Die Technik aktueller Grafikkarten

Spieler wissen, wie wichtig eine Grafikkarte in einem Computer sein kann. Denn ohne leistungsfähige Grafikkarte würden manche Spiele nur halb so viel Spaß machen. Aber: Grafikkarte ist nicht gleich Grafikkarte.

Manche sind Erweiterungskarten, manche auf dem Mainboard und andere sogar im Hauptprozessor integriert. Was es zu beachten gilt, warum Grafikkarten eine eigene Stromversorgung benötigen und weshalb Flachbildschirme nicht per VGA angeschlossen werden sollten, das lesen Sie in diesem Artikel.

Die Detailansicht einer Grafikkarte und all ihre Bauelemente zeigt das Profi-Wissen: „Grafikkarte - Prozessor, Speicher und Kühler“. Der Artikel „Die richtige Grafikkarte für Ihren PC“ erläutert zudem die Unterschiede zwischen klassischen Steckkarten, Onboard-Grafikkarten und integrierten Grafikkarten.

Eine Grafikkarte ist eine PC-Komponente, die sich um die Ausgabe von Daten kümmert. Sie hält dabei nicht nur die darzustellenden Bildinformationen bereit, sondern wandelt diese Daten auch so um, dass der Monitor sie darstellen kann. Ohne Grafikkarte wäre ein Rechner also nicht in der Lage, auf einem Monitor ein Bild darzustellen.

Grafikkarten haben bis zu ihrer modernen Form eine lange Entwicklung hinter sich. Sie bestehen aus einem Prozessor, Arbeitsspeicher und den Schnittstellen zum PC sowie zum Monitor. Diese drei Komponenten können sich entweder auf einer einzelnen Platine in Form einer Steckkarte befinden oder auf verschiedene andere Komponenten des Rechners aufgeteilt sein.

Die Funktionsweise einer Grafikkarte hat sich im Lauf der Jahre kaum verändert. Im Speicher der Grafikkarte legt das Betriebssystem das Bild ab, das auf dem Monitor dargestellt werden soll. Die Grafikkarte wandelt das Bild dann so um, dass es an den Monitor übertragen und von diesem dargestellt werden kann.

Der wichtigste Faktor, um ein Bild auf dem Monitor darzustellen, ist die Auflösung des Monitors. Denn jedes auf dem Monitor gezeigte Bild besteht aus mehreren Hunderttausend kleinen farbigen Bildelementen, den Pixeln. Die Auflösung gibt an, wie viele Pixel breit und wie viele Pixel hoch das darzustellende Bild sein darf. Bei Full-HD-Monitoren beträgt die Auflösung 1920 x 1080 Pixel, was 2.073.600 Bildpunkten entspricht. Bei Röhrenmonitoren war eine Auflösung von 1280 x 1024 gängig.

Für jedes Pixel lässt sich eine von rund 4,3 Milliarden Farben festlegen. Das entspricht einer Farbtiefe von 32 Bit. Um die Darstellung auf dem Monitor zu beeinflussen, verändert das Betriebssystem einfach die Farbe der einzelnen Bildpunkte. Die Grafikkarte sorgt dann dafür, dass das farbveränderte Bild an den Monitor geschickt wird.

Ein Beispiel: Angenommen, Sie bewegen einen weißen Mauszeiger über eine blaue Farbfläche. Dann weist Windows zunächst jedem Pixel eine blaue Farbe zu und ändert an der Stelle, wo der Mauszeiger zu sehen sein soll, die Pixelfarbe von Blau auf Weiß. Bewegen Sie den Mauszeiger nun ein Stück weiter, dann färbt Windows wieder alle Pixel blau und die Pixel an der neuen Position des Mauszeigers wiederum weiß ein.

Die Häufigkeit, mit der der Computer das darzustellende Bild neu zeichnen kann, wird Framerate genannt. Diese Framerate ist etwa bei Computerspielen besonders wichtig, um ein flüssiges Spielerlebnis zu gewährleisten. Damit die Animationen flüssig erscheinen, muss mindestens eine Framerate von 25 Bildern pro Sekunde erreicht werden.

