Wie funktioniert eigentlich eine Grafikkarte? Einfach erklärt

Das Grundgerüst eines jeden PCs oder ganz allgemein Computersystems bilden schon seit jeher der Hauptprozessor und die Grafikkarte oder zumindest ein in irgendeiner Form integrierter Grafikprozessor.

In diesem Feature vermittelt PC-WELT leicht verständliches Computerwissen und beleuchtet, wie solch eine Grafikkarte und deren Grafikprozessor überhaupt funktionieren. Eines bereits vorab, eine GPU ist nicht automatisch eine Grafikkarte, aber jede Grafikkarte besitzt einen Grafikprozessor und somit eine GPU.

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Eine GPU macht noch keine Grafikkarte

Wie bereits erwähnt: Nur weil ein Computersystem mit einer GPU ausgerüstet ist, bedeutet das noch lange nicht, dass in diesem auch eine Grafikkarte eingebaut ist. Denn es gibt auch Hauptprozessoren, die einen integrierten Grafikprozessor besitzen oder mit Co-Prozessoren, die als Grafikeinheit mit Grafikprozessor ausgelegt sind, zu einer APU („Accelerated Processing Unit“) kombiniert werden.

Die nachfolgenden Hardwarekomponenten und Begrifflichkeiten gilt es zu unterscheiden, wenn von einem Grafikprozessor respektive einer GPU, einer Grafikeinheit oder einer Grafikkarte die Rede ist.

Grafikkarte: Von einer Grafikkarte ist immer dann die Rede, wenn es sich entweder um eine dedizierte Platine, ein sogenanntes PCB (Printed Circuit Board), in Form einer Erweiterungskarte oder um eine eigenständige Platine respektive ein eigenständiges Modul (z. B. im Notebook) handelt. Grundsätzlich verfügen Grafikkarten immer auch über eine GPU.

Grafikprozessor (GPU): Der Grafikprozessor ist gewissermaßen das Gehirn einer jeden Grafikkarte oder auch Grafikeinheit. Ist von einer GPU die Rede, ist damit der Grafikprozessor gemeint. Computersysteme wie Spielkonsolen können über einen Grafikprozessor verfügen, welcher Bestandteil einer Grafikeinheit ist, und besitzen dennoch keine Grafikkarte im klassischen Sinne.

Grafikeinheit: Eine Grafikeinheit ist eine in einem anderen Chip, in der Regel einem Hauptprozessor (CPU), integrierter Grafikprozessor (iGPU), oder ein Co-Prozessor, welcher auf einer Platine gemeinsam mit einer CPU zusammenarbeitet.

Aktuell beliebteste Grafikkarte

Gainward GeForce RTX 4070 Ghost

Wie funktionieren eine Grafikkarte und deren Grafikprozessor?

Eine Grafikkarte, die umgangssprachlich, jedoch nicht korrekt auch als GPU bezeichnet wird, ist eine hoch spezialisierte Hardwarekomponente in einem Systemcomputer. Deren Hauptaufgabe besteht darin, visuelle Daten wie Grafiken und Videos entsprechend zu verarbeiten und auf einem Anzeigegerät auszugeben.

Auf jeder Grafikkarte sitzt ein Grafikprozessor (GPU). Dieser übernimmt die Verarbeitung von 2D- und 3D-Grafiken, Animationen, Videospielen und anderen bildbasierten Inhalten. Die jeweilige Software sendet die Daten zur Darstellung von Objekten, Texturen, Beleuchtung und Effekten an die Grafikkarte, welche diese mit Hilfe der GPU berechnet und beispielsweise über einen Monitor wiedergibt.

Die Hauptaufgabe einer jeden Grafikkarte und deren Grafikprozessor besteht darin, Daten zu verarbeiten und in ein entsprechendes Bild umzuwandeln, welches auf den verschiedensten kompatiblen Anzeigegeräten wiedergegeben werden kann.

Um diese Aufgabe bewältigen zu können, besteht eine Grafikkarte aus mehreren essenziellen Bauteilen respektive Komponenten.

