Grafikkarten

Die Grafikkarte berechnet visuelle Daten und gibt sie über eine Schnittstelle aus, an der ein Bildschirm angeschlossen ist. Auf dem Bildschirm wird dann die Benutzeroberfläche von Betriebssystem und Anwendungsprogrammen dargestellt.
Grafikkarten bzw. deren Funktionen bestimmen maßgeblich die Systemleistung und Eigenschaften eines Computers. Wobei die Leistung der Grafikkarte in der Hauptsache für Computerspiele und umfangreiche Grafikdarstellungen relevant ist. In komplexen Spielszenen berechnet die Grafikkarte detaillierte Objekte und die richtige Beleuchtung. Während der Hauptprozessor allgemeine Berechnungen erledigt und zum Beispiel das Verhalten von Spielfiguren berechnet, übernimmt die Grafikkarte die Berechnung beispielsweise von physikalischen Phänomenen, Explosionen und einstürzenden Gebäuden. Wenn die Bildschirmdarstellung bei diesen Bewegungen oder Verschiebungen ruckelt, dann ist die Grafikkarte, insbesondere der Grafikprozessor (GPU), bei der aktuell gewählten Auflösung und Detailtiefe nicht leistungsfähig genug.

Zunehmend wird die Grafikverarbeitung von der Grafikkarte in den Hauptprozessor verlagert. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Zeit der Grafikkarten vorbei ist. Es ist eher so, dass die Grafikfunktionen, die bereits "onboard" im Chipsatz integriert sind, gleich in den Prozessor zu integrieren. Konsequenterweise muss die Grafikausgabe dann auch vom Prozessor aus erfolgen.

Anders als man denkt profitieren Bildbearbeitungsprogramme vor allem von einer schnellen CPU und viel Arbeitsspeicher. Die Grafikkarte bzw. der Grafikprozessor verbessert in der Hauptsache die Geschwindigkeit der Bildschirmdarstellung. Zum Beispiel beim Verschieben von Fenstern und Bildelementen, stufenloses Zoomen und Drehen der Zeichenfläche. Nur in bestimmten Fällen unterstützt die Grafikkarte das Computersystem direkt bei der Verarbeitung von Bild- und Videodaten. Zum Beispiel beim Abspielen und Transcodieren von Videos.

Grafikkarte mit TV- und Radio-Tuner Grafikkarte mit Dual-Head-DVI Standard-Grafikkarte
Grafikkarte mit TV- und Radio-Tuner Grafikkarte mit Dual-Head-DVI Standard-Grafikkarte

Aufbau einer Grafikkarte

Eine Grafikkarte besteht aus folgenden mechanischen und elektronischen Teilen:

Aufbau einer Grafikkarte
Die wichtigste Aufgabe einer Grafikkarte ist die Ausgabe eines Bildsignals für Bildschirme. Dazu überträgt der Hauptprozessor die Daten an die Grafikkarte.
Aufgrund des hohen Datenaufkommens zwischen Prozessor und Grafikkarte, werden Grafikkarten mit einem eigenen Prozessor ausgestattet. Er soll den Hauptprozessor mit parallel laufenden Rechenoperationen entlasten. Das Herz der Grafikkarte ist der Grafikprozessor (GPU), der die wesentlichen Leistungsmerkmale einer Grafikkarte bestimmt. Es gibt auch Grafikkarten, die zwei GPUs haben und die aufgrund der hohen Verlustleistung mit einem Kühlkörper oder sogar Lüfter gekühlt werden müssen.
Um die enormen Datenmengen verarbeiten zu können haben Grafikkarten einen eigenen Arbeitsspeicher und eine spezielle Speicheranbindung mit hohen Taktraten. Der Grafikspeicher kann durchaus die Größe des normalen Arbeitsspeichers haben. Ein Speichercontroller steuert den Zugriff auf den Grafikspeicher.
Der RAM-DAC ist die Ausgangsstufe, die die digitalen Informationen des Bildspeichers in ein analoges Signal für den VGA-Anschluss umwandelt. Die Leistungsfähigkeit des RAM-DAC wird durch seine Geschwindigkeit in MHz angegeben. Je höher dieser Wert, desto höhere Auflösungen und Farbtiefen (Farbanzahl) sind möglich. Da heute in der Regel digitale Signale an die Displays geschickt werden, hat der RAM-DAC seine Bedeutung verloren. Sofern die Grafikkarte einen VGA-Anschluss hat oder über DVI VGA-Signale ausgibt, existiert der RAM-DAC immer noch.
Ein Bus-Interface sorgt für die Anbindung der Grafikkarte an das Computersystem. Das Bus-Interface nutzt PEG (PCIe) zur Übertragung der Daten mit dem Chipsatz oder dem Prozessor. Ältere Grafikkarten verwenden AGP oder PCI.

