Aufbau und Erklärung der Hauptkomponenten einer Grafikkarte
Eine Grafikkarte besteht nicht nur aus ein oder zwei Bestandteilen, sondern ist – wie jede Komponente eines Computers – ein Zusammenspiel mehrerer Komponenten. Zu den Hauptbestandteilen der Karte gehört ein Prozessor, ein Grafikspeicher sowie ein eigener Arbeitsspeicher. Zusätzlich verfügt jede Grafikkarte über den sogenannten BUS, also die Schnittstelle zum Computer und ein oder mehrere Anschlüsse für Wiedergabegeräte wie einen Monitor oder einen Beamer. Da eine Grafikkarte durch den Betrieb allerdings auch sehr heiß werden kann, gehört auch eine eigene Kühleinheit bzw. ein eigener Lüfter zu den wichtigsten Bestandteilen einer solchen Karte in einem Computersystem.Herz und Antrieb:
Der Grafikprozessor, auch GPU genannt (das steht für Graphics Processing Unit) ist das Kernstück einer Grafikkarte. Seine Aufgabe ist die Berechnung aller Bild-Elemente, die von einem Computer an einen Bildschirm ausgegeben werden sollen. Das bedeutet, dass die GPU nicht nur erkennen muss, was für Objekte gerade zu sehen sein sollen, sondern auch welche Farben sie besitzen, wie ihre Texturen aussehen, ob Schatten vorhanden sind und so weiter. Dafür besteht eine GPU aus verschiedenen Chipsätzen, die für unterschiedliche Rechenaufgaben zuständig sind. Jeder Chip kann pro Sekunde hunderte verschiedene Berechnungen durchführen, die zusammengenommen die Taktung der GPU, also die gesamte Arbeitsgeschwindigkeit ausmachen.
Die wichtigsten Teilbereiche dieser Chips sind gerade bei der Wiedergabe von Videospielen der Pixel-Shader und der 3D-Chips zur Berechnung von Textur-Daten. Der 3D-Chip ist dafür zuständig, dass alle berechneten Objekte – wenn sie denn so programmiert wurden – eine räumliche Tiefe bekommen und mit einer Textur immer ihre gleiche Oberfläche behalten. Ein Baum erhält dadurch in einem Game seine gewohnte braune Rinde, die Blätter werden als grüne Einzelobjekte dargestellt und können im Wind wehen oder ähnliches. Ein Pixel-Shader ist wiederum dafür zuständig, die Texturen zu verändern, wenn sich bestimmte grafische Eigenschaften verändern. Ist in einem Spiel beispielsweise vorgesehen, dass sich Wellen auf dem Wasser bewegen, dann wird mit Pixel-Shader in Abstimmung mit dem 3D-Chip die Darstellung der verschiedenen Wellen übernommen, damit diese Licht reflektieren und dergleichen. Wenn sich eine Spielfigur bewegt und dadurch einen anderen Blickwinkel auf ein Objekt wie einen bestimmten Schatten bekommt, werden diese Informationen auch im Pixel-Shader berechnet, um die Textur des Schattens möglichst realistisch an den neuen Blickwinkel anzupassen.
Jeder noch so kleine Pixel, der sich auf einem Monitor oder einem Display wiederfindet, geht über die GPU und wird von ihm aus seiner ursprünglichen Binärsprache aus 1er und 0er in ein für den Benutzer sichtbares Bild „übersetzt“. Dafür besitzt eine GPU spezielle, integrierte Decoder, mit denen der Prozessor zum Beispiel die Kantenglättung eines Objekts berechnen und wiedergeben kann. Darüber hinaus haben alle Chips des Prozessors ihre eigenen Software-Komponenten, welche ihnen bestimmte Rechenoperationen vorgeben, um die Verarbeitung der Daten zu verkürzen. Unter anderem haben einige 3D-Chips Unterprogramme wie OpenGL vorinstalliert, mit denen sich Schatten oder Glanzeffekte realistischer wiedergeben lassen, indem über das eigentliche Objekt vorgerechnete Filter gelegt werden.
Bei früheren Grafikkarten gab es noch einen separaten Chip, der RAMDAC (Random Access Memory Digital Analog Converter) genannt wurde und zur Umwandlung der Informationen der Grafikkarte in digitale bzw. analoge Signale verantwortlich war. Bei neueren Grafikkarten ist der RAMDAC allerdings direkt in die GPU integriert und dient nur noch unterstützend zur Signal-Umwandlung, da Monitore und Grafikkarten ohnehin nur noch über digitale Signale miteinander kommunizieren.