Weil Grafikberechnungen, insbesondere bei Spielen, sehr komplex sind, kann es bei schwächeren PCs oder sehr aufwendig gestalteten Spielen zu sichtbaren Rucklern wegen einer zu geringen Framerate kommen. Die Animationen wirken dann abgehackt und wie in Zeitlupe.

Abhilfe kann dann ein schnellerer Hauptprozessor schaffen – wenn etwa die Animationen der Betriebssystem­oberfläche ruckeln – oder eine leistungsstärkere Grafikkarte, wenn Spiele ruckeln. Umgekehrt kann der Verzicht auf Darstellungseffekte oder die Verringerung der Auflösung und Animationsqualität helfen. Ohne transparente und animierte Fensterrahmen benötigt Windows 7 zum Beispiel deutlich weniger Rechenleistung.

Von der Framerate abgrenzen muss man die Bildwiederholfrequenz des Monitors. Denn die Bildwiederholfrequenz gibt an, wie oft der Monitor das von der Grafikkarte geschickte Bild pro Sekunde darstellen kann. Typischerweise liegt die Bildwiederholfrequenz eines Monitors bei 60 Hz, also 60 Bildern pro Sekunde. Sie bleibt auch dann bei 60 Hz, wenn der Computer nur eine Framerate von 25 Bildern pro Sekunde erreicht.

Als Computer nur Text darstellen konnten, kamen die Grafikkarten noch ohne Grafikprozessor aus, denn der Rechner musste lediglich ein Raster von 80 x 25 Zeichen befüllen. Mit der Einführung von grafischen Bedienoberflächen wie der von Windows, wurde die Rechenlast für die Hauptprozessoren aber immer größer. Es mussten Fenster, Symbole, Text und bewegliche Objekte wie der Mauszeiger gezeichnet werden. Windows-Beschleuniger genannte Gra­fikkarten entlasteten die CPU, indem sie diese Zeichenschritte übernahmen.

Die Grafikprozessoren der Windows-Beschleuniger zeichneten auf Kommando etwa eine Linie, einen Kreis oder ein Viereck, füllten Fläche mit einer Farbe oder gaben Text aus. Diese Berechnungen musste die CPU nicht mehr durchführen. Sie konnte sich auf ihre eigentlichen Aufgaben besinnen und erteilte dem Grafikprozessor lediglich die notwendigen Zeichenbefehle.

Mitte der 1990er-Jahre kamen dann die ersten Grafikkarten auf den Markt, die in der Lage waren, komplexe 3D-Modelle zu berechnen. Insbesondere für Computerspieler war dies interessant. In den letzten Jahren wuchs nicht nur die Rechenleistung dieser 3D-Grafikprozessoren, sondern auch deren Befehlsumfang. Sie berechnen nicht nur 3D-Modelle und Landschaften, sondern legen darauf tapetenartige Texturen, glätten pixelige Kanten, setzen die Szenen ins rechte Licht oder erzeugen aus Millionen kleiner Pixel volumetrische, also räumliche Rauchwolken. Sie sind sogar in der Lage, physikalisch nahezu korrekte Animationen auf der Basis von Masse, Geschwindigkeit und Vektor eines Objekts zu simulieren.

Aber auch für Nichtspieler halten Grafikkarten wichtige Funktionen bereit, etwa zur hardwarebeschleunigten Dekodierung von HD-Filmen.

Wegen des Funktionsumfangs heutiger Grafikkarten reichen ein paar Megabyte Speicher nicht mehr aus. Denn es werden nicht nur die Farbwerte der einzelnen Pixel gespeichert, sondern auch alle zur Berechnung notwendigen Daten. Zwar könnte die Grafikkarte auch einen Teil des Arbeitsspeichers zur Zwischenlagerung nutzen, der Umweg über das Mainboard würde aber zu Performance-Einbußen führen.

