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Grafikkarte

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Die Grafikkarte ist eine Steckkarte, die zur Ausgabe von Text- und Video-Informationen an den Monitor zuständig ist. Die ersten Grafikkarten wurden nur zur Textwiedergabe eingesetzt. Im Laufe der Computerentwicklung stiegen die Anforderungen an die Grafikkartenhardware stetig, sodass sich die Grafikkarte zu einer Komponente entwickelt hat, die maßgeblich an der Systemleistung beteiligt ist.

Neben der Grafikkarte als Erweiterungskarte gibt es auch die Onboard-Variante. Diese wird entweder als separater Grafik-Chip oder im Motherboard-Chipsatz integriert. Bei neuesten Entwicklungen der Marktführer Intel und AMD ist die Grafikkarte in der CPU integriert. Welche Grafikkartenvariante zum Einsatz kommen soll, liegt an den Bedürfnissen des Anwenders. Programme zur Bildbearbeitung, Videoschnitt oder Spiele (Action), erfordern häufig eine leistungsfähige, schnelle Grafikkarte. Einfache Programme für Büro- oder Internet-Anwendungen kommen in der Regel auch mit einer anderen Variante aus.

Die Onboard-Grafikkarten haben allerdings auch einen Nachteil. Häufig wird aus Kostengründen auf Grafikspeicher verzichtet, sodass der Arbeitsspeicher oder Hauptspeicher belastet werden muss.

Im Laufe der Zeit wurden die Anforderungen an die Grafikkarte immer größer. Die Hersteller wurden gezwungen, die Grafik-Chips stetig weiter zu entwickeln. Bedingt durch hohe Taktraten werden die Grafik-Chips immer heißer und können durch Kühlkörper nicht mehr ausreichend gekühlt werden, sodass aktive Kühler (Lüfter) eingesetzt werden müssen. Als neueste Innovation kommt derzeit ein Heatpipe-System zum Einsatz, welches nach dem Prinzip eines Wärmetauschers funktioniert.

Ferner hat sich im Laufe der Jahre auch der Steckplatz für die Grafikkarte geändert. Anfänglich reichte der PCI-Steckplatz noch aus. Doch die Anforderungen wurden immer großer, sodass schnell der AGP-Steckplatz folgte. Heute ist der PCIe-Steckplatz schon Standard.


Grafikkarte.jpg

Komponenten

Der Aufbau einer Grafikkarte besteht aus folgenden Komponenten:


Bus-Interface

Das Bus-Interface ist für die Anbindung bzw. Kommunikation zwischen dem Chipsatz, der Grafikkarte und dem Chipsatz des Motherboards zuständig.


Grafikprozessor

Der Grafikprozessor, engl. GPU (Graphics Processing Unit), dient zur Berechnung der Bildschirmausgabe. Die heute produzierten Grafikprozessoren stammen mittlerweile ausnahmslos von den Chipherstellern AMD (unter dem Markennamen ATI), Intel und Nvidia. Der Grafikprozessor übernimmt die rechenintensiven Aufgaben der Computergrafikberechnung im 2D- und 3D-Bereich und entlastet dadurch den Hauptprozessor (CPU). Um die Funktionen, die der Grafikprozessor zur Verfügung stellt, voll nutzen zu können, werden Hilfsprogramme und Treiber benötigt, welche die Grafikschnittstellen DirectX und OpenGL ansteuern. Die damit freigewordene Zeit des Prozessors kann für andere Aufgaben genutzt werden.


Grafikspeicher

Als Grafikspeicher wird der gesamte auf der Grafikkarte vorhandene Speicher bezeichnet. Dieser ist in der Regel ein speziell auf die Grafikoperationen abgestimmter Halbleiterspeicher, der nur für den Grafikprozessor - die GPU - zur Verfügung steht. Auf den Grafikspeicher kann schneller zugegriffen werden als auf den Arbeitsspeicher, welcher auf dem Motherboard verwendet wird. Bei Spielen ist es von Vorteil viel Grafikspeicher zu nutzen, denn somit können mehr Informationen schneller gespeichert und ausgelesen werden. Natürlich ist das auch von der Geschwindigkeit der GPU abhängig. Bei einer Onboard-Grafikkarte wird ein reservierter Bereich des normalen Arbeitsspeichers vom Motherboard für die Grafik abgestellt. Dieses sollte bei der Bestückung des Arbeitsspeichers auf dem Motherboard berücksichtigt werden.


