Ein Bild einer AMD Radeon RX 6900 XT Grafikkarte
Eine moderne High-End-Grafikkarte für Endverbraucher: eine Radeon RX 6900 XT von AMD

Eine Grafikkarte , auch bekannt als Videokarte , Displaykarte , Grafikbeschleuniger , Grafikadapter , VGA-Karte/VGA , Videoadapter oder Displayadapter (GPU) , ist eine Computer- Erweiterungskarte , die ein Grafiksignal an ein Anzeigegerät wie einen Monitor ausgibt . Grafikkarten werden manchmal auch als diskrete oder dedizierte Grafikkarten bezeichnet, um sie von einem integrierten Grafikprozessor auf dem Motherboard oder der Zentraleinheit (CPU) zu unterscheiden. Die Grafikprozessoreinheit (GPU), die die notwendigen Berechnungen durchführt, ist die Hauptkomponente einer Grafikkarte. Die Abkürzung „GPU“ wird jedoch fälschlicherweise manchmal auch für die gesamte Grafikkarte verwendet. [ 1 ]

Die meisten Grafikkarten beschränken sich nicht auf die reine Bildausgabe. Die Grafikeinheit (GPU) kann für zusätzliche Berechnungen genutzt werden, wodurch die CPU entlastet wird. [ 2 ] Darüber hinaus ermöglichen Rechenplattformen wie OpenCL und CUDA die Nutzung von Grafikkarten für allgemeine Rechenaufgaben . Beispiele für solche Anwendungen sind KI-Training , Kryptowährungs-Mining und Molekularsimulationen . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

Üblicherweise liegt eine Grafikkarte als Leiterplatte (Erweiterungskarte) vor, die in einen Erweiterungssteckplatz eingesetzt wird. [ 6 ] Andere Modelle verfügen über ein eigenes Gehäuse und werden über eine Dockingstation oder ein Kabel mit dem Computer verbunden. Diese werden als externe GPUs (eGPUs) bezeichnet.

Grafikkarten werden aufgrund ihrer höheren Leistung oft gegenüber integrierten Grafiklösungen bevorzugt. Eine leistungsstärkere Grafikkarte kann mehr Bilder pro Sekunde berechnen .

Geschichte

Grafikkarten, auch Videokarten oder Grafikprozessoren (GPUs) genannt, haben sich im Laufe der Zeit parallel zu den Standards für Computergrafik weiterentwickelt , um den technologischen Fortschritt und die sich ändernden Nutzeranforderungen zu erfüllen. Im Bereich der IBM-PC-kompatiblen Computer umfassten die frühen Standards Monochrome Display Adapter (MDA) , Color Graphics Adapter (CGA) , Hercules Graphics Card , Enhanced Graphics Adapter (EGA) und Video Graphics Array (VGA) . Jeder dieser Standards bedeutete einen Fortschritt in der Darstellung von mehr Farben, höheren Auflösungen und komplexeren grafischen Oberflächen und legte damit den Grundstein für die Entwicklung moderner Grafikfunktionen.

Ende der 1980er-Jahre führten Fortschritte im Bereich der Personalcomputer dazu, dass Unternehmen wie Radius spezielle Grafikkarten für den Apple Macintosh II entwickelten . Diese Karten waren insofern einzigartig, als sie über separate 2D-QuickDraw- Funktionen verfügten und so die Grafikausgabe von Macintosh-Computern durch eine beschleunigte 2D-Grafikdarstellung verbesserten. QuickDraw, ein zentraler Bestandteil der grafischen Benutzeroberfläche des Macintosh, ermöglichte die schnelle Darstellung von Bitmap-Grafiken, Schriftarten und Formen. Die Einführung solcher hardwarebasierter Verbesserungen läutete eine Ära spezialisierter Grafikverarbeitung in Consumer-Computern ein.

Die Entwicklung der Grafikverarbeitung machte Mitte der 1990er-Jahre mit der Einführung der Voodoo-Serie von 3dfx Interactive einen großen Sprung nach vorn. Diese Serie war eine der ersten GPUs für Endverbraucher, die 3D-Beschleunigung unterstützte. Die Architektur der Voodoo markierte einen Wendepunkt in der Grafikverarbeitung, indem sie die rechenintensive Aufgabe des 3D-Renderings von der CPU auf die GPU verlagerte und so die Spieleleistung und den grafischen Realismus deutlich verbesserte.

Die Entwicklung vollintegrierter GPUs, die sowohl 2D- als auch 3D-Rendering beherrschten, begann mit der Einführung der NVIDIA RIVA 128. Die 1997 erschienene RIVA 128 war eine der ersten GPUs für Endverbraucher, die 3D- und 2D-Verarbeitungseinheiten auf einem einzigen Chip integrierte. Diese Innovation vereinfachte die Hardwareanforderungen für Endnutzer, da sie keine separaten Karten für 2D- und 3D-Rendering mehr benötigten. Dadurch wurde der Weg für die breite Akzeptanz leistungsstärkerer und vielseitigerer GPUs in PCs geebnet.