Eine moderne Grafikkarte besteht in der Regel aus einer Leiterplatte, dem sogenannten PCB („Printed Circuit Board“), einem Grafikprozessor, dem Grafikspeicher, einer Spannungsversorgung, einem Kühlungssystem, einem I/O-Bereich mit Anschlüssen für Anzeigegeräte und andere Hardware sowie einer Schnittstelle, um mit der restlichen Hardware kommunizieren zu können.

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Welche Aufgaben kann eine Grafikkarte sonst noch erledigen?

Durch ihre stark parallelisierbare Rechenleistung, welche sowohl für zahlreiche einzelne Prozesse als auch besonders rechenintensive Tasks gleichzeitig („Multithreading“) effektiv eingesetzt werden kann, eignen sich Grafikkarten besonders für komplexe Berechnungen. Abseits der reinen Bildausgabe dienen Grafikkarten für die nachfolgenden Einsatzgebiete auf Computersystemen.

• 3D-Modellierung
• Bild- und Videobearbeitung
• Berechnung und Rendering von Spielen
• Künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML)
• Berechnungen für den Gewinn von Kryptowährungen (Mining)
• Beschleunigung von Wissenschaftsprojekten
• Aufbau von neuralen Netzwerken
• Betrieb einer Blockchain

Die modernen Grafikkarten von heute sind echte Multitalente mit einer enormen Rechenleistung, aber das war bei Weitem nicht immer so.

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Die Grafikkarte ist heute ein echtes Multitalent

Waren die Grafikkarten und deren GPUs in den 1980er-Jahren ausschließlich für die Bildausgabe zuständig, wurden in den 1990er-Jahren die ersten 2D-Fähigkeiten und später rudimentäre 3D-Fähigkeiten integriert. Der Grafikprozessor war zu dieser Zeit noch fest verdrahtet und seine Programmierbarkeit war meist beschränkt auf seine Firmware und sein BIOS. Heute sind Grafikkarten völlig universell einsetzbar, was unter anderem ein Blick auf die größten Server sowie die leistungsstärksten Supercomputer der Welt verdeutlicht.

Waren insbesondere Supercomputer, die beispielsweise so komplexe Berechnungen wie exakte Wettervorhersagen, aktuelle und zukünftige Klimamodelle sowie Simulationen von Atomwaffentests durchführen, noch vor wenigen Jahren von einer großen Zahl leistungsstarker Hauptprozessoren dominiert, haben die GPUs in Form von Beschleunigern diese Vorreiterrolle nun übernommen.

Gibt es besonders bekannte Grafikkarten und Beschleuniger?

Als die bekanntesten Grafikkarten respektive GPUs und Grafikeinheiten, die in traditionellen Computersystemen für Heimanwender und Unternehmen sowie in Spielkonsolen zum Einsatz kommen, haben sich in den vergangenen Jahren die folgenden Modellreihen etabliert:

• AMD
  • AMD Radeon
  • AMD Radeon RX
  • AMD Radeon Pro WX
• Nvidia
  • Nvidia GeForce
  • Nvidia GeForce GT
  • Nvidia GeForce GTX
  • Nvidia GeForce RTX
  • Nvidia Quadro
  • Nvidia RTX
• Matrox
  • Matrox D-Serie
  • Matrox M-Serie
  • Matrox LUMA-Serie
• Intel
  • Intel Arc

In Serversystemen und Supercomputern kommen insbesondere folgende GPU-Beschleuniger zum Einsatz, die Privatanwendern in aller Regel nicht zugänglich sind:

• AMD
  • AMD Instinct
  • AMD Pensando
  • AMD Alveo
• Nvidia
  • Nvidia Grace
  • Nvidia Hopper
  • Nvidia BlueField
  • Nvidia OVX & HGX

Wenn Sie sich jetzt auf die Suche nach der passenden Grafikkarte für ihr Computersystem machen wollen, hilft Ihnen der große Grafikkarten-Vergleich 2023 von PC-WELT weiter.

Grafikkarten-Vergleich 2023: Nvidia GeForce RTX und AMD Radeon RX im Benchmark-Test