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Grafikkarte nVidia Geforce 6600GT mit aktiver Kühlung, AGP
Grafikkarte nVidia Geforce 6200GT mit passiver Kühlung, PCI-Express

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“ (VRAM) wird als Arbeitsspeicher für den Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png Grafikprozessor verwendet. Ein anderer Teil des VRAM wird als Gimp-icon-vergrössern-verkleinern.png 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 im BWS gespeicherte Farbinformation und aktualisiert die Bildschirmdarstellung.

Auflösung und FarbtiefeBearbeiten

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. Gebräuchlich ist die Auflösung von 1920 x 1080 Pixeln, wobei moderne Grafikkarten Auflösungen bis 3840 x 2160 beherrschen.

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 28 = 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. Diese Auflösung wird TrueColor genannt. Auf PCs mit 32-Bit-Architektur werden 32 Bit pro Pixel reserviert: 3 x 8 Bit für die Farben und weitere 8 Bit bleiben ungenutzt. Diese Speicherverschwendung wird inkauf genommen, weil die Verarbeitung von 32-Bit-Worten für einen 32-Bit-Prozessor schneller erfolgt als die Verarbeitung von 24-Bit-Worten.

Bei einer Auflösung von 1024 x 768 werden 786 432 Pixel dargestellt. Bei True-Color (32 Bit = 4 Byte) werden 1024 x 768 x 4 = 3.145.728 Byte für den Bildwiederholspeicher benötigt. Aufgerundet auf die nächste Zweierpotenz ergibt das also 4 MByte Video-RAM, wobei noch knapp 1 MB als Arbeitsspeicher für den Grafikprozessor verbleiben.

Bei 1920 x 1080 Bildpunkten x 32 Bit Farbtiefe benötigt man 16 MByte VRAM auf der Grafikkarte. Wenn Sie mit Ihrem PC nicht spielen wollen, ist mehr VRAM auf der Grafikkarte eigentlich nicht nötig.
Tatsächlich hat ihre Grafikkarte viel mehr RAM. Grafikkarten mit weniger als 1024 MByte RAM werden nicht mehr hergestellt.

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 die Farbinformation für jeden Bildpunkt aus dem BWS. Diese Informationen, ergänzt um Synchronsignale für Zeilen- und Bildanfang, werden an den digitalen Ausgängen der Grafikkarte bereitgestellt. Ein „RAM Digital Analog Converter“ (RAMDAC) wandelt diesen Digitalwert in drei analoge Helligkeitssignale um, eins für jede der drei Grundfarben, und stellt diese am analogen "VGA"-Ausgang bereit, um ältere Monitore (z. B. Röhrenmonitore) ansteuern zu können.

Empfehlung: Sehen Sie doch einmal nach, wie Ihr Computer eingestellt ist:
Wenn Sie mit Windows arbeiten, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf einen freien Bereich Ihres Desktops, dann mit der linken Taste auf „Eigenschaften“. Wählen Sie die Registerkarte „Einstellungen“. Links unten sehen Sie die Farbtiefe, und rechts unten finden Sie einen Schieberegler, unter dem die momentane Auflösung steht. Mit „Abbrechen“ kommen Sie wieder zurück.

Bauformen der GrafikkarteBearbeiten

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 den heute noch genutzten Typ   PCI-Express, der einen abermals deutlich beschleunigten Datentransfer ermöglicht.

Grafikkarten gibt es bereits ab 30 Euro, wohingegen Spitzenmodelle auch über 500 Euro kosten können. Gerade bei diesen Modellen ist der Preisverfall extrem hoch, weswegen sich für den durchschnittlichen Nutzer der Kauf kaum lohnt.

3D-DarstellungBearbeiten

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]

Wieso braucht eine 3D-Grafikkarte so viel RAM? Weil die Rechenarbeit zur Generierung eines Bildes aufwändig ist, gibt es den BWS zweimal: Der eine BWS stellt das aktuelle Bild dar, während im zweiten BWS allmählich das nächste Bild berechnet wird. Den BWS nennt man nun "Frame-Buffer". Weil die Berechnung der Helligkeit eines Pixels in mehreren Rechenschritten erfolgt, sind Rundungsfehler unvermeidlich. Deshalb werden interne Berechnungen mit vielfach höherer Genauigkeit durchgeführt. Beispielsweise werden bei der Farbtiefe "FP24" 24 Bit für die Farbe jedes Kanals benötigt, aufgeteilt in 7 Bit Exponent und 16 Bit Mantisse, was acht Millionen Farbtöne pro Farbe ermöglicht. Deshalb brauchen Frame-Buffer viel RAM.

Onboard-GrafikkarteBearbeiten

Praktisch jedes Mainboard verfügt über eine Onboard-Grafikkarte, was Vorteile hat:

  • 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 freien Steckplatz, soweit vorhanden. In seltenen Fällen gibt es dabei Probleme, wenn die Abschaltung der Onboard-Komponente nicht funktioniert.

Shared MemoryBearbeiten

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 Onboard-Grafikkarte werden meist 64 MB RAM für die Onboard-Grafikkarte vom Arbeitsspeicher „abgezweigt“. Wenn ein PC des Jahres 2008 beispielsweise 256 MB RAM hatte, blieben noch 256 – 64 = 192 MB Hauptspeicher übrig. Das war nicht viel und bremste den PC aus. In Prospekten wird das verständlicherweise nicht hervorgehoben, sondern mit Formulierungen wie „bis zu 256 MB VRAM“ verschleiert. Wenn Sie einen solchen PC nicht für 3D-Spiele verwenden wollen, können Sie im BIOS einstellen, dass anstelle von 64 MB nur 8 MB RAM für die Grafikkarte abgezweigt werden sollen. 56 MB von 256 MB zurückzugewinnen macht den PC etwas schneller. Bei heutigen RAM-Größen von ein bis acht GB und mehr lohnt diese Änderung nicht, der Effekt ist nicht messbar.