Heutzutage werden die meisten Grafikkarten mit Chips der drei führenden Hersteller AMD , Intel und Nvidia gefertigt . Diese modernen Grafikkarten sind multifunktional und unterstützen neben der 3D-Grafikdarstellung für Spiele auch diverse andere Aufgaben. Sie bieten außerdem 2D-Grafikverarbeitung, Videodekodierung , TV-Ausgabe und Unterstützung für Multi-Monitor-Setups . Viele Grafikkarten verfügen zudem über integrierte Soundfunktionen, sodass sie Audio und Video zusammen mit dem Bildsignal an angeschlossene Fernseher oder Monitore mit eingebauten Lautsprechern übertragen und so das Multimedia-Erlebnis weiter verbessern können.

In der Grafikbranche werden diese Produkte häufig als Grafik-Erweiterungskarten (AIBs) bezeichnet. [ 7 ] Der Begriff „AIB“ unterstreicht den modularen Aufbau dieser Komponenten, da sie typischerweise auf dem Motherboard eines Computers installiert werden, um dessen Grafikleistung zu erweitern. Die Entwicklung von den Anfängen mit separaten 2D- und 3D-Grafikkarten hin zu den heutigen integrierten und multifunktionalen GPUs spiegelt den kontinuierlichen technologischen Fortschritt und die steigende Nachfrage nach hochwertigen visuellen und Multimedia-Erlebnissen im Computerbereich wider.

Diskrete vs. integrierte Grafik

Klassische Desktop-Computerarchitektur mit separater Grafikkarte über PCI Express . Typische Bandbreiten für die jeweiligen Speichertechnologien sind angegeben, die Speicherlatenz fehlt jedoch . Zero-Copy zwischen GPU und CPU ist nicht möglich , da beide über eigene physische Speicher verfügen. Daten müssen von einer Komponente zur anderen kopiert werden, um gemeinsam genutzt werden zu können.
Integrierte Grafik mit partitioniertem Hauptspeicher : Ein Teil des Systemspeichers ist exklusiv der GPU zugewiesen. Zero-Copy ist nicht möglich; Daten müssen über den Systemspeicherbus von einer Partition in die andere kopiert werden.
Integrierte Grafik mit einheitlichem Hauptspeicher , wie sie bei AMD "Kaveri" oder PlayStation 4 ( HSA ) zu finden ist

Alternativ zur Verwendung einer Grafikkarte kann Videohardware als integrierte Grafik in das Motherboard , die CPU oder ein System-on-a-Chip integriert werden . Motherboard-basierte Implementierungen werden auch als „On-Board-Grafik“ bezeichnet. Einige Motherboards unterstützen die gleichzeitige Nutzung von integrierter Grafik und einer Grafikkarte zur Ansteuerung mehrerer Bildschirme. Die Hauptvorteile integrierter Grafik sind: geringe Kosten, kompakte Bauweise, einfache Handhabung und niedriger Energieverbrauch. Integrierte Grafik bietet oft eine geringere Leistung als eine Grafikkarte, da die Grafikeinheit (GPU) in der integrierten Grafik Systemressourcen mit der CPU teilen muss. Eine Grafikkarte hingegen verfügt über eigenen Arbeitsspeicher (RAM), ein eigenes Kühlsystem und dedizierte Spannungsregler. Durch die Entlastung von CPU und Arbeitsspeicher (RAM) kann die Gesamtleistung des Computers verbessert werden, zusätzlich zur gesteigerten Grafikleistung. Solche Leistungssteigerungen sind beispielsweise bei Videospielen , 3D-Animationen und Videobearbeitung zu beobachten . [ 8 ] [ 9 ]

Sowohl AMD als auch Intel haben CPUs und Motherboard-Chipsätze eingeführt, die die Integration einer GPU in denselben Chip wie die CPU unterstützen. AMD bewirbt CPUs mit integrierter Grafik unter der Marke Accelerated Processing Unit (APU), während Intel eine ähnliche Technologie unter dem Namen „ Intel Graphics Technology “ vermarktet. [ 10 ]

Strombedarf

Mit der steigenden Rechenleistung von Grafikkarten wuchs auch deren Strombedarf. Aktuelle Hochleistungsgrafikkarten verbrauchen in der Regel große Mengen an Strom. Beispielsweise beträgt die thermische Verlustleistung (TDP) der GeForce Titan RTX 280 Watt . [ 11 ] Im Test mit Videospielen verbrauchte die GeForce RTX 2080 Ti Founder's Edition durchschnittlich 300 Watt. [ 12 ] Obwohl CPU- und Netzteilhersteller in letzter Zeit auf höhere Effizienz hingearbeitet haben, stieg der Strombedarf von Grafikkarten weiter an, die damit den größten Stromverbrauch aller Einzelkomponenten in einem Computer aufweisen. [ 13 ] [ 14 ] Obwohl auch Netzteile ihre Leistung erhöht haben, stellt die PCI-Express- Verbindung mit einer maximalen Leistung von 75 Watt den Flaschenhals dar. [ 15 ]

Moderne Grafikkarten mit einer Leistungsaufnahme von über 75 Watt verfügen üblicherweise über eine Kombination aus 6-Pin- (75 W) oder 8-Pin-Anschlüssen (150 W), die direkt mit dem Netzteil verbunden werden. Die ausreichende Kühlung stellt bei solchen Computern eine Herausforderung dar. Computer mit mehreren Grafikkarten benötigen unter Umständen Netzteile mit über 750 Watt. Die Wärmeabfuhr ist daher ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion von Computern mit zwei oder mehr High-End-Grafikkarten.