Eine Besonderheit, die sich gerade bei Gaming-Grafikkarten findet, ist die Multi-GPU-Technik, die auch – je nach Hersteller – „SLI“ oder „Cross-Fire“ genannt wird. Bei dieser Technik werden zwei oder mehrere Grafikkarten miteinander gekoppelt, um die Rechenleistung für das Processing der benötigten Daten zu erhöhen. Dabei teilen sich Multi-GPU-Karten eine Schnittstelle, besitzen aber ansonsten ihre eigenen Komponenten und könnten theoretisch auch als selbstständige Grafikkarten funktionieren. Um die hohen Anforderungen beim Darstellen von Videospiel-Grafik allerdings besser bewerkstelligen zu können, werden von den Entwicklern von Grafikkarten häufig schwächere Karten erstellt und zusammengeschlossen, statt eine einzelne Karte mit einer dafür aber auch leistungsstärkeren GPU zu bauen.
Zwischenstopp:
Die GPU einer Grafikkarte muss ständig Berechnungen anstellen, um beispielsweise neu aufgebaute Internetseiten mit ihren Bildern, Farben und Texten richtig darstellen zu können. Damit allerdings nicht alle Berechnungen immer wieder von vorne getätigt werden müssen, lagert die GPU bereits abgeschlossene Rechnungen kurzzeitig aus, sodass sich die Grafikkarte bestimmte Dinge „merken“ kann. Das geschieht im sogenannten Grafikspeicher, der sich kaum vom Arbeitsspeicher des Computers unterscheidet.
Der Grafikspeicher, auch als RAM (Random Access Memory) bezeichnet, ist in mehrere Kategorien aufgeteilt, in die die GPU ihre Berechnungen abspeichern kann. Die Größe des Speichers entscheidet dabei, wie viele Daten sich eine Grafikkarte gleichzeitig merken kann, wie oft die GPU eine Neuberechnung anstellen muss und wie schnell die Grafikkarte im Endeffekt arbeiten kann. Eine der wichtigsten Sektionen ist hierbei der sogenannte „Framebuffer“, also der Bildspeicher, in dem die vorherigen Bilder abgespeichert werden, um sie später wieder neu verwenden zu können. Der Framebuffer ist beispielsweise wichtig zur Wiedergabe konstanter Bilder wie dem Desktop oder der Grafikumgebung eines bestimmten Programms. Aber die GPU speichert auch unter anderem die berechneten Pixel von Objekten wie einem Haus oder einem Baum in einem Film oder einem Spiel im Framebuffer, um immer wieder die gleichen Eigenschaften – Größe, Farbtiefe, Auflösung – darstellen zu können, ohne das Objekt jedes Mal komplett neu berechnen zu müssen. Dabei werden alle Daten in verschiedenen Unterbereichen des Speichers abgelegt, die wie bei der GPU auch für verschiedene Funktionen zuständig sind. So hat bei Gaming-Grafikkarten beispielsweise der 3D-Chip seinen eigenen Bereich im Grafikspeicher, in dem die räumliche Eigenschaften eines berechneten Objekts abgespeichert werden. Die Daten des Pixel-Shaders finden sich dagegen in einer anderen Regionen, sodass die Grafikkarte auch immer schnell auf die benötigten Daten zugreifen kann und nicht erst den kompletten Speicher durchsuchen muss.
Allerdings sind solche Unterbereiche des Grafikspeichers nicht in jeder Grafikkarte enthalten und hängen stark davon ab, wie groß der Speicher überhaupt ist. Bei älteren Grafikkarten beträgt der Speicher oft nur 256MB, womit sich nur die nötigsten Berechnungen – das Darstellen der PC-Umgebung, das Aufbauen einer Internetseite und die Wiedergabe von Bildern und Videos – bewerkstelligen lässt. Für das Darstellen von Videospielen mit einer opulenten Grafik reicht der Speicher allerdings nicht aus, weshalb die Grafikkarte dann häufig den RAM des Computers zum Zwischenspeichern mit benutzt, wodurch der PC insgesamt langsamer wird. Neuere Grafikkarten, besonders solche, die für Gaming ausgelegt sind, besitzen dagegen eigene große Grafikspeicher von 1GB oder mehr, sodass keine „Auslagerung“ der berechneten Daten mehr notwendig ist und die Grafiken schneller und ohne Zwischenschritte aufgebaut werden können.