Turbo-Cache und Hyper-MemoryBearbeiten

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 bei Büroanwendungen kein Geschwindigkeitsverlust ein. Bei Spielen und 3D-Anwendungen kommt man nur auf die halbe Leistung wie bei einer ausreichend mit RAM bestückten Grafikkarte.

Gegenwärtig ist Grafikspeicher so weit im Preis gefallen, dass Shared Memory und Turbo Cache normalerweise nicht mehr zum Einsatz kommen. In Prospekten wird die Größe des "Separaten Grafikspeichers" angegeben.

Dual-Monitor-LösungenBearbeiten

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.

AnschlüsseBearbeiten

   
DVI-I Stecker Grafikkarte
eines Adapters von hinten

VGA und DVIBearbeiten

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 (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. Außerdem ist das längliche Masse-Pin des DVI-I-Steckers etwas breiter als beim DVI-D-Stecker. 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. Manche Flachbildfernseher haben einen DVI-Eingang, so dass man einen Computermonitor einsparen kann.

DVI unterstützt Auflösungen bis 1600 x 1200 Pixel bei einer Bildwiederholfrequenz von 60 Hertz. Bei der Auflösung von 1920 x 1200 Bildpunkten verringert sich die Bildwiederholfrequenz auf 52 Hertz. Solange keine schnellen Bewegtbilder übertragen werden, ist das unkritisch. Für höhere Auflösungen braucht man einen DVI Dual-Port. Damit sind maximal 2560 x 1920 Pixel bei 60 Hertz möglich.

DVI-D ist aufwärtskompatibel zu HDMI. Das bedeutet: DVI-D lässt sich mit einem Adapter nach HDMI konvertieren.

VGA oder DVI - was ist besser?Bearbeiten

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. Die Bildschirmhersteller haben sich geeinigt, die VGA-Schnittstelle nur noch bis zum Jahr 2015 zu unterstützen[2].

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!


HDMIBearbeiten

Als Nachfolger von DVI wird seit 2003 die HDMI Schnittstelle (High Definition Multimedia Interface) entwickelt. Sowohl die Filmindustrie als auch die Herstellern von Unterhaltungselektronik unterstützen HDMI. Bild- und Tondaten werden digital mit einem Kabel mit 19-poligem Miniatur-Stecker übertragen. Leider gibt es die Versionen HDMI 1.1, 1.2, 1.3 und 1.3a mit unterschiedlichen Übertragungsbandbreiten und unterschiedlichen Steckertypen. Kabellängen von 5 Metern sind problemlos möglich, mit hochwertigen Kabeln 10 bis 15 Meter. Der Kopierschutz HDCP ist integriert. [3]

HDMI ist abwärtskompatibel zum Vorgängerstandard DVI: Mit Adapter kann man einen DVI-Bildschirm an eine HDMI-Grafikkarte anschließen.

DisplayPortBearbeiten

Die Video Electronics Standards Association (VESA) hat eine neue Schnittstelle „DisplayPort“ entwickelt. Es gibt Stecker in Normal- und Mini-Ausführung. Gegenüber dem DVI-Standard sind Stecker und Buchsen deutlich kleiner. Dadurch können zukünftige Handys und andere kleine Geräte mit einem Bildschirmanschluss ausgestattet werden. Apple ist Vorreiter beim DisplayPort. Ihr Bildschirm hat keinen DisplayPort-Anschluss? Es gibt Adapter für VGA, DVI und HDMI. Ebenso wie bei DVI und HDMI wird der Kopierschutz HDCP verwendet.

Der DisplayPort ist technisch besser als DVI. Über eine Hauptverbindung können 2560 x 1600 Pixel mit 10 Bit Farbtiefe angesteuert werden. Ein Zusatzkanal kann für USB, Lautsprecher oder Eingabegeräte wie Mikrofon, Kamera oder berührungsempfindliche Bildschirme genutzt werden.

ThunderboltBearbeiten

Auf Basis des Displayport-Standards wurde von Intel und Apple die Schnittstelle Thunderbolt entwickelt welche neben den DisplayPort-Bilddaten auch eine Übertragung von PCI-Express ermöglicht. Dabei werden Datenraten von 10 GBit/s auf zwei Kanälen erreicht - viermal so schnell wie USB 3.0. Zusätzlich definiert der Standard die Kaskadierung von Monitoren, so dass über eine einzige Schnittstelle mehrere Monitore hintereinandergehängt werden können. Dabei müssen die Verwendeten Monitore jedoch neben einem DisplayPort/Thunderbolt-Eingang auch über einen entsprechenden Ausgang verfügen an den das nachfolgende Gerät angeschlossen werden kann.

Mehrere Hersteller haben Thunderbolt-Peripherie angekündigt. Interessant ist die Schnittstelle dabei für sehr datenintensive Anwendungen wie schnelle Festplatten-Verbünde und Geräte zur Aufnahme von sehr hochauflösenden Videos.

Einbau einer GrafikkarteBearbeiten

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!

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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
  2. VGA nur noch bis 2015 http://www.dotnetpro.de/news3947.aspx
  3. Hintergrundinfos zu HDMI http://www.hifi-regler.de/hdmi/hdmi.php#hdmi_04