Grafikkarten

Die Komponente zur Berechnung und Ausgabe von visuellen Daten ist die Grafikkarte. An ihr wird der Bildschirm angeschlossen, der dann die Darstellung der Benutzeroberfläche zum Betriebssystem und den Anwendungsprogrammen übernimmt.
Seit dem die ersten Computer entwickelt wurden, haben sich die Grafikkarten zu einer Komponente entwickelt, die maßgeblich die Systemleistung und Eigenschaften eines Computers bestimmen.
Die Grafikkarte ist nach der Anwendung auszuwählen. Bildbearbeitung, Videoschnitt und (Action-)Spiele erfordern zwangsläufig eine leistungsfähige Grafikkarte. Einfache Büro- und Internet-Anwendungen kommen auch mit einer günstigen Grafikkarte oder Onboard-Lösung aus.

Grafikkarte mit TV- und Radio-Tuner	Grafikkarte mit Dual-Head-DVI	Standard-Grafikkarte

Prinzip-Aufbau einer Grafikkarte

Das Herz der Grafikkarte ist der Grafikprozessor (GPU), der die wesentlichen Leistungsmerkmale einer Grafikkarte bestimmt. Aufgrund des hohen Datenaufkommens zwischen Prozessor und Grafikkarte, werden Grafikkarten mit einem eigenen Prozessor ausgestattet. Er soll den Hauptprozessor mit parallel laufenden Rechenoperationen entlasten.
Es gibt auch Grafikkarten, die zwei Grafikprozessoren haben und die aufgrund der hohen Verlustleistung mit einem Kühlkörper oder sogar Lüfter gekühlt werden müssen.
Bei einer heute üblichen Grafikkarte ist dieser Grafikprozessor für 3D-Berechnungen ausgelegt, der 2D-Berechnung nur noch so am Rande unterstützt. Die realistische und räumliche Darstellung von Gegenständen mit Schatten und bewegten Szenen ist das Anwendungsgebiet einer 3D-Grafikkarte. Spezielle Physik-Engines bilden in 3D-Spielen oder -Anwendungen physikalische Gesetzmäßigkeiten aus der Mechanik nach. So ist es zum Beispiel möglich, dass Autos nach einer Kollision realistische Schäden davontragen.
Um die enormen Datenmengen durch den Grafikprozessor verarbeiten zu können haben Grafikkarten einen eigenen Arbeitsspeicher und eine spezielle Speicheranbindung mit hohen Taktraten.
Der RAM-DAC ist die Ausgangsstufe, die die digitalen Informationen des Bildspeichers in ein Analogsignal umwandelt. Die Leistungsfähigkeit des RAM-DAC wird durch seine Geschwindigkeit in MHz bestimmt. Je höher dieser Wert, desto höhere Auflösungen und Farbtiefen (Farbanzahl) sind möglich. Da heute in der Regel digitale Signale an die Displays geschickt werden, hat der RAM-DAC seine Bedeutung verloren.
Ein Bus-Interface sorgt für die Anbindung der Grafikkarte an den Chipsatz oder den Prozessor.

Chipsatzgrafik / Onboard-Grafik

Neben der Grafikkarte als Erweiterungskarte gibt es auch Onboard-Varianten. Entweder als eigenständiger Chip auf dem Motherboard oder in den Chipsatz integriert. Um die Leistungsaufnahme, Komplexität und Kosten des Chipsatzes gering zu halten, wird insbesondere die Leistungsfähigkeit des Grafikchips stark eingeschränkt. Hinzu kommt, das ein Teil des Arbeitsspeichers von der Onboard-Grafik verwendet wird (Shared-Memory). Es steht also nicht mehr der volle Arbeitsspeicher zur Verfügung. In der Regel liegen die Onboard-Grafikchips in ihrer Leistungsfähigkeit hinter den Grafikkarten zurück.
Motherboards mit integrierter Grafikprozessoren zeichnen sich durch eine sehr schlechte Qualität der Signale an der VGA-Schnittstelle aus. Grundsätzlich empfiehlt es sich bei Onboard-Grafik die digitale DVI-Schnittstelle zu wählen.