Cool bleiben:
Eine Grafikkarte übernimmt in jeder Minute hunderte Rechenoperationen, um jede benötigte Grafik so darzustellen, wie es ihr Programm vorsieht. Schon das Verschieben des Mauszeigers lässt sowohl die GPU als auch den Grafikspeicher buchstäblich „heißlaufen“. Damit die Elemente einer Grafikkarte allerdings nicht durch zu hohe Temperaturen kaputt gehen, müssen sie, wie auch eine CPU, abgekühlt werden. Dafür verfügt die Grafikkarte über ihre eigenen Kühlkomponenten, die – je nach Hersteller und Preisklasse – entweder passiv oder aktiv die erzeugte Wärme ableiten.
Bei der passiven Kühlung wird einfach ein Kühlkörper direkt auf die GPU montiert, welcher die Hitze direkt abführen kann. Der Kühlkörper besteht dabei aus einem Gebilde aus leitfähigem Metall wie Kupfer oder Platin, in das viele längliche Schlitze eingefräst sind. Durch das Metall wird die Hitze abgeleitet, während über die Schlitze kühlere Luft an die GPU gelangen kann, um die Betriebstemperatur des Prozessors zu senken.
Bei einer aktiven Kühlung ist dagegen ein kleiner Ventilator oberhalb der GPU befestigt, der über einen eigenen Stromanschluss betrieben wird und beim Einschalten des Computers bereits anläuft, um die Luft über der GPU in Zirkulation zu versetzen. Dadurch wird die warme Luft bei jeder Umdrehung des Ventilators von dem Prozessor weg gefächert, während gleichzeitig neue, kühlere Luft angesogen wird.
Eine dritte Möglichkeit zur Kühlung der Grafikkarte besteht in der sogenannten Wasserkühlung, bei der das ganze Computersystem einen zentralen Kühlmechanismus besitzt. Eine Wasserkühlung setzt sich dabei aus unterschiedlichen Komponenten zusammen, die teilweise passiv und teilweise aktiv die Wärme abführen. Wie bei der passiven Luftkühlung befindet sich oberhalb der GPU ein Kühlelement, das die Wärme vom Prozessor wegleitet. Die Wärme strömt allerdings durch Schläuche in einen Wasserkreislauf, der über eine Pumpe in Bewegung gehalten wird, sodass das aufgewärmte Wasser wieder von den Prozessoren weg und zu einem zentralen Kühlelement hinleitet. Dieses Kühlelement besteht aus einem Ausgleichsbecken, in das das Wasser zunächst gepumpt wird, bevor es in einem zweiten Schritt durch ein weiteres passives Kühlelement geleitet wird, wo das Wasser dann auch den letzten Rest Wärme verlieren soll, bevor es wieder in Richtung der GPU gepumpt wird. Der Vorteil bei der wassergekühlten Grafikkarte besteht darin, dass sie leiser arbeitet als beispielsweise eine Karte mit einem aktiven Lüfter. Dafür muss die Grafikkarte aber auch mit speziellen Kühlelementen versehen werden, welche in eine bestehende Wasserkühlung miteinbezogen werden müssen, was schwierig sein kann, da unterschiedliche Grafikkarten auch unterschiedlich große Radiatoren benötigen. Aus diesem Grund wird eine Wasserkühlung in der Regel für den gesamten Computer entwickelt und jede einzelne Kühlkomponente genau abgestimmt, was unter anderem das Austauschen bzw. das Erneuern einer Grafikkarte umständlich macht, da dann wieder ein neues Kühlelement in den Kreislauf eingeflochten werden müsste.
