Computerhardware: Grafikkarte

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Die Grafikkarte verbindet den Computer mit dem Monitor. Die Elektronik der Grafikkarte steuert den Elektronenstrahl, der durch Beschuss der Fluoreszenzschicht des Bildschirms ein leuchtendes Bild erzeugt. Damit das Bild flimmerfrei ist, muss der Elektronenstrahl des Monitors jeden Bildpunkt etwa 85mal pro Sekunde zeichnen.

Flachbildschirme flimmern nicht, deshalb genügt es, 60 mal pro Sekunde (mit 60 Hertz) das Bild zu aktualisieren.

Auf den meisten Grafikkarten sind 64 MB RAM oder mehr eingebaut. Ein Teil dieses „Video-RAM“ wird als Arbeitsspeicher für den Grafikprozessor verwendet. Ein anderer Teil des RAM wird als BildWiederholSpeicher (BWS) benutzt. In diesem BWS ist für jedes Pixel (Picture Element = Bildpunkt) des Bildes gespeichert, wie hell und in welcher Farbe er leuchten soll. Die Elektronik der Grafikkarte liest immer wieder, 60-mal pro Sekunde oder öfter, Punkt für Punkt die gespeicherte Farbinformation und aktualisiert die Bildschirmdarstellung.

[Bearbeiten] Auflösung und Farbtiefe

Als Auflösung bezeichnet man die Anzahl der Bildpunkte, die horizontal und vertikal untergebracht werden können. Eine Auflösung von 800 x 600 bedeutet, dass das Bild aus 800 Pixeln in der Waagerechten und 600 Pixeln in der Senkrechten besteht.

Farbtiefe nennt man die „Feinheit“ der Abstufung, mit der Farben gespeichert und wiedergegeben werden können. Eine Farbtiefe von 24 Bit bedeutet, dass acht Bit auf jede der drei Grundfarben entfallen. Weil 2 hoch 8 = 256 ist, kann man 256 Helligkeitsabstufungen für jede der Grundfarben kodieren. Für Rot, Grün und Blau jeweils 256 Helligkeitsabstufungen ergeben 256 x 256 x 256 = 2 hoch 24 = 16.777.216 mögliche Farbkombinationen.

Bei einer Auflösung von 1024 x 768 werden 786 432 Pixel dargestellt. Bei True-Color (24 Bit = 8 Bit pro Grundfarbe = 3 Byte) werden 1024 x 768 x 3 = 2.359.296 Byte für die Darstellung benötigt, aufgerundet auf die nächste Zweierpotenz ergibt das also 4 MByte Bildwiederholspeicher.

Bei 1600 x 1200 Bildpunkten x 32 Bit Farbtiefe benötigt man 8 MByte RAM auf der Grafikkarte. Wenn Sie mit Ihrem PC nicht spielen wollen, ist mehr RAM auf der Grafikkarte nicht nötig.
Tatsächlich hat ihre Grafikkarte viel mehr RAM. Grafikkarten mit weniger als 64 MByte RAM werden nicht mehr hergestellt. Der restliche RAM wird bei 3D-Darstellungen als Arbeitsspeicher für den Grafikprozessor verwendet.

Obwohl jede Einstellung der Grafikkarte eine andere Menge RAM benötigt, ist für jeden Grafikmodus eindeutig festgelegt, welche Bits im Grafik-RAM für welchen Bildpunkt zuständig sind. Während der Elektronenstrahl über den Bildschirm huscht, liest eine Elektronik, deren Kern ein „RAM Digital Analog Converter“ (RAMDAC) ist, die Farbinformation für jeden Bildpunkt aus dem BWS und wandelt diesen Digitalwert in drei analoge Helligkeitssignale um, eins für jede der drei Grundfarben. Diese drei Farbsignale, ergänzt um Synchronsignale für Zeilen- und Bildanfang, werden über das Kabel zum Monitor gesandt.

[Bearbeiten] Bauformen der Grafikkarte

Etwa bis ins Jahr 2000 waren PCI-Grafikkarten üblich, denn die PCI-Steckplätze der Hauptplatine hatten die schnellste Übertragungsrate. Weil PCI mit den wachsenden Anforderungen an die Grafikleistung nicht mehr mithalten konnte, bekam die Grafikkarte einen speziellen Steckplatz auf der Hauptplatine: den AGP-Steckplatz. AGP ermöglichte die doppelte Datenübertragungsrate wie PCI. Seit 2006 gibt es schon wieder einen neuenTyp von Steckplätzen, der einen noch schnelleren Datentransfer ermöglicht: PCI-Express.