GPU - Graphic Processing Unit

Die GPU ist nichts anderes als ein Co-Prozessor, der für 3D-Berechnungen ausgelegt ist. Die realistische und räumliche Darstellung von Gegenständen mit Schatten und bewegten Szenen ist die Hauptarbeit einer Grafikkarte. Spezielle Physik-Engines bilden in 3D-Spielen oder -Anwendungen physikalische Gesetzmäßigkeiten aus der Mechanik nach. So ist es zum Beispiel möglich, dass Autos nach einer Kollision realistische Schäden davontragen. Eine normale CPU ist für solche Berechnungen viel zu langsam.
Die 3D-Leistung einer GPU wird hauptsächlich durch Parallelisierung erreicht und dadurch, dass typische Grafikverarbeitungsfunktionen in Hardware umgesetzt sind. Für spezielle Aufgaben sind GPUs sehr viel schneller als die teuersten Prozessoren. Dazu gehört zum Beispiel das HD-Video-Transcoding, dass einen normalen Prozessor ganz schön zum Schwitzen bringen kann.
Die GPU sitzt entweder im Chipsatz, im Prozessor oder auf einer Grafikkarte.

Shader

Ein Shader ist ein kleiner Prozessor innerhalb der GPU. Eine GPU hat mehrere hundert Shader. Die Shader sind auf unterschiedliche Funktionen oder auf bestimmte Berechnung optimiert. In älteren GPUs war es üblich zwischen speziellen Recheneinheiten für Vertex- und Pixel-Berechnungen zu unterscheiden. Allerdings waren die Einheiten dann eher ungleichmäßig ausgelastet. Seit DirectX-10 gibt es nur noch Unified Shader, die je nach Bedarf als Vertex- oder Pixel-Shader in Aktion treten.
Der Vertex-Shader berechnet die Position eines Objekts und kümmert sich auch um die korrekte Beleuchtung. Haben die Vertex-Shader ihre Berechnungen erledigt, wird das Objekt mit Farbe oder Strukturen beklebt. Dafür sind die Pixel-Shader verantwortlich.
Bei den Strukturen spricht man auch von Texturen. Eine Textur ist eine digitale Kachel, die auf ein Objekt geklebt wird. Sie wird mehrmals in einem Bild oder einer Bildabfolge verwendet. Diese Texturen müssen vor der Berechnung in den Grafikspeicher geladen werden. Den größten Teil des Grafikspeichers belegen Texturen. Fehlt es an Speicher, dann muss die Grafikkarte immer wieder Texturen von der Festplatte nachladen. Dabei können Bildruckler entstehen. Je größer der Speicher, desto mehr Texturen können vorgeladen werden.

Bildverbesserung

Damit 3D-Darstellungen realistischer aussehen, verfügen Grafik-Prozessoren über weitere Funktionen. Die anisotrope Filterung schärft die Texturen von Oberflächen. Sie wirken klarer und es scheinen Unebenheiten hervorzutreten.
Bildinhalte werden von der GPU immer mit einer höheren Auflösung berechnet und anschließend auf die Auflösung des Monitors heruntergerechnet. Dabei entstehen hässliche Treppenstufen an Kanten. Mit Antialiasing (Kantenglättung) wirkt das Bild weicher und die Treppenstufen sind fast verschwunden.
Tesselation erhöht die Detailgenauigkeit von Bildern, in dem die Grafikkarte weitere Punkte im Bild hinzufügt und noch feinere Strukturen modelliert.