Deshalb haben aktuelle spieletaug­liche Grafikkarten sehr schnellen und vor allem viel eigenen Arbeitsspeicher. In diesem Grafikarbeitsspeicher werden Daten wie die 3D-Modelle selbst, die vielen Megabyte an hochauflösenden Texturen sowie verschiedenste Parameter für die Beleuchtung und Animation abgelegt.

Auf einfachen Grafikkarten kamen DRAM oder auch der speziell für Grafikkarten entwickelte VRAM zum Einsatz. Meist waren es 8 MByte oder weniger, die als Grafikspeicher zur Ver­fügung standen. Aktuelle Grafikkarten von Nvidia und AMD verwenden GDDR5-Arbeitsspeicher.

Dieser GDDR5-Arbeitsspeicher beruht auf dem DDR3-RAM, der in einem Rechner als normaler Arbeitsspeicher zum Einsatz kommt. DDR steht für Double Data Rate. Er ist  eine Weiterentwicklung zu SD-RAM und bietet die doppelte Datenrate sowie eine deutlich höhere Taktfrequenz.

Für Grafikkarten typisch sind mittlerweile 1 GByte Grafikspeicher. Es gibt aber auch sehr teure und sehr schnelle Grafikkartenmodelle, die mit bis zu 6 GByte GDDR5-RAM bestückt sind. Preislich bewegen sich diese im Bereich von rund 1000 Euro.

Wie viel Grafikspeicher Sie tatsächlich benötigen, hängt vom Einsatzzweck der Grafikkarte ab. Für den Office-Betrieb und die gelegentliche Filmwiedergabe reichen 128 MByte aus. Für Videoschnitt oder um hin und wieder zu spielen, sollten es ruhig bis zu 512 MByte sein. Wer regelmäßig aktuelle Spiele spielt, greift zu Grafik­karten mit 1 GByte Arbeitsspeicher oder mehr.

Wie die CPU und das RAM des Computers, so arbeiten auch der Grafikprozessor und der Grafikspeicher mit einem Takt. Der Grafikprozessor aktueller Grafikkarten arbeitet mit Taktraten zwischen 750 und 1000 MHz, der Grafikspeicher mit bis zu 5500 MHz. Diese Taktraten allein sind aber kein Indikator für die absolute Rechenleistung der Grafikkarte. Selbst teure und rechenstarke Grafikkarten haben unter Umständen einen geringeren Grafikprozessortakt als günstige und weniger leistungsfähige Grafikkarten.

Ebenso wichtig ist die Anzahl der Stream-Prozessoren und wie viele Daten in einem Schritt zwischen dem Grafikprozessor und dem Grafikspeicher ausgetauscht werden können.

Die Breite der Speicherschnittstelle zwischen Grafikprozessor und Grafikspeicher wird in Bit angegeben. Je breiter diese Schnittstelle ist, desto mehr Bit lassen sich parallel übertragen. Günstige Grafikkarten haben eine nur 128 Bit breite Schnittstelle. Bei teureren Karten ist die Schnittstelle 256 Bit breit, bei den Topmodellen sogar bis zu 384 Bit. Die Topmodelle können also zweimal mehr Daten zwischen Grafikprozessor und Grafikspeicher parallel übertragen als die günstigen Karten.

Die Speicherbandbreite errechnet sich, indem man den Grafikspeichertakt mit der Breite der Speicherschnittstelle multipliziert. Geteilt durch 8 erhält man dann die Datenrate in MByte/s. Eine Grafikkarte, deren Speicherschnittstelle 128 Bit breit ist und deren Speicher mit 4800 MHz getaktet ist, erreicht eine Speicherbandbreite von 76.800 MByte/s. Eine Grafikkarte mit einer 384 Bit breiten Speicherschnittstelle und einem Speichertakt von 4400 MHz kommt hingegen auf eine Speicherbandbreite von 211.200 MByte/s. Trotz des geringeren Takts kann die Karte mit der 384 Bit breiten Speicherschnittstelle die 2,75-fache Datenmenge transportieren.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, wie viele Stream-Prozessoren im Grafikprozessor integriert sind. Jeder Stream-Prozessor ist eine eigene kleine Recheneinheit, die den Grafikprozessor unterstützt. Je mehr Stream-Prozessoren, desto mehr Rechenschritte lassen sich parallel durchführen. Etwa 640 Stream-Prozessoren sind im Grafikprozessor einer Office-Grafikkarte enthalten. 1024 sind es bereits bei teureren Grafikkarten bis rund 200 Euro. Ab 200 Euro enthält der Grafikprozessor oft bereits 2048 Stream-Prozessoren.