Bei der Nvidia GeForce RTX 30-Serie mit Ampere-Architektur wurde für eine speziell geflashte RTX 3090 mit dem Namen „Hall of Fame“ eine maximale Leistungsaufnahme von 630 Watt gemessen. Eine Standard-RTX 3090 erreicht maximal 450 Watt. Die RTX 3080 kommt auf bis zu 350 Watt, während die 3070 eine ähnliche, wenn nicht sogar etwas niedrigere maximale Leistungsaufnahme aufweist. Ampere-Karten der Founders Edition verfügen über ein „Dual Axial Flow Through“ -Kühlerdesign [ 16 ] mit Lüftern ober- und unterhalb der Karte, um möglichst viel Wärme nach hinten ins Computergehäuse abzuführen. Ein ähnliches Design wurde bei der Sapphire Radeon RX Vega 56 Pulse-Grafikkarte verwendet. [ 17 ]

Größe

Grafikkarten für Desktop-Computer gibt es in verschiedenen Baugrößen, wodurch sie auch in kleineren Computern verbaut werden können. Einige Grafikkarten weichen von der üblichen Größe ab und werden als „Low Profile“ bezeichnet. [ 18 ] [ 19 ] Die Baugröße von Grafikkarten wird ausschließlich anhand der Höhe bestimmt. Low-Profile-Karten sind niedriger als ein PCIe-Steckplatz. Länge und Dicke können stark variieren. High-End-Karten belegen üblicherweise zwei oder drei Erweiterungssteckplätze, und moderne High-End-Grafikkarten wie die RTX 4090 sind über 300 mm lang. [ 20 ] Eine Low-Profile-Karte ist vorteilhaft, wenn mehrere Karten verbaut werden sollen oder wenn es zu Platzproblemen mit anderen Komponenten des Mainboards wie DIMM- oder PCIe-Steckplätzen kommt. Dieses Problem lässt sich durch ein größeres Computergehäuse wie einen Midi-Tower oder Full-Tower beheben. Full-Tower bieten in der Regel Platz für größere Mainboards in Formaten wie ATX und Micro-ATX.

GPU-Durchhang

Seit Ende der 2010er und Anfang der 2020er Jahre sind einige High-End-Grafikkartenmodelle so schwer geworden, dass sie nach dem Einbau ohne geeignete Halterung durchhängen können. Aus diesem Grund bieten viele Hersteller zusätzliche Halterungen an. [ 21 ] Ein Durchhängen der GPU kann diese langfristig beschädigen. [ 21 ]

Multikarten-Skalierung

Einige Grafikkarten lassen sich miteinander verbinden, um die Grafikleistung auf mehrere Karten zu verteilen. Dies geschieht entweder über den PCIe-Bus des Mainboards oder, häufiger, über eine Datenbrücke. Normalerweise müssen die Karten vom gleichen Modell sein, und die meisten Einsteigerkarten unterstützen diese Art der Verbindung nicht. [ 22 ] AMD und Nvidia verwenden jeweils eigene Skalierungsmethoden: CrossFireX für AMD und SLI (seit der Turing- Generation, abgelöst durch NVLink ) für Nvidia. Karten unterschiedlicher Chiphersteller oder Architekturen können nicht für die Multi-Card-Skalierung verwendet werden. Verfügen die Grafikkarten über unterschiedliche Speicherkapazitäten, wird der niedrigste Wert verwendet, die höheren Werte werden ignoriert. Aktuell ist die Skalierung mit Consumer-Grafikkarten mit bis zu vier Karten möglich. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] Die Verwendung von vier Karten erfordert ein großes Mainboard mit entsprechender Konfiguration. Die Nvidia GeForce GTX 590 kann in einer Vier-Karten-Konfiguration betrieben werden. [ 26 ] Wie bereits erwähnt, sollten Nutzer für eine optimale Nutzung Grafikkarten mit vergleichbarer Leistung verwenden. Mainboards wie das ASUS Maximus 3 Extreme und das Gigabyte GA EX58 Extreme sind für diese Konfiguration zertifiziert. [ 27 ] Für den Betrieb der Grafikkarten im SLI- oder CrossFireX-Verbund ist ein leistungsstarkes Netzteil erforderlich. Der Strombedarf muss vor der Installation eines geeigneten Netzteils ermittelt werden. Für die Konfiguration mit vier Grafikkarten wird ein Netzteil mit mindestens 1000 Watt benötigt. [ 27 ] Bei leistungsstarken Grafikkarten ist ein effektives Wärmemanagement unerlässlich. Grafikkarten benötigen ein gut belüftetes Gehäuse und eine gute Kühlung. In der Regel ist eine Luft- oder Wasserkühlung erforderlich, wobei auch Einsteiger-GPUs passiv gekühlt werden können. Größere Konfigurationen nutzen Wasserkühlung oder Immersionskühlung, um eine optimale Leistung ohne thermische Drosselung zu erzielen. [ 28 ]

SLI und Crossfire wurden immer seltener , da die meisten Spiele mehrere GPUs nicht voll ausnutzen, weil sich die meisten Nutzer diese nicht leisten können. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 Mehrere GPUs werden weiterhin auf Supercomputern (wie beispielsweise Summit ) und auf Workstations zur Beschleunigung von Video- [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] und 3D-Rendering [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] , visuellen Effekten [ 40 ] [ 41 ] , für Simulationen [ 42 ] und zum Training künstlicher Intelligenz eingesetzt.