3D-Beschleunigung

Damit jeder Spiele-Hersteller die 3D-Funktionen der einzelnen Grafikkarten-Hersteller nicht neu Programmieren muss, wurden Grafikschnittstellen, sogenannte Application Program Interfaces (APIs), entwickelt. Diese APIs machen die Software weitgehend unabhängig von der Grafikkarte. Sie stellen Funktionen zum Berechnen und Aufbauen des Bildes bereit. Es gibt zwei dieser Schnittstellen. Die eine ist DirectX von Microsoft und die andere ist OpenGL. OpenGL ist ein offener Standard, der in fast allen Betriebssystemen enthalten ist.

Wie produziert eine Grafikkarte ein Bild?

Die Darstellung bzw. Berechnung eines Bildes beginnt in der Software. Zum Beispiel in einem Spiel oder einer Bildbearbeitungssoftware. Innerhalb des Programmcodes werden auch Befehle zur Darstellung von Bildinformationen abgearbeitet. Diese Befehle werden an das Betriebssystem übergeben. Hier steht zum Beispiel DirectX oder OpenGL zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Ein Grafikkarten-Treiber übersetzt dann die Befehle von DirectX, die dann von der Grafikkarte ausführt werden. Jede Grafikkarte benötigt einen eigenen Treiber für jedes Betriebssystem, um optimal zu arbeiten. Betriebssysteme stellen auch Standard-Treiber zur Verfügung. Die unterstützen aber nur rudimentäre Funktionen. Ein Treiber dient als Schnittstellen zwischen Hardware und Software.
Die Pixel werden in Pipelines nacheinander verarbeitet. Im Optimalfall stehen mehrere Pipelines zur Verfügung. Dann können mehrere Bearbeitungsschritte parallel ablaufen und der Bildaufbau schneller berechnet werden. Innerhalb der Pipeline gibt es die Shader, die den Pixelflächen Farben oder geometrische Formen geben können. Shader treten vor allem dann in Aktion, wenn grafische Effekte gefordert sind.
Ist ein Bild vollständig, dann vergisst die Grafikkarte alle Berechnungen und beginnt beim nächsten Bild mit den Berechnungen wieder von vorn. Nur die geladenen Vertex-Buffer, Texturen und Shader-Programme bleiben erhalten, wenn die GPU sie im nächsten Bild wieder benötigt. Es werden dann nur neue Daten ergänzt. Zum Beispiel dann, wenn neue Objekte oder Details im Bild auftauchen.

Auswahl einer Grafikkarte

Grafikkarten unterscheidet man im Hinblick auf ihre 3D- bzw. Spiele-Tauglichkeit, ihre Performance und Funktionsvielfalt. Die Grafikkarte ist nach den Anforderungen des Einsatzzwecks auszuwählen. Man unterscheidet Grafikkarten nach ihrem Preis in Einsteiger-, Mittelklasse-, Performance- und High-End-Modellen. Je nach Preis unterscheiden sich Grafikkarten in Ihrer 3D-Leistung und Ausstattung. Typische Leistungsmerkmale sind Taktfrequenz, Shader-Anzahl, Speichertakt und Speicherbandbreite.

Bei einer Einsteiger-Grafikkarte ist die Spieletauglichkeit eingeschränkt, die Performance schwach und die Funktionsvielfalt begrenzt. Einfache Büro- und Internet-Anwendungen kommen mit einer günstigen Grafikkarte oder Onboard-Lösung aus. Bei einer High-End-Grafikkarte ist die Spieletauglichkeit unschlagbar, die Performance enorm und die Funktionsvielfalt lässt keine Wünsche offen. Insbesondere (Action-)Spiele erfordern zwangsläufig eine leistungsfähige Grafikkarte.