Erst anhand der drei Kenngrößen Takt, Breite der Speicheranbindung und Anzahl der Stream-Prozessoren lässt sich die Leistungsfähigkeit einer Grafikkarte einschätzen.

Eine Komponente, die früher bei Grafikkarten unerlässlich war, verliert mehr und mehr an Bedeutung – der RAMDAC. RAMDAC steht für Random Access Memory Digital/Analog Converter. Klingt kompliziert, die Aufgabe dieses Chips ist aber ziemlich einfach. Er wandelt das im Grafikspeicher abgelegte digitale Bild in ein analoges Bildsignal um. Je ein Digital-Analog-Wandler für die drei Farben Rot, Grün und Blau rechnet den digitalen Wert in einen analogen Spannungswert um. Bei dieser Umwandlung kommt es immer zu einem Qualitätsverlust.

Immer seltener werden die Bildsignale aber analog zum Monitor übertragen, weshalb der RAMDAC nicht mehr oft benötigt wird.

Lange wurde fast ausschließlich der VGA-Anschluss genutzt, um die Grafikkarte mit dem Monitor zu verbinden. Der Nachteil dieses Anschlusses ist, dass das Bildsignal analog übertragen wird. Der Monitor musste teilweise sehr aufwendig auf das Signal der Grafikkarte kalibriert werden, damit der gesamte Bildinhalt zu sehen war. Äußere Stör­einflüsse haben für flimmernde Bilder gesorgt und längst nicht an allen Monitoren war das Bild tatsächlich scharf.

Mit der Verbreitung von Flachbildschirmen wurde auch ein neuer Anschlusstyp eingeführt: DVI – Digital Video Interface. DVI ist in der Lage, wahlweise ein analoges oder ein digitales Bildsignal zu übertragen. Damit ist DVI nicht nur zu VGA abwärtskompatibel, sondern das Bildsignal kann auch digital zum Monitor übertragen werden. Ein Qualitätsverlust durch die Umwandlung in ein analoges Signal durch den RAMDAC entfällt.

2003 wurde mit HDMI, dem High Definition Multimedia Interface, ein Nachfolger für DVI entwickelt. Grundsätzlich sind HDMI und DVI zueinander kompatibel. HDMI hat aber ein paar zusätzliche Merkmale. Ab der HDMI-Version 1.4 ist die mögliche Datenrate bei HDMI deutlich höher als bei DVI. Das ist für noch feinere Auflösungen wie 4K interessant, die rund die vierfache Pixelmenge eines Full-HD-Bilds haben. Außerdem lässt sich zusammen mit dem Bild- auch ein Ton­signal über das HDMI-Kabel übertragen. Anstelle mehrerer getrennter Kabel für Bild und Ton reicht also ein einzelnes HDMI-Kabel aus. Zudem lassen sich die per HDMI übertragenen Bild- und Tonsignale mit dem Kopierschutz HDCP schützen. HDCP steht für High-bandwidth Digital Content Protection.

Um die Gunst der Hersteller und Kunden buhlt noch ein weiterer Anschluss-Standard: Displayport. Displayport darf, anders als HDMI, lizenzfrei verwendet werden. Für die Hersteller von Hardware bedeutet dies geringere Herstellungskosten. Displayport bietet den gleichen Funktionsumfang wie HDMI, ist aber elektrisch nicht zu DVI kompatibel. Deshalb sind Adapter von DVI auf Displayport besonders teuer. Dafür hat Displayport einen frei verfügbaren Kanal, über den sich zusätzlich ein Touchinterface, eine Kamera oder ein Mikrofon anschließen lassen oder sogar eine USB-Verbindung herstellen lässt.

