwändige Grafik-Effekte oder komplexe Spiele sind meistens nicht ruckelfrei möglich - außer, Sie reduzieren die Details rigoros auf ein Minimum.
Neben dem Hausgebrauch der Grafikkarten, die üblicherweise ihren Fokus auf Gaming haben, existieren auch noch spezielle Grafiklösungen für die Industrie, Gewerbe und Wissenschaft. So steht in diesen Anwendungsgebieten mehr die GPGPU-Leistung (General Purpose Computation on Graphics Processing Unit) im Vordergrund, also die Berechnung von technischen oder wirtschaftlichen Aufgaben, die weit über reine Spielegrafik hinausgeht. Hierfür stehen unterschiedliche Programmiersprachen wie Nvidias (proprietäres) Cuda, OpenCL oder auch OpenGL zur Verfügung.
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