Bis vor einigen Jahren musste man immer die schnellste und damit teuerste Grafikkarte in seinen PC einbauen, wenn man aktuelle Computerspiele spielen wollte. Doch seit viele Computerspiele auch für die XBox von Microsoft und Playstation von Sony entwickelt werden, gehen die Anforderungen zurück. Das liegt daran, dass die Spielekonsolen länger in Betrieb bleiben und nachträglich nicht aufgerüstet werden können. Deshalb orientieren sich die Entwickler an den Hardware-Vorgaben der Spielekonsolen und adaptieren diese Spiele als Multi-Plattform-Spiele auch auf den PC. Das hat zur Folge, dass sogar Einsteiger-Grafikkarten für den PC um ein Vielfaches leistungsfähiger sind, als die Grafikfunktion einer Spielekonsole.
Für 120 bis 150 Euro bekommt man eine Grafikkarte, die unter Windows schon sehr leise arbeitet und deren Leistung ausreicht, um die meisten Multi-Plattform-Spiele in Full-HD-Auflösung flüssig darzustellen und problemlos zu spielen. Außerdem eignen sich diese Grafikkarten auch, um Filme von Blu-ray Disc wiederzugeben.

  Einsteiger Mittelklasse Performance High-End
Preis bis 75 EUR bis 150 EUR bis 300 EUR bis 1000 EUR
Anzahl Shader bis 160 bis 800 bis 2000 bis 4000
Speichergröße 512 MByte 1 GByte 2 GByte 4 GByte
Speichertyp DDR2, DDR3, GDDR5 DDR3, GDDR5 GDDR5 GDDR5
typische 3D-
Leistungsaufnahme		 bis 50 Watt bis 90 Watt bis 170 Watt bis 300 Watt
oder mehr
Netzteil min. 300 Watt min. 350 Watt min. 450 Watt min. 500 Watt
oder mehr

Prozessorgrafik / Chipsatzgrafik / Onboard-Grafik

Neben der Grafikkarte zum Einbau in einen Computer gibt es auch Onboard-Varianten. Entweder als eigenständiger Chip auf dem Motherboard oder in den Chipsatz oder Prozessor integriert. Um die Leistungsaufnahme, Komplexität und Kosten des Chipsatzes gering zu halten, wird insbesondere die Leistungsfähigkeit des Grafikchips stark eingeschränkt. Hinzu kommt, dass ein Teil des Arbeitsspeichers von der Onboard-Grafik verwendet wird (Shared-Memory). Es steht also nicht mehr der volle Arbeitsspeicher zur Verfügung. In der Regel liegen die Onboard-Grafikchips in ihrer Leistungsfähigkeit hinter den Grafikkarten zurück.
Motherboards mit integrierter Grafikprozessoren zeichnen sich durch eine sehr schlechte Qualität der Signale an der VGA-Schnittstelle aus. Grundsätzlich empfiehlt es sich bei Onboard-Grafik die digitale DVI-Schnittstelle zu wählen.
Für das Arbeiten mit Office, Surfen im Internet und Lesen von E-Mail reicht eine integrierte Grafikeinheit vollkommen aus. Auch bei der Bild- und Videobearbeitung spielt die Grafikleistung keine Rolle. Hier sind ein schneller Hauptprozessor und viel Arbeitsspeicher gefragt. Nur wenige Bildbearbeitungsprogramme benutzen die GPU für ihre Berechnungen.
Die interne Grafikeinheit eignet sich zur Beschleunigung des Bildaufbaus. Dafür ist jedoch keine besonders schnelle Grafikeinheit nötig. Das können alle DirectX-10-tauglichen Onboard-GPUs. Auch HD-Video-Decoding gehört standardmäßig zu den Aufgaben einer Onboard-Grafikeinheit. Hier gibt es Unterschiede bei der Qualität und Effizienz. Die hängen von den Einstellungen der Abspielsoftware und dem Grafikkartentreiber ab.

Einsteiger-Grafikkarten (Low-End / Low-Cost)

Zu den Einsteiger-Grafikkarten zählen häufig ehemals moderne Grafikkarten, die inzwischen durch neuere Modelle ausgetauscht wurden. Es handelt sich dabei um Grafikkarten, die absolut problemlos laufen. Der Preis liegt bei unter 50 Euro. Sie befinden sich damit am unteren Ende des Preis- und Leistungssegments. Sie beeindrucken weniger durch eine gute Leistung, sondern eher durch den Mehrwert an Treiber- und Softwareausstattung im Vergleich zur integrierten Chipsatzgrafik. Im Vergleich zu Mittelklasse- oder High-End-Grafikkarten verfügen sie über weniger Verarbeitungseinheiten, geringere Chip- und Speichertaktraten und einer langsameren Speicheranbindung. Für viele 3D-Spiele sind sie zu langsam. Manche Spiele lassen sich mit reduzierter Auflösung und geringeren Details spielen. Darunter leidet jedoch der Spiele-Spaß.
Durch die geringe Leistungsaufnahme kommen sie mit einer passiven Kühlung (Kühlkörper) aus.