Die Arten, einen Monitor mit dem Rechner zu verbinden, sind aufgrund der verschiedenen Anschlussarten vielfältig. Dabei sollte man aber beachten, dass man einen Röhrenmonitor per VGA und alle Flachbildschirme unbedingt per DVI, HDMI oder Displayport anschließen sollte.

VGA übertragt das Signal analog. Ein Röhrenmonitor nutzt das analoge Si­gnal und gibt es ohne zusätzliche Konvertierung wieder. Ein Flachbildschirm benötigt aber ein digitales Signal. Sollte er per VGA-Anschluss verbunden werden, dann konvertiert die Grafikkarte also das digital vorliegende Si­gnal in ein analoges, das vom Monitor dann wieder in ein digitales umgewandelt und erst dann dargestellt wird. Je häufiger das Bild konvertiert werden muss, desto stärker leidet die Qualität. Wird das Bildsignal durchgängig digital übertragen, dann gibt es quasi keinen Qualitätsverlust.

Geben Sie aber acht, wenn Sie Adapter verwenden. Steckt zwischen Grafikkarte und Monitor irgendwo ein Adapter mit einem VGA-Stecker oder einer VGA-Buchse, dann wird auch ein analoges Signal übertragen.

Ein leistungsfähiger Prozessor muss immer gekühlt werden. Der Bedarf an Kühlung kann aber erheblich schwanken. Es gibt Grafikkarten, die lediglich mit einem Kühlkörper auskommen, und Grafikkarten, auf denen ein oder mehrere große Lüfter aufgesetzt sind.

Der Kühlkörper aus Metall leitet die Wärme vom Prozessor zu den Lamellen weg. Je mehr Lamellen der Kühlkörper hat, desto größer ist die Oberfläche und desto mehr Wärme kann abgegeben werden. Bei passiv gekühlten Grafikkarten reicht die Luftbewegung im Inneren des Gehäuses aus, um die Grafikkarte kühl zu halten. Passiv gekühlte Grafikkarten sind meistens für den Office-Betrieb ausgelegt, bei dem keine aufwendige Grafikberechnung notwendig ist. Weil drehende und rotierende Elemente wie Lüfter fehlen, versehen die Hersteller passiv gekühlte Grafikkarten auch mit dem Attribut „silent“, also still.

Je mehr Leistung die Grafikkarte hat, desto stärker muss sie gekühlt werden. Passive Kühlung reicht dann nicht mehr aus. Ein oder mehrere Lüfter sorgen in diesem Fall für Bewegung, weshalb auch von aktiv gekühlten Grafikkarten gesprochen wird. Wer die Grafikkarte zum Spielen nutzen möchte, sollte immer auf eine aktiv gekühlte Version zurückgreifen. Die meisten Spielegrafikkarten belegen wegen des großen Aufbaus aus Kühlkörper und Lüfter mehrere Steckplätze.

Nicht immer sind die vom Hersteller der Grafikkarten verbauten Kühllösungen optimal. Deshalb gibt es Ersatzkühler von Herstellern wie Arctic, etwa den Accelero Extreme III. Die Montage erfordert allerdings viel Fingerspitzengefühl.

Für Spieler sind Grafikkarten die wichtigste Hardware-Komponente ihres PCs.

DirectX ist die Multimedia-Bibliothek in Windows. Sie wird primär zur Entwicklung von Spielen verwendet und vereinheitlicht den Prozess. So müssen Spieleentwickler keine Rücksicht auf die Besonderheiten einzelner Grafikkarten nehmen. Sie sorgen stattdessen dafür, dass das Spiel DirectX-kompatibel ist. Es läuft dann mit jeder Grafikkarte, die auch DirectX unterstützt.

Aktuell ist DirectX in der Version 11. Sie wird von Windows Vista und Windows 7 verwendet. Das Service-Pack 2 für Windows Vista installiert DirectX 11 automatisch. Unter Windows 7 ist DirectX 11 bereits installiert. Windows 8 nutzt DirectX 11.1, das es nicht für Windows Vista und Windows 7 gibt.