3D-Grafik-APIs

Ein Grafiktreiber unterstützt üblicherweise eine oder mehrere Grafikkarten desselben Herstellers und muss für ein bestimmtes Betriebssystem entwickelt worden sein. Zusätzlich kann das Betriebssystem oder eine weitere Software bestimmte Programmierschnittstellen ( APIs) bereitstellen , über die Anwendungen 3D-Rendering durchführen können.

Verfügbarkeit der 3D-Rendering-API auf verschiedenen Betriebssystemen
Betriebssystem VulkanDirect3DMetallOpenGLOpenGL ESOpenCL
WindowsJa Microsoft NEIN Ja Ja Ja
macOS , iOS und iPadOSMoltenVKNEIN Apfel MacOS iOS/iPadOS Apfel
LinuxJa Alternative ImplementierungenNEIN Ja Ja Ja
AndroidJa NEIN NEIN Nvidia Ja Ja
TizenIn Entwicklung NEIN NEIN NEIN Ja N / A
Segelfisch OSIn Entwicklung NEIN NEIN NEIN Ja N / A

Verwendung

GPUs werden für spezifische Anwendungsbereiche entwickelt; solche Produktlinien werden hier kategorisiert:

  1. Gaming
  2. Cloud-Gaming
  3. Arbeitsplatz
  4. Cloud-Workstation
  5. Künstliche Intelligenz Cloud
  6. Automatisiertes/Fahrerloses Auto

Industrie

Ab 2025 sind AMD und Nvidia die Hauptlieferanten der in Grafikkarten verwendeten GPUs (Grafikchips bzw. Chipsätze). Im dritten Quartal 2013 lag der Marktanteil von AMD laut Jon Peddie Research bei 35,5 %, der von Nvidia bei 64,5 % [ 43 ] . In der Wirtschaftswissenschaft spricht man in dieser Branche von einem Duopol . AMD und Nvidia entwickeln und vertreiben auch eigene Grafikkarten, die in der Branche als Grafik-Erweiterungskarten (AIBs) bezeichnet werden. (Siehe Vergleich der Nvidia-Grafikprozessoren und Vergleich der AMD-Grafikprozessoren .) Neben dem Vertrieb ihrer eigenen Grafikkarten verkaufen AMD und Nvidia ihre GPUs auch an autorisierte AIB-Lieferanten, die sie als „Partner“ bezeichnen [ 44 ] . Der direkte Wettbewerb zwischen Nvidia und AMD mit ihren Kunden/Partnern erschwert die Beziehungen in der Branche. Die Tatsache, dass AMD und Intel im CPU-Markt direkte Konkurrenten sind, ist ebenfalls bemerkenswert, da AMD-basierte Grafikkarten in Computern mit Intel-CPUs verwendet werden können. Intels integrierte Grafik könnte AMD schwächen, da AMD einen erheblichen Teil seines Umsatzes mit APUs erzielt . Im zweiten Quartal 2013 gab es 52 AIB-Anbieter. [ 44 ] Diese AIB-Anbieter vermarkten Grafikkarten unter ihren eigenen Marken, produzieren Grafikkarten für Eigenmarken oder für Computerhersteller. Einige AIB-Anbieter wie MSI stellen sowohl AMD- als auch Nvidia-basierte Grafikkarten her. Andere, wie EVGA , produzieren ausschließlich Nvidia-basierte Grafikkarten, während XFX mittlerweile nur noch AMD-basierte Grafikkarten herstellt. Mehrere AIB-Anbieter sind auch Mainboard-Hersteller. Die meisten der größten AIB-Anbieter haben ihren Sitz in Taiwan, darunter ASUS , MSI , GIGABYTE und Palit . Zu den in Hongkong ansässigen AIB-Herstellern gehören Sapphire und Zotac . Sapphire und Zotac vertreiben außerdem Grafikkarten exklusiv für AMD- bzw. Nvidia-GPUs. [ 45 ]

Markt

Die Auslieferungen von Grafikkarten erreichten 1999 mit insgesamt 114 Millionen ihren Höhepunkt. Im Gegensatz dazu beliefen sie sich im dritten Quartal 2013 auf 14,5 Millionen Einheiten, ein Rückgang von 17 % gegenüber dem dritten Quartal 2012. [ 43 ] Im Jahr 2015 erreichten die Auslieferungen einen Jahresgesamtwert von 44 Millionen. Der Absatz von Grafikkarten ist aufgrund von Verbesserungen bei integrierten Grafiktechnologien rückläufig; hochwertige, in die CPU integrierte Grafikkarten bieten eine vergleichbare Leistung wie Einsteiger-Grafikkarten. Gleichzeitig sind die Grafikkartenverkäufe im High-End-Segment gestiegen, da die Hersteller ihren Fokus verstärkt auf den Gaming- und Enthusiastenmarkt verlagert haben. [ 45 ] [ 46 ]