Stammplatz:
Damit eine Grafikkarte überhaupt weiß, welche Grafiken sie wann berechnen muss, ist eine Verbindung zum restlichen Computer notwendig. Das geschieht über den sogenannten Bus. Dabei handelt es sich vereinfacht aufgedrückt um den Steckplatz, mit dem eine Grafikkarte auf ein Motherboard gesteckt wird und mit dessen Hilfe die Karte „verstehen“ kann, woran der Computer gerade arbeitet bzw. welche Aufgabe er im Moment der Grafikkarte zuweist. Bus hat hierbei allerdings nichts mit dem gleichnamigen Fahrzeug zu tun, sondern ist die Abkürzung für „Binary Unit System“, was bereits andeutet, dass die Schnittstelle für Übertragung elektrischer Impulse in Binärsprache zuständig ist, welche dann an die GPU und den Grafikspeicher weitergeleitet werden. Damit die ausgesendeten Signale immer an die richtige Stelle gelangen, besteht so eine Schnittstelle aus drei Segmenten, nämlich dem Adressbus, dem Datenbus und dem Steuerbus. Der Datenbus ist dabei vermutlich das wichtigste Segment, da in ihm alle verarbeiteten Dateien und Befehle von dem Computerprozessor an die GPU der Grafikkarte bzw. den Grafikspeicher übermittelt und auch von diesen Stellen wieder zurück an den Computer gesendet werden. Der Adressbus hat dagegen die Aufgabe, die gesendeten und empfangenen Signale an die richtige Stelle zu schicken. Jeder Pixel und jede Berechnung der GPU erhalten hierfür ihren eigenen Speicherort im Grafikspeicher, der mit einer individuellen Adresse versehen wird. Mithilfe des Adressbus können die einzelnen Speicherorte direkt angesteuert werden, sodass die abgespeicherten Daten schneller abgerufen oder verändert werden können. Der Steuerbus, auch Kontrollbus genannt, ist wiederum dafür zuständig, welche Operationen gerade durchgeführt werden, also ob Daten gelesen oder geschrieben werden sollen, wie schnell der Datenaustausch über den Steckplatz stattfindet und dergleichen. Wenn ein Befehl vom Computer wie zum Beispiel das Abrufen einer bestimmten Datenmenge im Grafikspeicher nicht erfüllt werden kann, weil die Adresse nicht mehr gültig ist oder eine falsche Datei ausgegeben wird, sorgt der Steuerbus auch dafür, dass der fehlerhafte Vorgang abgebrochen wird, damit der Computer nicht pausenlos nach Adressen oder Daten auf der Grafikkarte sucht, die nicht ausgegeben werden können.
Frühere Grafikkarten besaßen eine einheitliche Bus-Schnittstelle, die auf einen beliebigen freien Steckplatz eines Motherboards gesteckt werden konnte, um die Karte mit dem System zu verbinden. Das war zwar bequem, hatte aber auch den Nachteil, dass der Computer erst sortieren musste, welche Signale über welchen Bus an welche Karte geschickt werden, damit eine Grafikkarte nicht fälschlicherweise die Daten für die Soundkarte empfängt. Im Laufe der Jahre sind diese Schnittstellen dann den Direktverbindungen gewichen, sodass der Bus einer Grafikkarte heutzutage anders als beispielsweise der Bus einer Soundkarte aufgebaut ist und deshalb vom Computer auch direkter angesteuert werden kann. Das hat den Vorteil, dass die Verständigung zwischen der Grafikkarte und dem restlichen System zusätzlich beschleunigt wird. Allerdings braucht auch jede Grafikkarte seitdem einen eigenen, separaten Steckplatz und kann nicht mehr in einen beliebigen Bussteckplatz eingefügt werden. Das hat auch den Hintergrund, dass besonders die modernen Gaming-Grafikkarten mit einer hohen Rechenleistung einen höheren Energieverbrauch als die durchschnittlichen Karten besitzen. Um diesen höheren Energiebedarf befriedigen zu können, werden die Karten über ihre Direktverbindung nicht nur mit Datensignalen, sondern auch mit zusätzlichem Strom versorgt. Das geschieht in der Regel über die vorderen 6 bis 8 Pole der Schnittstelle der Grafikkarte.
Der Standard der Direktverbindungen heißt PCI („Peripheral Component Interconnect“) und ist bereits in vierter Generation vorhanden. Andere Typen von Direktverbindungen wie AGP („Accelerated Graphics Point“) sind heute dagegen seltener, was auch daran liegt, dass der Umbauaufwand für die Kunden zu groß wäre, da für jede neue Grafikkarte mit einer Sonderform eines Bus auch automatisch ein neues Motherboard benötigt würde. Denn eine Grafikkarte mit einer PCI-Verbindung passt auch nur auf einen PCI-Steckplatz, für AGP wird ein AGP-Steckplatz benötigt und so weiter. Darum haben sich auch Sonderformen der Schnittstellen wie „AGP Fast Writes“ nicht durchsetzen können, sodass die meisten Grafikkarten heutzutage entweder mit einem normalen AGP- oder mit dem verbreiteteren PCI-Bus ausgestattet sind.
Bildmacher:
Neben der Schnittstelle für das Motherboard interessiert die Benutzer beim Einrichten ihrer Grafikkarte oft nur noch eines: die Anschlüsse für die verschiedenen Videoausgänge. Diese sind traditionell so auf einer Grafikkarte montiert, dass sie im eingesteckten Zustand nach Hinten zum Ausgang des Computergehäuses zeigen und ihre zentrale Aufgabe ist es, das Bildsignal der Grafikkarte an einen Monitor, ein Display oder einen Fernseher zu übertragen.
