Hardware-Grundlagen

Die Grafikkarte Bild für Bild erklärt

Mittwoch den 18.07.2012 um 10:10 Uhr

von Friedrich Stiemer

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

Die derzeit leistungsfähigste GPU: Nvidia GK104, Codename
Kepler.
Vergrößern Die derzeit leistungsfähigste GPU: Nvidia GK104, Codename Kepler.
© Nvidia

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 komplexe Aufbau der GK104 von Nvidia
(Kepler).
Vergrößern Der komplexe Aufbau der GK104 von Nvidia (Kepler).
© Nvidia

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

Die Speicherchips der Nvidia Geforce GTX 680.
Vergrößern Die Speicherchips der Nvidia Geforce GTX 680.
© Nvidia

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

Der Kühlkörper und der Lüfter.
Vergrößern Der Kühlkörper und der Lüfter.

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.

Ein gewaltiges Kühl-Design auf der
Asus-Grafikkarte.
Vergrößern Ein gewaltiges Kühl-Design auf der Asus-Grafikkarte.

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:

Die passiv gekühlten Grafikkarte der Ultimate-Reihe von
Sapphire.
Vergrößern Die passiv gekühlten Grafikkarte der Ultimate-Reihe von Sapphire.

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 EVGA-Grafikkarte kühlt effetkiv mit Wasser.
Vergrößern Die EVGA-Grafikkarte kühlt effetkiv mit Wasser.
© EVGA

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

Über die goldenen Kontakte erfolgt die Anbindung ans
System.
Vergrößern Über die goldenen Kontakte erfolgt die Anbindung ans System.
© Nvidia

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

Hier die Anschlüsse der Nvidia Geforce GTX 680:
Displayport, HDMI und zwei Mal DVI (von links nach
rechts).
Vergrößern Hier die Anschlüsse der Nvidia Geforce GTX 680: Displayport, HDMI und zwei Mal DVI (von links nach rechts).
© Nvidia

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

Zwei 6polige PCI-Stromanschlüsse der XFX Radeon HD 7950
Black Edition.
Vergrößern Zwei 6polige PCI-Stromanschlüsse der XFX Radeon HD 7950 Black Edition.

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.

Der Kontakt, um die SLI-Brücke anzustecken.
Vergrößern Der Kontakt, um die SLI-Brücke anzustecken.
© Nvidia

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

Für professionelle Anwendungen eine Grafikkarte von
AMD.
Vergrößern Für professionelle Anwendungen eine Grafikkarte von AMD.
© AMD

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.

Mittwoch den 18.07.2012 um 10:10 Uhr

von Friedrich Stiemer

Kommentieren Kommentare zu diesem Artikel (16)
  • deoroller 20:37 | 20.07.2012

    Desktop-PCs werden sicher aussterben, wenn die Rohstoffpreise nicht mehr bezahlbar sind. Bis dahin werfen 1-2 Mrd. alle 2 Jahre den PC weg und kaufen sich einen neuen und dazu noch Smartphone, Tablets, Konsolen und was sonst noch von Apple erfunden wird.

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  • magiceye04 20:22 | 20.07.2012

    Bei mir gings sofort bunt los, aber nur mit 320 x 256 Auflösung.
    Statt Grafikkarte gabs halt nur einen HF-Modulator.

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  • chipchap 23:29 | 19.07.2012

    Zitat: magiceye04
    Naja, das was die Karten anfangs an Grafikdarstellung erledigt haben, kann man nicht als Arbeit bezeichnen.
    Nö.
    Aber 40 x 25 Zeichen waren doch auch schon was.
    Die Hercules hat dann alles umgekrempelt ... .
    Wie schön war die 2 (3) Helligkeitsstufen-Darstellung.
    Nach 8 Stunden vorm PC 1715 mit ähnlichem Geflimmer haben mir immer die Augen weh getan.
    Das war ja alles so schön bunt hier.

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  • magiceye04 22:29 | 19.07.2012

    Zitat: kikaha

    Das war vor über 31 Jahren..........

    Naja, das was die Karten anfangs an Grafikdarstellung erledigt haben, kann man nicht als Arbeit bezeichnen.
    Wirklich schuften mußten die Karten erst ab den Voodoo/GeForce-Karten.

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  • chipchap 11:55 | 19.07.2012

    Zitat: kikaha
    ... Wer in 10 Jahren noch einen Desktop PC hat......der gehört ins Museum.

    Bei entsprechender Bezahlung stell ich mich da jetzt schon rein ... .
    Ab 4bit aufwärts kann ich was erzählen.

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