Neben Gaming und Multimedia werden Grafikkarten zunehmend auch für allgemeine Rechenaufgaben wie die Verarbeitung großer Datenmengen eingesetzt . [ 47 ] Das Wachstum von Kryptowährungen hat die Nachfrage nach High-End-Grafikkarten, insbesondere in großen Mengen, aufgrund ihrer Vorteile beim Kryptowährungs-Mining stark ansteigen lassen. Im Januar 2018 erlebten Grafikkarten der Mittel- und Oberklasse einen sprunghaften Preisanstieg, und viele Händler hatten aufgrund der hohen Nachfrage Lieferengpässe. [ 46 ] [ 48 ] [ 49 ] Grafikkartenhersteller brachten spezielle Mining-Karten auf den Markt, die für den Dauerbetrieb (24/7) ohne Videoausgänge ausgelegt sind. [ 5 ] Die Grafikkartenindustrie erlitt durch den Chipmangel 2020/21 einen Rückschlag . [ 50 ]

Teile

Eine Radeon HD 7970 mit abgenommenem Hauptkühlkörper, die die wichtigsten Komponenten der Karte zeigt. Das große, schräg stehende silberne Objekt ist der GPU-Chip, der von RAM-Chips umgeben ist, welche wiederum von Kühlkörpern aus stranggepresstem Aluminium abgedeckt werden. Die Stromversorgungsschaltung ist neben dem RAM, nahe der rechten Seite der Karte, montiert.

Eine moderne Grafikkarte besteht aus einer Leiterplatte, auf der die Komponenten montiert sind. Dazu gehören:

Grafikprozessor

Eine Grafikprozessoreinheit ( GPU ), gelegentlich auch visuelle Prozessoreinheit ( VPU ) genannt, ist eine spezialisierte elektronische Schaltung , die den Speicher schnell manipuliert und verändert, um die Bildgenerierung im Framebuffer für die Ausgabe auf einem Bildschirm zu beschleunigen. Aufgrund der hohen programmierbaren Rechenkomplexität dieser Aufgabe ist eine moderne Grafikkarte im Grunde ein eigenständiger Computer.

Eine Grafikkarte in halber Höhe

Kühlkörper

Auf den meisten modernen Grafikkarten ist ein Kühlkörper montiert. Dieser verteilt die von der Grafikeinheit erzeugte Wärme gleichmäßig über den Kühlkörper und die Grafikkarte selbst. Üblicherweise ist am Kühlkörper ein Lüfter angebracht, der den Kühlkörper und die Grafikeinheit kühlt. Nicht alle Karten verfügen über Kühlkörper; manche sind beispielsweise flüssigkeitsgekühlt und verwenden stattdessen einen Wasserkühler. Karten aus den 1980er und frühen 1990er Jahren erzeugten zudem nur wenig Wärme und benötigten daher keine Kühlkörper. Die meisten modernen Grafikkarten benötigen jedoch eine adäquate Kühlung. Diese kann wassergekühlt oder durch Kühlkörper mit zusätzlichen, üblicherweise aus Kupfer gefertigten Heatpipes erfolgen, um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten.

Video-BIOS

Das Video-BIOS bzw. die Firmware enthält ein minimales Programm für die Ersteinrichtung und Steuerung der Grafikkarte. Es kann Informationen über den Speicher und dessen Timings, die Betriebsgeschwindigkeiten und Spannungen des Grafikprozessors sowie weitere Details enthalten, die unter Umständen geändert werden können.

Moderne Video-BIOS unterstützen nicht den vollen Funktionsumfang von Grafikkarten; sie reichen lediglich aus, um die Karte zu identifizieren und zu initialisieren und einen von wenigen Framebuffer- oder Textanzeigemodi darzustellen. Sie unterstützen weder die YUV- zu- RGB- Konvertierung, Videoskalierung, Pixelkopie, Compositing noch eine der zahlreichen anderen 2D- und 3D-Funktionen der Grafikkarte, die über Softwaretreiber zugänglich sein müssen.

Videospeicher

Die Speicherkapazität der meisten modernen Grafikkarten liegt zwischen 2 und 24 GB . [ 51 ] Mit bis zu 32 GB Ende der 2010er-Jahre werden die Anwendungen für Grafikleistung immer leistungsfähiger und verbreiteter. Da der Videospeicher sowohl von der GPU als auch von der Anzeigeschaltung genutzt werden muss, kommt häufig spezieller Hochgeschwindigkeitsspeicher oder Multiport-Speicher wie VRAM , WRAM , SGRAM usw. zum Einsatz. Um das Jahr 2003 basierte der Videospeicher typischerweise auf DDR- Technologie. Im Laufe dieses Jahres und danach stellten die Hersteller auf DDR2 , GDDR3 , GDDR4 , GDDR5 , GDDR5X , GDDR6 und GDDR7 um . Die effektive Speichertaktfrequenz moderner Grafikkarten liegt im Allgemeinen zwischen 2 und 15  GHz .

Der Videospeicher kann neben dem Bildschirmbild auch zur Speicherung anderer Daten verwendet werden, wie beispielsweise des Z-Puffers , der die Tiefenkoordinaten in 3D-Grafiken verwaltet , sowie von Texturen , Vertex-Puffer und kompilierten Shader-Programmen .