RAMDAC

Der RAMDAC (Random Access Memory Digital Analog Converter) ist das Bindeglied zwischen dem Digital-Signal des Grafikchips und dem VGA-Monitorausgang (Analog). Der RAMDAC wandelt die Bildinformationen vom Grafikkartenspeicher (RAM) in ein für den Monitor verständliches analoges Signal um. Je höher die Frequenzangabe des RAMDAC's ist, desto höhere Bildwiederholraten sind bei genutzter Auflösung möglich. Für jede Grundfarbe R/G/B (Rot, Grün, Blau) wird ein D/A-Wandler benötigt. Dieser setzt den digitalen Farbwert der Grundfarbe in einen analogen Spannungswert um.


Video-Out-Controller

Der Video-Out-Controller verwaltet die Signale, die er vom RAMDAC erhält um und leitet diese an die entsprechenden Ausgänge.


Anschlüsse

Damit die die Videodaten auf den Monitor, TV-Bildschirm oder PC-Bildschirm gebracht werden können, stehen verschiedene Anschlussmöglichkeiten zur Verfügung:


DVI

DVI (Digital Visual Interface) ist eine Übertragungsmöglichkeit von digitalen und/oder analogen Bilddaten. Dieser Standard wird unter anderem zwischen Grafikkarten und Displays eingesetzt.


Für das DVI-Signal gibt es drei Hauptkategorien.

  • DVI-I - Integrated = überträgt analoge und digitale Videodaten
  • DVI-D - Digital-Only = überträgt nur digitale Videodaten
  • DVI-A - Analog-Only = beträgt nur analoge Videodaten


HDMI

Seit 2007 gibt es Grafikkarten, die neben dem VGA- und dem DVI-Anschluss auch mit einem HDMI-Ausgang (High Definition Multimedia Interface) bestückt werden. Dem Anwender wird so die Möglichkeit geschaffen, nicht nur Monitore mit VGA- und DVI-Anschluss zu nutzen, sondern auch Geräte wie TV, Beamer oder ähnliche mit einem HDMI-Anschluss zu verbinden. Über das HDMI-Signal können auch DVI-D Monitore mittels DVI/HDMI Adapter betrieben werden. Wobei die HDCP Unterstützung bei DVI nur optional ist, sodass nicht alle DVI-Geräte HDCP geschützte Signale wiedergeben können. Die gleichzeitige Übertragung von Videosignalen und Tonsignalen funktioniert nur über die HDMI-Verbindung.


TV-Ausgang

Mit dem TV-Ausgang, besser bekannt unter TV-Out, kann das Signal der Grafikkarte am TV-Gerät wiedergegeben werden. Zu diesem Zweck wird das Signal entweder über eine Cinchbuchse (als Compositsignal) oder über eine Mini-DIN-Buchse als S-Video nach außen geführt. Als Anwender hat man so die Möglichkeit, mit mehreren Bildschirmen, z.B. PC-Bildschirm und Fernseher, den Inhalt darzustellen. Die Signalqualität der Wiedergabe ist, da es sich um ein analoges FBAS- oder S-Video-Signal handelt, eher mittelmäßig.


VGA

VGA (Video Graphics Array) ist der Bildübertragungsstandard für Stecker- und Kabelverbindungen zwischen Grafikkarten und Anzeigegeräten. Dieser wurde von IBM eingeführt. Der VGA-Anschluss der Grafikkarte ist stets eine so genannte 15-polige, 3-reihige HD-Buchse. Anfänglich unterstützten die Standard-VGA-Grafikkarten eine Auflösung von 640 x 480 Pixel mit 16 Farben. Die Weiterentwicklung des VGA-Standards zum SVGA, ermöglichte Auflösungen von bis zu 2048 x 1536 Pixel bei 256 (Standard), 65536 (HiColor) oder 16,7 Mio. (TrueColor) Farben.


Software/Treiber

Die Anforderungen an die Grafikkarte wird immer großer. Um dem gerecht zu werden gibt es bestimmte Software und Treiber, die ständig weiterentwickelt und verbessert wird.


DirectX

DirectX ist ab Windows 95 ein Teil der Microsoft-Betriebssysteme und stellt damit die Softwareschnittstelle zwischen Anwendungen, wie z. B. Spiele und der genutzten Grafikhardware dar. DirectX macht es den Entwicklern möglich, ohne Detailkenntnisse der Hardware lauffähige Spiele für die Computersysteme zu entwickeln. Ohne DirectX wäre das Betriebssystem Windows als Plattform für Spiele ungeeignet. Mit der Einführung von DirectX sind die Hardware-Hersteller angewiesen, Treiber zu entwickeln und zur Verfügung zu stellen, die für DirectX konform sind. Die Entwickler von Spielen können dann über die API-Funktionen auf die Hardware zugreifen. Stellt eine Hardware nicht alle benötigten Funktionen zur Verfügung, können die Entwickler diese Funktionen mittels ihrer Software emulieren. Auch gibt die Hardware darüber Auskunft, ob die benötigten Funktionen fest in der Hardware vorhanden sind oder ob die Funktionen per Software emuliert werden müssen. Die Entwickler können dann entscheiden, wie die Hardware verwendet werden soll.