Grafikkarten gibt es bereits ab 30 Euro. Für etwa 550 Euro gibt es die Geforce GTX 280. Sie wiegt 934 Gramm. Die Grafikprozessoren haben fünfmal mehr Transistoren als aktuelle CPUs.

[Bearbeiten] 3D-Darstellung

Spielszenen heutiger Spiele sind dreidimensional. Es ist eine gewaltige Rechenarbeit nötig, um eine naturgetreue Darstellung zu erhalten. Die Oberflächen müssen berechnet, gefärbt und texturiert werden. Textur ist das Aussehen der Oberfläche: Spiegelnd, matt, geriffelt, textil, geknittert, ... Es muss ermittelt werden, welche Teile eines Körpers im Hintergrund durch davor befindliche Körper verdeckt werden. Lichtreflexe und Schattenwurf sind zu berechnen. Die Rechenarbeit wird zwischen der CPU und der Grafikkarte geteilt: Vereinfacht gesagt, liefert die CPU die Umrisse und die GPU (Grafik Prozessor Unit, deutsch: der Grafikprozessor) füllt sie aus. Die von der GPU durchzuführenden Berechnungen sind zahlreich, aber einfach und lassen sich gut parallelisieren (gleichzeitig ausführen). Heutige leistungsfähige GPUs haben hunderte Prozessorkerne, während die CPU mit zwei bis vier Kernen auskommen müssen. Nvidia glaubt, im Jahr 2015 werden 5000 „Stream-Prozessoren“ in einer GPU stecken. ^[1]

[Bearbeiten] Onboard-Grafikkarte

Es geht auch ohne Steckplatz. Manche Hersteller integrieren eine preiswerte Grafikkarte auf die Hauptplatine. Diese „Onboard-Grafikkarte“ hat Vorteile:

• Durch den Wegfall einer separaten Grafikkarte wird das PC-System um ein paar Dutzend Euro billiger.
• Der Energieverbrauch verringert sich gegenüber einer Mittelklasse-Grafikkarte um etwa 50 Watt.

Für typische Office-Anwendungen ist eine Onboard-Grafikkarte völlig ausreichend, und für viele Home-PCs auch. Eigentlich wird eine separate Grafikkarte vor allem für aktuelle Action-Computerspiele und für spezielle grafische Anwendungen benötigt, z. B. für Videoschnitt und eventuell für hochauflösende Videos.

Wenn irgendwann die Leistung der Onboard-Grafiklösung nicht mehr ausreicht, kauft man eine separate Grafikkarte und steckt sie in einen freier Steckplatz, soweit vorhanden. In seltenen Fällen gibt es dabei Probleme, wenn die Abschaltung der Onboard-Komponente nicht funktioniert.

[Bearbeiten] Shared Memory

Geradezu verheerend wirkt es sich aber auf die Leistung aus, wenn die Grafikelektronik keinen eigenen RAM bekommt, sondern sich einen Teil des Hauptspeichers mit dem Prozessor teilen muss. Das nennt man eine „Shared Memory“-Architektur. Bei einer Auflösung von 1024 x 768 mit High Color beispielsweise muss der Grafikchip pro Sekunde 1024 x 768 x 32 Bit x 85 Hz = 267 Millionen Byte lesen. Weil der Elektronenstrahl der Bildröhre nicht stoppen kann, erzwingt die Grafikelektronik den Vorrang für das Lesen der Bildinformation. Der Prozessor, die Festplatte und andere Komponenten müssen für ihre Speicherzugriffe auf eine der zeitlichen Lücken warten, welche die Grafikelektronik übrig lässt.

Wenn man mehr vorhat, als gelegentlich im Internet zu surfen oder kleine Texte zu verfassen, kann man Shared Memory nicht empfehlen. Von der Leistung mal ganz abgesehen, funktionieren manche neueren Spiele deshalb nicht, weil sie eine Grafikkarte mit eigenem Speicher voraussetzen.