RAMDAC

Der RAMDAC (Random-Access Memory Digital-Analog Converter) wandelt digitale Signale in analoge Signale für Computerbildschirme mit analogen Eingängen, wie z. B. Kathodenstrahlröhren (CRT), um. Der RAMDAC ist eine Art RAM-Chip, der die Funktion der Grafikkarte steuert. Je nach Bitanzahl und Datenübertragungsrate unterstützt der Wandler unterschiedliche Bildwiederholfrequenzen von Computerbildschirmen. Bei CRT-Bildschirmen empfiehlt sich eine Bildwiederholfrequenz von über 75  Hz und niemals unter 60 Hz, um Flimmern zu minimieren. [ 52 ] (Bei LCDs ist dies kein Problem, da sie kaum oder gar nicht flimmern.) Aufgrund der zunehmenden Verbreitung digitaler Computerbildschirme und der Integration des RAMDAC in den GPU-Chip ist er als separates Bauteil weitgehend verschwunden. Alle aktuellen LCD-/Plasma-Monitore, Fernseher und Projektoren mit rein digitalen Anschlüssen arbeiten im digitalen Bereich und benötigen für diese Anschlüsse keinen RAMDAC. Es gibt Bildschirme, die ausschließlich über analoge Eingänge ( VGA , Komponenteneingang, SCART usw.) verfügen . Diese benötigen einen RAMDAC, wandeln das analoge Signal jedoch vor der Anzeige wieder in ein digitales um, was unweigerlich zu Qualitätsverlusten führt. Da der VGA-Standard zugunsten digitaler Formate schrittweise ersetzt wird, verschwinden RAMDACs zunehmend von Grafikkarten.

Eine Radeon HD 5850 mit DisplayPort-, HDMI- und zwei DVI-Anschlüssen

Ausgabeschnittstellen

Video-in Video-out (VIVO) für S-Video (TV-Out), Digital Visual Interface (DVI) für hochauflösendes Fernsehen (HDTV) und DE-15 für Video Graphics Array (VGA)

Die gebräuchlichsten Verbindungssysteme zwischen Grafikkarte und Computerbildschirm sind:

Video Graphics Array (VGA) (DE-15)

Video Graphics Array ( DE-15 )

VGA, auch bekannt als D-Sub , ist ein analoger Standard, der Ende der 1980er-Jahre für CRT-Bildschirme (auch VGA-Anschluss genannt) entwickelt wurde . Heute wird die VGA-Schnittstelle für hochauflösende Videos mit Auflösungen wie 1080p und höher verwendet. Zu den Problemen dieses Standards gehören elektrisches Rauschen , Bildverzerrungen und Abtastfehler bei der Pixelauswertung. Obwohl die VGA-Übertragungsbandbreite für die Wiedergabe noch höherer Auflösungen ausreicht, kann die Bildqualität je nach Kabelqualität und -länge beeinträchtigt sein. Das Ausmaß der Qualitätsunterschiede hängt vom Sehvermögen des Betrachters und dem verwendeten Bildschirm ab. Bei Verwendung einer DVI- oder HDMI-Verbindung, insbesondere bei größeren LCD-/LED-Monitoren oder Fernsehern, ist eine eventuell vorhandene Qualitätsminderung deutlich sichtbar. Die Wiedergabe von Blu-ray-Discs in 1080p ist über die VGA-Schnittstelle möglich, sofern das Image Constraint Token (ICT) auf der Blu-ray-Disc nicht aktiviert ist.

Digitale visuelle Schnittstelle (DVI)

Digitale visuelle Schnittstelle (DVI-I)

Digital Visual Interface (DVI) ist ein digitaler Standard für Displays wie Flachbildschirme ( LCDs , Plasma-Bildschirme, hochauflösende Breitbildfernseher ) und Videoprojektoren. Auch einige wenige hochwertige CRT-Monitore nutzten DVI. DVI vermeidet Bildverzerrungen und elektrisches Rauschen, indem es jedes Pixel des Computers in seiner nativen Auflösung einem Bildschirmpixel zuordnet . Die meisten Hersteller bieten einen DVI- I- Anschluss an, der (mittels eines einfachen Adapters) die Ausgabe eines Standard-RGB-Signals an ältere CRT- oder LCD-Monitore mit VGA-Eingang ermöglicht.

Video-in/Video-out (VIVO) für S-Video, Composite-Video und Component-Video

VIVO-Anschluss

Diese Anschlüsse ermöglichen die Verbindung mit Fernsehern , DVD-Playern , Videorecordern und Videospielkonsolen . Sie sind häufig in zwei Varianten mit 10-poligem Mini-DIN-Anschluss erhältlich , und das VIVO-Splitterkabel verfügt in der Regel entweder über 4 Anschlüsse ( S-Video Ein- und Ausgang sowie Composite-Video Ein- und Ausgang) oder über 6 Anschlüsse (S-Video Ein- und Ausgang, Component YP B P R Ausgang und Composite Ein- und Ausgang).

High-Definition Multimedia Interface (HDMI)

Multimedia-Schnittstelle in hoher Auflösung

HDMI ist eine kompakte Audio-/Videoschnittstelle zur Übertragung unkomprimierter Videodaten und komprimierter/unkomprimierter digitaler Audiodaten von einem HDMI-kompatiblen Gerät (dem Quellgerät) an ein kompatibles digitales Audiogerät , einen Computermonitor , einen Videoprojektor oder einen digitalen Fernseher . [ 53 ] HDMI ist ein digitaler Ersatz für bestehende analoge Videostandards . HDMI unterstützt Kopierschutz durch HDCP .