Die wichtigsten Modi unter DirectX sind:

DirectX-Direct3D

  • Ist die Schnittstelle, über die auf dem Computermonitor Animationen in 3D dargestellt werden können. DirectX-Direct3D ist eine leistungsfähige Schnittstelle zwischen der Grafikkarte und der Software, um 3D-Objekte wiederzugeben. Je schneller der Computer die Animationen darstellen kann, desto realistischer werden die 3D-Objekte mit Licht und Schatten, sowie Bewegungen, auf dem Monitor wiedergegeben.

DirectX-DirectDraw

  • Unterstützt das Erzeugen von 2D-Effekte. Die Grafikkarte und die dafür erstellten Softwareprogramme kommunizieren mit Hilfe DirectDraw miteinander, bevor die fertigen visuellen Effekte und Bilder auf dem Monitor dargestellt werden. Viele 2D-Programme, sowie Computerspiele und Windows-Systemfunktionen, verwenden die DirectX-DirectDraw Schnittstelle.

DirectX-DirectSound

  • Verbessert die Audioeffekte, sowie die Effekte zur Audiomischung und deren Wiedergabe. Zudem wird mit DirectX-DirectSound eine Schnittstelle zur Verbindung von Softwareprogrammen und deren genutzter Hardware ermöglicht.


OpenGL

Open Graphics Library ist eine netzwerk- und hardwareunabhängige Grafik-Bibliothek, die auf Geschwindigkeit optimierte wurde. OpenGL wurde von Silicon Graphics aus der IrisGL entwickelt. Es gibt kaum noch Hersteller von Grafikkarten, die keine OpenGL-Treiber der Karte beilegen. OpenGL hat nur low-level Befehle, die zum Zeichnen von einfachen Grafiken, sowie Punkten, Linien und konvexe Polygonen dienen. Keinerlei höhere Befehle zur Fensterverwaltung, was der OpenGL ermöglicht, plattformunabhängig angewendet zu werden, um eine hohe Geschwindigkeit zu erreichen. Somit kann der Entwickler nahezu jedes Detail gezielt beeinflussen und einstellen, um die maximale Performance zu erzielen.


Weitere Techniken

Um den Einzatz der Grafikkarte noch weiter zu optimieren wurden weitere Techniken entwichelt:


Crossfire

Crossfire beschreibt die vom Grafikkartenhersteller ATI (jetzt AMD) entwickelte Technik, eine sogenannte Multi-GPU-Technik, die es ermöglicht, dass in einem Computer zwei PCI-Express-Grafikkarten gleichzeitig genutzt werden können. Die Crossfire-Technik wird eingesetzt, um die 3D-Grafikdarstellung zu steigern. In leistungsstarken Computern wird auf diese Technik zurückgegriffen, da viele Spiele eine detailliertere Darstellung und eine höhere Grafikleistung verlangen.


Um die Crossfire-Technik zu nutzen, werden derzeit drei Wege der Grafikkarten-Kopplung genutzt:

  • Es wird ein spezielles Monitorkabel benötigt, mit dessen Hilfe die Grafikkarten extern miteinander verbunden werden. Bei diesem Aufbau wird eine Master-Grafikkarte, die unter dem Begriff „Crossfire Edition“ zu erkennen ist, eingesetzt. Die zweite handelsübliche Grafikkarte, die so genannte Slave-Grafikkarte, wird mit der Masterkarte kombiniert. Ein spezieller Chip, der auf der Master-Grafikkarte verbaut ist, mischt das Ausgabebild beider Grafikkarten zusammen und stellt es auf dem Monitor dar.
  • Mit Hilfe der Grafikkarten X1650 XT und X1950 Pro wurde von AMD das interne Crossfire vorgestellt. Bei dieser Crossfire-Methode werden zwei baugleiche Grafikkarten über zwei interne Brücken miteinander verbunden.
  • Mit Hilfe der Grafikkarten X1300 und X1600 wurde ein anderer Weg beschritten. Die Grafikkarten stellen eine Verbindung weder über ein externes Monitorkabel, noch über interne Brücken her. Stattdessen werden die Verbindung und die Kommunikation zwischen den beiden Grafikkarten über den PCI-Express-Bus der Hauptplatine realisiert.