In der Standardeinstellung einer Onboaed-Grafikkarte werden meist 64 MB RAM für die Grafikelektronik vom Arbeitsspeicher „abgezweigt“. Wenn der PC beispielsweise 256 MB RAM hat, bleiben noch 256 – 64 = 192 MB Hauptspeicher übrig. Das ist nicht viel und bremst den PC aus. In Prospekten wird das verständlicherweise nicht hervorgehoben, sondern mit Formulierungen wie „bis zu 256 MB RAM“ verschleiert. Wenn Sie einen solchen PC nicht für 3D-Spiele verwenden wollen, können Sie im BIOS einstellen, dass nur 8 MB für die Grafikkarte abgezweigt werden sollen. 58 MB von 256 MB zurückzugewinnen macht den PC etwas schneller. Bei heutigen RAM-Größen von 1 GB und mehr lohnt diese Änderung nicht, der Effekt ist nicht messbar.

[Bearbeiten] Turbo-Cache

nVidia hat sich etwas einfallen lassen, um Grafikkarten billiger zu machen: „Turbo-Cache“ ist eine verbesserte, auf PCI-Express basierende, Shared-Memory-Technik. Bei ATI heißt diese Technik „Hyper Memory“. Grafikkarten werden mit einem Minimum an eigenem RAM bestückt, denn Grafik-RAM ist teuer. Wenn dieser kleine eigene Video-RAM nicht ausreicht, wird wie beim Shared Memory ein Teil des Hauptspeichers mitbenutzt. Weil die PCI-Express-Schnittstelle eine schnellere Datenübertragung als AGP ermöglicht, ist der Leistungsverlust weniger nachteilig als bei konventionellem Shared Memory. Wenn die Grafikkarte mindestens 8 MB eigenen RAM hat, tritt kein Geschwindigkeitsverlust ein, solange man auf 3D-intensive Anwendungen verzichtet.

[Bearbeiten] Dual-Monitor-Lösungen

Es gab schon vor Jahrzehnten Profi-Grafikkarten mit zwei Monitoranschlüssen. Architekten und Konstrukteure konnten auf einem großen Bildschirm die Zeichnung darstellen, während ein kleinerer Zweitbildschirm für Befehle und Hilfsaufgaben verwendet wurde. Heute ist diese Technik bezahlbar geworden, fast jede Grafikkarte hat zwei Anschlüsse. Die Möglichkeit, zwei Bildschirme gleichzeitig anzuschließen, ist sehr interessant. Windows ermöglicht es, beliebige Fenster ganz einfach auf den zweiten Bildschirm zu verschieben. Zwei 19" Bildschirme haben die gleiche Gesamtfläche wie ein 27" Bildschirm, kosten aber sehr viel weniger. Man kann auch einen alten Monitor sinnvoll als Zweitgerät weiter nutzen, wenn man genügend Platz auf dem Tisch hat. Die Bildschirme dürfen unterschiedliche Eigenschaften haben, denn in der Regel kann man Auflösung und Bildfrequenz für beide Anschlüsse der Grafikkarte unterschiedlich einstellen.

[Bearbeiten] Anschlüsse

DVI-I Stecker	Grafikkarte
eines Adapters	von hinten

Im Bild rechts sehen Sie die rückwärtigen Anschlüsse einer modernen Grafikkarte. Oben ist der klassische 15polige VGA-Anschluss zu sehen, in der Mitte ein kleiner runder Composite-Anschluss für den Anschluss eines Fernsehers und unten ein DVI-D Anschluss.

Anfangs waren alle TFT-Flachbildschirme mit dem klassischen VGA-Stecker ausgestattet, um sie an jede Grafikkarte anschließen zu können. Das brachte nicht die bestmögliche Bildqualität, denn die digitale Bildinformation im Bildwiederholspeicher wurde zuerst im RAMDAC in ein analoges Signal umgewandelt und im TFT-Flachbildschirm in ein Digitalsignal zurückverwandelt. Deshalb haben heute die meisten Grafikkarten und TFT-Bildschirme einen DVI-Anschluss (w:Digital Visual Interface). Es gibt mehrere Arten DVI-Anschlüsse, die wichtigsten sind DVI-D (nur digital), DVI-A (nur analog) und DVI-I (integriert, das heißt: analog und digital). An DVI-A und DVI-I kann man über einem Adapter auch einen Monitor mit dem klassischen 15-poligen Stecker anschließen. Das kleinere der nebenstehenden Fotos zeigt die Steckerseite eines solchen Adapters. Wenn Sie die nebenstehenden Fotos vergleichen, sehen Sie: Der Stecker (DVI-I) hat vier Stifte beidseits neben dem flachen senkrechten Kontakt, am Anschluss der Grafikkarte (DVI-D) fehlen die dazugehörigen Kontaktbuchsen. Der Stecker passt also nicht. Das bedeutet, die Grafikkarte hat für den digitalen Ausgang keinen RAMDAC und kann kein Analogsignal erzeugen. Suchen Sie nicht in Fachgeschäften nach einem anderen Adapter, Sie werden niemals einen VGA-Bildschirm anschließen können. Nur ein TFT-Flachbildschirm passt, falls er einen DVI-Anschluss hat.