In der Entwicklung der Grafikkarten gab es verschiedene Formen und Standarts für Anschlüsse, von denen auch heute noch viele in die Karten miteinbezogen werden. Mitunter der älteste Anschluss-Typ, der heute noch erhalten ist, ist der sogenannte VGA-Anschluss. Dabei handelt es sich um eine 15-polige Buchse, die ausschließlich analoge Bildsignale aussenden kann. Das VGA-Format war noch bis Mitte der 2000er-Jahre der am meisten genutzte Standard. Mit dem Vormarsch der digitalen Bildübertragung und der Verbreitung von TFT-Monitoren und HD-Flachbildfernsehern wurde der VGA-Standart aber allmählich seiner Vormachtstellung beraubt und ist heute oft nur noch als Notlösung auf den Grafikkarten vorhanden. Ebenfalls nicht mehr ganz aktuell sind LFH60-Anschlüsse mit insgesamt 60 Polen. Dieser Standard ist zwar bereits in der Lage, digitale Bilder auszugeben, nimmt aber aufgrund seiner Größe zu viel Platz bei den Anschlüssen einer Grafikkarte ein und wird deshalb häufig von Herstellern als Ersatz für andere Anschlüsse verwendet. Besonders bei Grafikkarten mit einer Dual-Lösung, die zwei oder mehr Monitore gleichzeitig versorgen können, wird der LFH60-Anschluss zur Bildübertragung verwendet.
Ältere TFT-Monitore oder Fernseher, welche noch keine Anschlüsse zur Übertragung von Bildern und Videos in High Definition besitzen, werden über einen DVI-Anschluss mit einer Grafikkarte verbunden. In der moderneren Ausführung DVI-I handelt es sich dabei um einen zweigleisigen Anschluss, der sowohl die moderne digitale als auch die veraltete analoge Bildübertragung ermöglicht. Der Anschluss selbst besteht aus insgesamt 24 Polen, die – je nachdem, welcher DVI-Standart angewendet wird – in unterschiedlichen Kombinationen auf den Buchsen und den Kabelköpfen verteilt sind. Diese unterschiedlichen Kombinationen, die auch immer ein eigenes Kabel benötigen, sind mit ein Grund dafür, dass DVI schnell wieder von neuen, effizienteren Standarts abgelöst wurde.
Der aktuell am meisten genutzte Standard für Anschlüsse an Grafikkarten heißt HDMI. Das steht für „High Definition Multimedia Interface“ und der Name ist Programm. Denn über die entweder 19- oder 29-poligen Anschlüsse (je nachdem, welche HDMI-Version von der Grafikkarte unterstützt wird) werden nicht nur Bilder, sondern auch Audiospuren komplett digital an einen Monitor oder einen Fernseher übermittelt. Dabei werden bestehende Verfahren wie DVI bereits miteinbezogen und weiterentwickelt. Ein HDMI-Anschluss bei einer Grafikkarte hat darüber hinaus aber noch zwei Vorteile im Vergleich zu anderen Videoausgängen. Zum einen sind die Anschlüsse relativ schmal, sodass man theoretisch auch mehrere HDMI-Anschlüsse auf einer Karte anbringen könnte, um mehrere Endgeräte mit einem Bild zu versorgen. Ein weiterer Vorteil des Standarts ist dagegen sein Kopierschutz. Denn auch bei der Übertragungen von Bildern und Grafiken von der Grafikkarte zu einem Monitor oder Fernseher muss gewährleistet sein, dass das Bild nicht unterwegs abgefangen und aufgezeichnet werden kann. HDMI gilt in dieser Hinsicht als sehr sicher, weshalb sich dieser Anschluss-Typ bei Grafikkarten seit 2007 schnell verbreitet hat.
Die neuste Anschluss-Form ist dagegen der sogenannte DisplayPort. Hierbei handelt es sich um eine Art Übersetzer für alle gängigen Standarts, also sowohl HDMI als auch DVI oder VGA. Der Anschluss, der rein äußerlich an einen USB-Port erinnert, aber im Vergleich dazu etwas kleiner ist, ermöglicht eine schnelle Bild- und Ton-Übertragung und kann auch beispielsweise digitale Bildsignale „übersetzen“, sodass sie ohne Störungen von alten VGA-Endgeräten ausgelesen werden können, ohne dass man sich zwangsweise einen neuen Monitor besorgen müsste.