Mittelklasse-Grafikkarten

Mittelklasse-Grafikkarten können die meisten Computerspiele ruckelfrei zeigen. Bei sehr aufwendigen Spielen dürfte aber nicht die maximale Detailtiefe einstellbar sein. Das bedeutet, man muss gewisse Abstriche bei der Darstellung von Licht und Schatten hinnehmen. Doch erst mit Mittelklasse-Grafikkarten werden Spiele interessant. Durch Herumschrauben an den Grafikoptionen lassen sich auch anspruchsvolle Spiele zur flüssigen Darstellung überreden.

Performance-Grafikkarten

Performance-Grafikkarten lassen kaum noch Wünsche offen. Sie lohnen sich aber nur für Computerspieler, die auch eine höhere Leistungsaufnahme und somit einen höheren Stromverbrauch akzeptieren können.

High-End-Grafikkarten

High-End-Grafikkarten lohnen sich nur für anspruchsvolle Spieler. Das sind Grafikkarten, die Funktionen besitzen, die kaum ein aktuelles Computerspiel unterstützt. Meist müssen die Spiele für die speziellen Funktionen programmiert sein.
Mit der enormen 3D-Leistung steigt auch die Leistungsaufnahme. Weil ein PCIe-Steckplatz nicht mehr als 75 Watt liefert, müssen High-End-Grafikkarten über ein oder zwei zusätzliche Stromanschlüsse (6-Pin, je 75 Watt) mit Strom versorgt werden. Je externer Stromanschluss ist ein 450 Watt starkes Netzteil erforderlich. Dabei muss man berücksichtigen, dass das Gesamtsystem ebenfalls Strom verbraucht. Um die Abwärme dieser Grafikkarten abzuführen, sind auf den Grafikkarten Kühlkonstruktionen angebracht, die zwei Gehäusesteckplätze belegen.
Modelle mit zwei Prozessoren (GPUs) verdoppeln nicht die Performance. Bestenfalls erreicht man eine Steigerung von 50 bis 70 Prozent. Das gilt auch für den AMD-Crossfire- oder Nvidia-SLI-Betrieb von zwei Grafikkarten. Außerdem profitieren nicht alle Spiele von zwei oder mehr GPUs. Ihr Einsatz ist deshalb nur begrenzt sinnvoll.

Multi-GPU-Architektur

Um die Grafikleistung eines PCs zu steigern setzt man auf Multi-GPU-Architekturen. Beliebt ist es zwei oder mehr Grafikkarten in einen PC einzubauen. Dafür ist ein Spezial-Chipsatz erforderlich und ein oder mehrere Netzteile mit insgesamt 800 bis 1000 Watt. Um zwei Grafikkarten miteinander zu verbinden verwendet man die SLI- oder Crossfire-Schnittstelle.

Die Leistung von Grafikkarten vergleichen

Vergleiche von Grafikkarten werden häufig auf Basis Ihrer Ausstattung und Leistungsmerkmale getroffen. Dabei werden Taktfrequenzen, Shader-Anzahl, Speichertakt, Speicherbandbreite und Grafikspeicher gegenüber gestellt. Leider sagt ein solcher Vergleich wenig über die Leistung einer Grafikkarte aus. Schön wäre es, wenn diese Leistungsmerkmal so aufeinander abgestimmt sind, dass die bestmögliche Leistung dabei herauskommt. Doch das weiß man im Voraus nicht so genau.
Im Zusammenhang mit Grafikkarten findet man häufig die Angabe FPS, was Frames per Second bedeutet. FPS gibt an, wie viele Bildschirmdarstellungen eine Grafikkarte pro Sekunde erzeugen kann. Man spricht auch von der Framerate. Das bedeutet, wie oft das Bild neu berechnet und aufgebaut wird. Zu geringe FPS-Werte bewirken ein ruckelndes Bild. Generell kann man sagen, dass ab einer Framerate von 30 fps ein flüssiges Bild dargestellt wird. Bei manchen Spielen dürfte es etwas mehr sein.