DirectX legt auch detailliert fest, welche Funktionen eine Grafikkarte bieten muss, etwa vierfache Kantenglättung oder Shader Model 5.

Kantenglättung ist ein Weichzeichner für Pixel. Jedes computergenerierte Bild besteht aus vielen quadra­tischen Pixeln. Mehrere Pixel zusammen ergeben eine Linie oder einen Kreis. Damit es dabei nicht zu einer hässlichen Treppchenbildung kommt, verändert die Kantenglättung die umliegenden Pixel so, dass der Übergang weicher wirkt. Der Trick dabei ist, die umliegenden Farben einander anzugleichen. Je mehr Durchgänge bei der Angleichung, desto besser ist das Glättungsergebnis, aber desto mehr Rechenarbeit ist auch notwendig.

Die Grafikpipeline ist ein Berechnungsmodell für 3D-Grafik, das sowohl die Software als auch die Hardware berücksichtigt. Eine Grafikpipeline unterteilt die Berechnung der 3D-Grafik in mehrere aufeinanderfolgende Schritte. Erst wenn ein Schritt abgeschlossen ist, wird der nächste Schritt berechnet. Grob sind die Schritte in Datenlieferung, Geometrieberechnung, Rasterung und Ausgabe unterteilt.

Die Datenlieferung erfolgt durch das Programm, etwa das Spiel. Bei der Geometrieberechnung werden aus den einzelnen Punkten Flächen errechnet. So entsteht das grundlegende 3D-Modell der Spielwelt. Bei der Rasterung wird geprüft, welche Flächen der vielen Objekte für den Spieler sichtbar sind und welche durch Überlappung verdeckt werden. Nur die Flächen, die der Spieler tatsächlich sieht, erhalten dann Texturen, Farben und die richtige Beleuchtung. Im letzten Schritt werden die Daten an den Bildschirm weitergegeben.

Es gibt aber nicht nur eine, sondern mehrere Grafikpipelines. Somit lässt sich die Berechnung auf mehrere Pipelines aufteilen. Die Besonderheit ist, dass die Pipelines logisch voneinander abhängig sind. Erst wenn auf jeder Pipeline der gleiche Berechnungsschritt abgeschlossen ist, wird der nächste Schritt auf allen Pipelines in Angriff genommen.

Bei Shadern handelt es sich um Kleinstprogramme. Sie werden zur Berechnung der verschiedenen Grafikeffekte in Spielen und Programmen verwendet. Ein Spiel teilt den Shadern eine Formel mit, die die Shader als Grundlage für eine Berechnung verwenden sollen. Anschließend erhalten die Shader von dem Spiel Werte, die sie in die Formel einsetzen und dessen Ergebnis sie ermitteln sollen. Shader kommen in der Grafikpipeline während der Rasterung zum Einsatz.

Ausgeführt werden die Shader-Programme auf den Stream-Prozessoren der Grafikkarte. Je mehr Stream-Prozessoren, desto mehr Shader-Programme können also parallel ausgeführt werden. Bei sehr günstigen Grafikkarten wird auf die Stream-Prozessoren entweder ganz verzichtet oder es sind nur sehr wenige implementiert. Die Berechnung muss dann von der CPU vorgenommen werden. Shader-lastige Spiele – dazu zählen alle aktuellen Titel – laufen dann entsprechend langsamer und weniger flüssig.

Auch normale Programme können die Shader-Einheiten nutzen. Die Shader führen dann keine 3D-Berechnungen durch, sondern beschleunigen zum Beispiel die Umwandlung eines Videos, berechnen Effekte für Videos oder knacken Kennwörter. Diese Technik nennt sich GPGPU.

Entscheidend ist, dass für die Berechnung überwiegend die gleiche Formel genutzt wird. Werden die Shader ständig mit neuen Formeln gefüttert, dann wird aus dem Geschwindigkeitsschub schnell eine Vollbremsung.

Mehr zu GPGPU lesen Sie im Profi-Wissen „Grafikkarte — GPUs und Rechenleistung“.