DVI unterstützt Auflösungen bis 1600 x 1200 Pixel, die meisten Gerätekombinationen schaffen auch 1920 x 1200 Bildpunkte. Bei hohen Auflösungen verringert sich die Bildwiederholfrequenz. Solange keine Bewegtbilder übertragen werden, ist das unkritisch.

Die Video Electronics Standards Association (VESA) hat eine neue Schnittstelle „DisplayPort“ entwickelt. Gegenüber dem DVI-Standard sind Stecker und Buchsen deutlich kleiner. Dadurch können zukünftige Handys und andere kleine Geräte mit einem Bildschirmanschluss ausgestattet werden.

Der DisplayPort ist technisch besser als DVI: Es können 2560 x 1600 Pixel mit 10 Bit Farbtiefe angesteuert werden, zusätzlich wird der Ton übertragen.

[Bearbeiten] DVI oder VGA - was ist besser?

Einen Röhrenmonitor passt nur an den VGA-Anschluss, da hat man keine Wahl. Bei TFT-Monitoren trifft man oft beide Anschlussmöglichkeiten an, damit man sie auch an eine ältere Grafikkarte ohne DVI anstecken kann. Wenn man die Wahl hat, sollte man DVI bevorzugen. Bei digitaler Übertragung sind Qualitätsverluste im Monitorkabel ausgeschlossen, deshalb dürfen DVI-Kabel bis zu 5 Meter lang sein. Bis 10 m sind möglich, wenn das Kabel aus hochreinem Kupfer mit hervorragender Isolierung gefertigt ist. Bei VGA-Kabeln sollte die zulässige Kabellänge bis zum Monitor möglichst nicht über zwei Meter betragen, sonst lässt die Darstellungsqualität nach. Mit bloßem Auge kann man den Unterschied aber nur selten erkennen.

Wenn Sie einen Fernseher an den PC anschließen wollen, sollten Sie den Fernseh-Fachhändler fragen, ob Ihr Fernseher geeignet ist. Videos und manche Spiele sehen auf dem Fernseher richtig gut aus. Allerdings hat ein „normaler“ Röhrenfernseher (ohne HDTV) eine deutlich schlechtere Auflösung als ein Computerbildschirm und ist für Texte und Internet kaum geeignet. Versuchen Sie mal, sich 80 Buchstaben nebeneinander auf einem Röhrenfernseher vorzustellen!

Wenn Sie einen sehr großen Bildschirm kaufen (20 Zoll und größer), kann es ein Problem geben: Manche Grafikkarten werden mit einer hohen Auflösung beworben, die aber nur am VGA-Ausgang erreicht wird. Am digitalen Ausgang wird diese hohe Auflösung möglicherweise nicht erreicht.

Achtung beim Selbsteinbau! Moderne Grafikkarten brauchen viel Strom - mitunter mehr als über die kleinen Kontakte des Steckplatzes zugeführt werden kann. Leistungshungrige Karten müssen mit ein oder zwei Zusatzsteckern direkt an das Netzteil angeschlossen werden. Betreiben Sie die Grafikkarte nicht mal eine Sekunde ohne diese Zusatzversorgung, sonst könnte sowohl die Grafikkarte als auch die Hauptplatine durchbrennen!

Quellen

1. ↑ 5000 Prozessorkerne in Grafikkarten im Jahr 2015? http://www.xbitlabs.com/news/video/display/20090730072951_Nvidia_Chief_Scientist_11nm_Graphics_Chips_with_5000_Stream_Processors_Due_in_2015.html