Über die Crossfire-Technik werden folgende Betriebsmodi zur Verfügung gestellt:

  • SuperTiling:
  • Scissor
  • Alternate Frame Rendering (AFR):
  • SuperAA


SLI

Scalable Link Interface, ist eine Multi-GPU-Technik aus dem Hause Nvidia, die das Zusammenschalten von mehreren Grafikprozessoren zur Leistungssteigerung beim Rendern ermöglicht. Die im SLI-Verbund genutzten Grafikkarten werden mittels einer Steckbrücke miteinander verbunden. Um einen reibungslosen SLI-Betrieb zu ermöglichen, sind zwei identische Grafikkarten zu verwenden. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig, dass die Grafikkarten vom gleichen Hersteller sind, sondern dass die Grafikkarten den gleichen Grafikprozessor besitzen.


Zur SLI-Technik werden folgende Betriebsmodi zur Verfügung gestellt:

  • Compatibility Mode
  • Alternate Frame Rendering (AFR)
  • Split Frame Rendering (SFR)

Als Besonderheit weißt die SLI-Technik das SLI-Multi-View auf. In diesem Betriebsmodus können 4 oder mehr Monitore angeschlossen und genutzt werden.


Betriebsmodi

  • Compatibility Mode in diesem Modus rendert (Glättung der Kanten) nur eine der beiden Grafikkarten, sodass es in diesem Betriebsmodi keine Leistungssteigerung bei der Darstellung gibt.
  • SuperTiling: ein Render-Modus, welcher bei der Multi-GPU-Technik eingesetzt wird. Bei diesem Render-Modus wird das Bild in ein schachbrettartiges Muster aufgeteilt. Jede Karte berechnet eine ihr zugewiesene "Farbe" dieses Schachbrettes. Beide Karten rendern das gleiche Bild.
  • Scissor auch SFR genannt. Bei dem Modus Scissor bzw. Split Frame Rendering wird der Bildschirm horizontal aufgeteilt. Jede Grafikkarte berechnet eine der beiden Hälften, sodass die Auslastung der Karten ungefähr gleich ist. Dieser Modus kommt bei OpenGL zum Einsatz.
  • AFR: der Modus Alternate Frame Rendering ist eine besondere Art der Bildberechnung, denn hier berechnet die eine Grafikkarte die ungeraden und die andere Grafikkarte die geraden Frames. Durch diesen Modus können bei bewegten Bildern höhere Beschleunigungsraten erzielt werden.
  • SuperAA ist ein neuer Qualitätsmodus, bei dem beide Karten den selben Frame berechnen. Die Bilder werden dabei mit höherer Auflösung gerendert und anschließend wieder herunter gerechnet. Die so entstehenden beiden Bilder werden dann von einem speziellen Chip auf der Master-Grafikkarte kombiniert und wieder zusammengerechnet. Durch diesen Modus werden vorhandene Bildfehler ausgebessert, um so ein nahezu perfektes Bild oder Endergebnis zu erzielen.


Auflösungen

Auflösungen

Grafikmodus
Bedeutung
max. Auflösung
Darstellung
CGA Color Graphics Adaptor
320 * 200
4:3
EGA Enhanced Graphics Adaptor
640 * 350
4:3
VGA Video Graphics Array
640 * 480
4:3
SVGA Super Video Graphics Array
800 * 600
4:3
XGA Extended Graphics Array
1024 * 768
4:3
SXGA Super Extended Graphics Array
1280 * 1024
4:3
SXGA+ Super Extended Graphics Array Plus
1400 * 1050
4:3
UXGA Ultra Extended Graphics Array
1600 * 1200
4:3
QXGA Quad Extended Graphics Array
2048 * 1536
4:3
QSXGA Quad Super Extended Graphics Array
2560 * 2048
4:3
QUXGA Quad Super Extended Graphics Array
3200 * 2400
4:3
WXGA Wide Extended Graphics Array
1366 * 768
16:9
WUXGA Wide Ultra Extended Graphics Array
1920 * 1080
16:9
WSXGA Wide Super Extended Graphics Array
1600 * 1024
16:10
WSXGA+ Wide Super Extended Graphics Array
1680 * 1050
16:10
WUXGA+ Wide Ultra Extended Graphics Array
1920 * 1200
16:10
WQSXGA+ Wide Quad Super Extended Graphics Array
3200 * 2048
16:10
WQUXGA+ Wide Quad Ultra Extended Graphics Array
3840 * 2400
16:10


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