DisplayPort

DisplayPort

DisplayPort ist eine digitale Schnittstelle für die Videoelektronik-Standards (VESA). Sie dient primär dem Anschluss einer Videoquelle an ein Anzeigegerät wie einen Computermonitor , kann aber auch zur Übertragung von Audio, USB-Daten und anderen Datenformen verwendet werden. [ 54 ] Die VESA-Spezifikation ist lizenzfrei . VESA hat DisplayPort als Nachfolger von VGA , DVI und LVDS konzipiert . Dank der Abwärtskompatibilität zu VGA und DVI durch Adapter können Verbraucher DisplayPort-fähige Videoquellen nutzen, ohne ihre vorhandenen Anzeigegeräte austauschen zu müssen. Obwohl DisplayPort bei gleicher Funktionalität eine höhere Datenübertragungsrate als HDMI bietet , soll es diese Schnittstelle ergänzen und nicht ersetzen. [ 55 ] [ 56 ]

USB-C

USB-C ist ein erweiterbarer Anschluss für USB , DisplayPort , Thunderbolt und Stromversorgung. Der USB-C-Anschluss ist ein 24-poliger, beidseitig verwendbarer Stecker, der die vorherigen USB-Anschlüsse ablöst. Einige neuere Grafikkarten nutzen USB-C-Anschlüsse aufgrund ihrer Vielseitigkeit. [ 57 ]

Andere Arten von Verbindungsystemen

Typ Anschluss Beschreibung
Composite-Video
Für die Anzeige auf analogen Systemen mit SD-Auflösung ( PAL oder NTSC ) [ 58 ] kann der RCA- Anschluss verwendet werden. Dieser einpolige Anschluss überträgt alle Informationen zu Auflösung, Helligkeit und Farbe und stellt somit die niedrigste Qualität für eine dedizierte Videoverbindung dar. [ 59 ] Je nach Grafikkarte wird möglicherweise das SECAM- Farbsystem sowie nicht standardmäßige Modi wie PAL 60 oder NTSC 50 unterstützt .
S-Video
Für die Anzeige auf analogen Systemen mit SD-Auflösung ( PAL oder NTSC ) überträgt das S-Video-Kabel zwei synchronisierte Signal- und Massepaare, Y und C genannt , auf einem vierpoligen Mini-DIN-Stecker . Bei Composite-Video liegen die Signale auf unterschiedlichen Frequenzen vor. Um dies zu erreichen, muss das Luminanzsignal tiefpassgefiltert werden, was die Bildqualität beeinträchtigt. Da S-Video die beiden Signale als separate Signale weiterführt, ist eine solche nachteilige Tiefpassfilterung des Luminanzsignals nicht erforderlich, obwohl das Chrominanzsignal im Vergleich zu Component-Video eine begrenzte Bandbreite aufweist.
7P
Nicht standardmäßige 7-polige Mini-DIN-Anschlüsse (sogenannte „7P“) werden in einigen Computergeräten (PCs und Macs) verwendet. Eine 7P-Buchse ist pinkompatibel mit einem standardmäßigen 4-poligen S-Video-Stecker. [ 60 ] Die drei zusätzlichen Buchsen können zur Bereitstellung von Composite- (CVBS) , RGB- oder YPbPr-Videosignalen oder einer I²C- Schnittstelle verwendet werden . [ 60 ] [ 61 ]
8-poliger Mini-DIN-Stecker
Ein MiniDIN-8-Diagramm
Der 8-polige Mini-DIN-Anschluss wird in einigen ATI Radeon- Grafikkarten verwendet . [ 62 ]
Komponentenvideo
Es verwendet drei Kabel mit jeweils einem RCA - Stecker ( YCbCr für digitale Komponenten oder YPbPr für analoge Komponenten) und kommt in älteren Projektoren, Videospielkonsolen und DVD-Playern zum Einsatz. [ 63 ] Es unterstützt SDTV - Auflösungen von 480i / 576i und EDTV von 480p / 576p sowie HDTV -Auflösungen von 720p und 1080i , jedoch nicht 1080p aufgrund von Kopierschutzbestimmungen. Die Grafikqualität entspricht der von HDMI für die unterstützten Auflösungen. [ 64 ] Für optimale Leistung bei Blu-ray, anderen 1080p-Quellen wie Pay-per-View oder 4K Ultra HD ist jedoch ein digitaler Display-Anschluss erforderlich.
DB13W3
Ein analoger Standard, der einst von Sun Microsystems , SGI und IBM verwendet wurde .
DMS-59
Ein Anschluss, der einen DVI- oder VGA- Ausgang über einen einzigen Anschluss bereitstellt.
DE-9
Der historische Anschluss von EGA- und CGA- Grafikkarten ist ein weiblicher 9-poliger D-Subminiatur-Stecker ( DE-9 ). Signalstandard und Pinbelegung sind abwärtskompatibel zu CGA, sodass EGA-Monitore an CGA-Karten und umgekehrt verwendet werden können.

Motherboard-Schnittstellen

ATI Graphics Solution Rev 3 aus den Jahren 1985/1986 mit Unterstützung für Hercules -Grafik. Wie man an der Platine erkennen kann, wurde das Layout 1985 erstellt, während die Kennzeichnung auf dem zentralen Chip CW16800-A „8639“ lautet, was bedeutet, dass der Chip in der 39. Kalenderwoche 1986 gefertigt wurde. Diese Karte verwendet die ISA 8-Bit (XT)-Schnittstelle .