Low-End-/Low-Cost-Grafikkarten

Low-End-Grafikkarten befinden sich am untersten Ende des Preis- und Leistungssegments. Sie beeindrucken weniger durch eine gute Leistung, sondern eher durch den Mehrwert gegenüber einer integrierten Chipsatzgrafik. Im Vergleich zu Mittelklasse- oder High-End-Grafikkarten verfügen sie über weniger Verarbeitungseinheiten, geringere Chip- und Speichertaktraten und eine langsamere Speicheranbindung. In der Regel kommen sie mit einer passiven Kühlung (Kühlkörper) aus.

Multi-GPU-Architektur

Um die Grafikleistung eines PCs zu steigern setzt man auf Multi-GPU-Architekturen. Beliebt ist es zwei oder mehr Grafikkarten in einen PC einzubauen. Dafür ist ein Spezial-Chipsatz erforderlich und ein oder mehrere Netzteile mit insgesamt 800 bis 1000 Watt. Um zwei Grafikkarten miteinander zu verbinden verwendet man die SLI-Schnittstelle (Scalable Link Interface).

• Mehr Informationen zu SLI
• Mehr Informationen zu GPGPU

3D-Beschleunigung

Damit jeder Spiele-Hersteller die 3D-Funktionen der einzelnen Grafikkarten-Hersteller nicht neu Programmieren muss, wurden Grafikschnittstellen, sogenannte Application Program Interfaces (APIs), entwickelt. Diese APIs machen die Software weitgehend unabhängig von der Grafikkarte. Sie stellen Funktionen zum Berechnen und Aufbauen des Bildes bereit. Es gibt zwei dieser Schnittstellen. Die eine ist DirectX von Microsoft und die andere ist OpenGL. OpenGL ist ein offener Standard, der in fast allen Betriebssystemen enthalten ist.

• Mehr Informationen zu DirectX

Schnittstellen für Grafikkarten

Anfangs wurden Grafikkarten über den internen Systembus betrieben. Mit steigender Auflösung, Forderung nach Multimedia und 3D-Darstellung wurden die Datenmengen immer größer, die zur Grafikkarte transportiert werden mussten. Um die steigenden Datenmengen zwischen Prozessor, Arbeitsspeicher und Grafikkarte bewältigen zu können, hat Intel den AGP-Steckplatz für Grafikkarten eingeführt. Dieser Steckplatz war ausschließlich für Grafikkarten gedacht. Ein paar Jahre später wurde der AGP zusammen mit dem PCI durch den PCI Express (PCIe) ersetzt. Die heutigen Grafikkarten sind PEG-Grafikkarten (PCIe).

• PCI-X / PCI
• AGP - Accelerated Graphics Port
• PCI Express / PCIe

Schnittstellen zum Bildschirm/Monitor

Ist die Darstellung schlecht, dann wird fast immer der Bildschirm dafür verantwortlich gemacht. Wird der Bildschirm analog, also über den VGA an die Grafikkarte angeschlossen, dann kann die Signalqualität des VGA für das schlechte Bild verantwortlich sein. Obwohl man annehmen könnte, dass das heute kein Problem mehr sein sollte, weisen manche Grafikkarten eine jämmerliche Signalqualität auf. Insbesondere die VGA-Anschlüsse haben diese Probleme. Vorzugsweise sollte man den DVI- oder DisplayPort-Anschluss verwenden.