Im Prinzip sagt die Framerate aus, was eine Grafikkarte zu leisten fähig ist. Damit die Framerate aussagekräftig ist, braucht man in der Regel noch die Angabe für welche Auflösung eine bestimmte Framerate gilt. Denn je größer die Auflösung, desto mehr Speicher und Rechenleistung verbraucht eine Bildschirmdarstellung. Nur die Kombination aus Auflösung und Framerate lassen Vergleiche zwischen Grafikkarten zu.
Die Framerate ist in der Regel nur für Computerspieler interessant. Für sie ist es zum Beispiel wichtig, dass die realistische Darstellung in Ego-Shootern flüssig läuft.

Übertakten einer Grafikkarte

Das Übertakten von Grafikkarten ist mit Hilfe des Treibers und entsprechender Tools der Hersteller mit wenigen Klicks kein Problem. Trotzdem ist beim Übertakten höchste Vorsicht geboten. Die Belastung der Spannungswandler und die Temperatur der Grafikchips steigt bei höheren Taktfrequenzen. Im schlimmsten Fall geht die Grafikkarte kaputt.
Das Übertakten von Grafikkarten bringt höchstens ein paar Prozent Leistungsgewinn, aber auch viele Nachteile. Ein übertakteter PC wird schnell instabil. Es kommt zu Bildfehlern, Berechnungsfehlern und Systemabstürzen.
Eine Alternative sind Grafikkarten, die der Hersteller standardmäßig übertaktet hat. Sie laufen stabil und sind auch noch schnell.

Schnittstellen für Grafikkarten

Anfangs wurden Grafikkarten über den internen Systembus betrieben. Mit steigender Auflösung, Forderung nach Multimedia und 3D-Darstellung wurden die Datenmengen immer größer, die zur Grafikkarte transportiert werden mussten. Um die steigenden Datenmengen zwischen Prozessor, Arbeitsspeicher und Grafikkarte bewältigen zu können, hat Intel den AGP-Steckplatz für Grafikkarten eingeführt. Dieser Steckplatz war ausschließlich für Grafikkarten gedacht. Ein paar Jahre später wurde der AGP zusammen mit dem PCI durch den PCI Express (PCIe) ersetzt. Die heutigen Grafikkarten sind PEG-Grafikkarten (PCIe).

Anschlüsse für Bildschirm/Monitor

Ist die Darstellung schlecht, dann wird fast immer der Bildschirm dafür verantwortlich gemacht. Wird der Bildschirm analog, also über den VGA an die Grafikkarte angeschlossen, dann kann die Signalqualität des VGA für das schlechte Bild verantwortlich sein. Obwohl man annehmen könnte, dass das heute kein Problem mehr sein sollte, weisen manche Grafikkarten eine jämmerliche Signalqualität auf. Insbesondere die VGA-Anschlüsse haben diese Probleme. Vorzugsweise sollte man den DVI- oder DisplayPort-Anschluss verwenden.

VGA-Stecker DVI-Buchse DisplayPort-Stecker und Anschluss
VGA DVI DisplayPort

Obwohl mit DVI eine digitale Schnittstelle für qualitativ hochwertige Bild- und Video-Signale verfügbar ist macht die Einführung neuer Schnittstellen durchaus Sinn. Denn DVI ist für hohe Auflösungen nicht geeignet. Der DisplayPort soll DVI (Digital Visual Interface) im PC und HDMI (High Definition Multimedia Interface) in der Unterhaltungselektronik ersetzen.
Der DisplayPort ist elektrisch kompatibel zu den bestehenden Digitaleingängen DVI und HDMI. Er unterstützt auch den HDCP-Kopierschutzmechanismus und beherrscht zusätzlich ein eigenes Protokoll namens DPCP (Display Port Content Protection).

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