Chronologisch gesehen waren die Verbindungssysteme zwischen Grafikkarte und Motherboard hauptsächlich:

  • S-100-Bus : Er wurde 1974 als Teil des Altair 8800 entwickelt und ist der erste Industriestandard-Bus für die Mikrocomputerindustrie.
  • ISA : Der 1981 von IBM eingeführte Standard wurde in den 1980er Jahren marktführend. Es handelt sich um einen 8- oder 16-Bit -Bus mit einer Taktfrequenz von 8 MHz.
  • NuBus : Dieser Bus wurde im Macintosh II verwendet und ist ein 32-Bit -Bus mit einer durchschnittlichen Bandbreite von 10 bis 20 MB/s.
  • MCA : Eingeführt 1987 von IBM, handelt es sich um einen 32-Bit-Bus mit einer Taktfrequenz von 10 MHz.
  • EISA : Der 1988 als Konkurrenzprodukt zu IBMs MCA eingeführte Bus war mit dem älteren ISA-Bus kompatibel. Es handelt sich um einen 32-Bit-Bus mit einer Taktfrequenz von 8,33 MHz.
  • VLB : Eine Erweiterung von ISA, ein 32-Bit-Bus mit einer Taktfrequenz von 33 MHz. Auch als VESA bezeichnet.
  • PCI : Ab 1993 ersetzte PCI die EISA-, ISA-, MCA- und VESA-Busse. PCI ermöglichte dynamische Verbindungen zwischen Geräten und machte die manuellen Einstellungen per Jumper überflüssig . Es handelt sich um einen 32-Bit-Bus mit einer Taktfrequenz von 33 MHz.
  • UPA : Eine von Sun Microsystems im Jahr 1995 eingeführte Verbindungsbusarchitektur. Es handelt sich um einen 64-Bit -Bus mit einer Taktfrequenz von 67 oder 83 MHz.
  • USB : Obwohl USB hauptsächlich für diverse Geräte wie Speichermedien, Peripheriegeräte und Spielzeug verwendet wird , gibt es auch USB-Displays und Displayadapter. Es wurde erstmals 1996 eingesetzt.
  • AGP : Erstmals 1997 eingesetzt, ist es ein dedizierter Grafikbus. Es handelt sich um einen 32-Bit-Bus mit einer Taktfrequenz von 66 MHz.
  • PCI-X : Eine Erweiterung des PCI-Busses, eingeführt im Jahr 1998. Es verbessert PCI durch die Erweiterung der Busbreite auf 64 Bit und die Taktfrequenz auf bis zu 133 MHz.
  • PCI Express (PCIe) ist eine 2004 eingeführte Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle. 2006 bot sie die doppelte Datenübertragungsrate von AGP. Sie ist nicht mit PCI-X zu verwechseln , einer erweiterten Version der ursprünglichen PCI-Spezifikation. PCI Express ist Standard für die meisten modernen Grafikkarten.

Die folgende Tabelle vergleicht die Funktionen einiger der oben aufgeführten Schnittstellen.

Bus Breite (Bit) Taktrate ( MHz ) Bandbreite (MB/s) Stil
ISA XT8 4,77 8 Parallel
ISA AT16 8,33 16 Parallel
MCA32 10 20 Parallel
NUBUS32 10 10–40 Parallel
EISA32 8,33 32 Parallel
VESA32 40 160 Parallel
PCI32–64 33–100 132–800 Parallel
AGP 1x32 66 264 Parallel
AGP 2x32 66 528 Parallel
AGP 4x32 66 1000 Parallel
AGP 8x32 66 2000 Parallel
PCIe x11 2500 / 5000 250 / 500 Seriennummer
PCIe x41 × 4 2500 / 5000 1000 / 2000 Seriennummer
PCIe x81 × 8 2500 / 5000 2000 / 4000 Seriennummer
PCIe x161 × 16 2500 / 5000 4000 / 8000 Seriennummer
PCIe ×1 2.0 [ 65 ]1 500 / 1000 Seriennummer
PCIe ×4 2.01 × 42000 / 4000 Seriennummer
PCIe ×8 2.01 × 84000 / 8000 Seriennummer
PCIe ×16 2.01 × 165000 / 10000 8000 / 16000 Seriennummer
PCIe ×1 3.01 1000 / 2000 Seriennummer
PCIe ×4 3.01 × 44000 / 8000 Seriennummer
PCIe ×8 3.01 × 88000 / 16000 Seriennummer
PCIe ×16 3.01 × 1616000 / 32000 Seriennummer
PCIe ×1 4.01 2000 / 4000 Seriennummer
PCIe ×4 4.01 × 4 8000 / 16000 Seriennummer
PCIe ×8 4.01 × 8 16000 / 32000 Seriennummer
PCIe ×16 4.01 × 16 32000 / 64000 Seriennummer
PCIe ×1 5.01 4000 / 8000 Seriennummer
PCIe ×4 5.01 × 4 16000 / 32000 Seriennummer
PCIe ×8 5.01 × 8 32000 / 64000 Seriennummer
PCIe ×16 5.01 × 16 64000 / 128000 Seriennummer

Siehe auch

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Quellen

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