VGA	DVI	DisplayPort

Obwohl mit DVI eine digitale Schnittstelle für qualitativ hochwertige Bild- und Video-Signale verfügbar ist macht die Einführung neuer Schnittstellen durchaus Sinn. Denn DVI ist für hohe Auflösungen nicht geeignet. Der DisplayPort soll DVI (Digital Visual Interface) im PC und HDMI (High Definition Multimedia Interface) in der Unterhaltungselektronik ersetzen.
DisplayPort ist elektrisch kompatibel zu den bestehenden Digitaleingängen DVI und HDMI. Er unterstützt auch den HDCP-Kopierschutzmechanismus und beherrscht zusätzlich ein eigenes Protokoll namens DPCP (Display Port Content Protection).

• VGA
• DVI - Digital Visual Interface
• HDMI - High Definition Multimedia Interface
• DisplayPort
• UDI - Unified Display Interface

Auflösung 4:3 Displays - normales Seitenverhältnis

Bezeichnung	Bedeutung	max. Auflösung
CGA	Color Graphics Adaptor	320 x 200
EGA	Enhanced Graphics Adaptor	640 x 350
VGA	Video Graphics Array	640 x 480
SVGA	Super Video Graphics Array	800 x 600
XGA	Extended Graphics Array	1024 x 768
SXGA	Super Extended Graphics Array	1280 x 1024
SXGA+	Super Extended Graphics Array Plus	1400 x 1050
UXGA	Ultra Extended Graphics Array	1600 x 1200
QXGA	Quad Extended Graphics Array	2048 x 1536
QSXGA	Quad Super Extended Graphics Array	2560 x 2048
QUXGA	Quad Ultra Extended Graphics Array	3200 x 2400

16:10 Displays - Widescreen / Breitbildschirme

Bezeichnung	Bedeutung	max. Auflösung
WXGA	Wide Extended Graphics Array	1366 x 768
WSXGA	Wide Super Extended Graphics Array	1600 x 1024
WSXGA+	Wide Super Extended Graphics Array Plus	1680 x 1050
WUXGA	Wide Ultra Extended Graphics Array	1920 x 1200
WQSXGA	Wide Quad Super Extended Graphics Array	3200 x 2048
WQUXGA	Wide Quad Ultra Extended Graphics Array	3840 x 2400

WUXGA ist die Bezeichnung für die Auflösung eines Wide-Screen-Displays mit dem Bildformat 16:10. Ein Flachbildschirm stellt 1920 x 1200 Bildpunkte bei 16,7 Millionen Farben dar.
Üblicherweise wird dieses Format für TV-Displays verwendet. Im Notebook-Bereich setzt sich dieser Standard langsam durch. Mit ihm lassen sich Filme ohne schwarze Balken (oben und unten) ansehen.

Übersicht: Alte Grafikstandards

Bezeichnung	Farbtiefe	Auflösung
HGA - Hercules Graphics Adapter	2 Farben	720 x 348 Pixel
CGA - Color Graphics Adapter	16 Farben	320 x 200 Pixel (Grafik), 620 x 200 Pixel (Text)
EGA - Enhanced Graphics Adapter	16 Farben	640 x 350 Pixel
VGA - Video Graphics Adapter	256 Farben	640 x 480 Pixel
Super VGA	Farbtiefe und Auflösung sind von der Größe des Grafikkartenspeichers abhängig.

MDA - Monochrome Display Adapter

Die erste Grafikkarte, aus den 80ziger Jahren, war in dem Sinne keine Grafikkarte. Sie konnte die einzelnen Pixel eines Bildschirms nicht ansteuern. Die Darstellung auf den Bildschirmen war nur in zwei Farben (monochrom) möglich.
Bei einer Auflösung von 720 x 350 Pixel (!) war es nur möglich in einem Textmodus eine Ansammlung von Bildpunkten auf einer Fläche von 9 x 14 Pixel anzuzeigen. Dadurch ergab sich eine Textauflösung von 80 Spalten (Zeichen) und 25 Zeilen. Für zeichenorientierte Anwendungen, wie Textverarbeitung und Tabellenkalkulation, war das mehr als ausreichend.

CGA - Color Graphic Adapter

Der erste Farbgrafik-Standard war CGA. Mit ihm war es möglich in einer Auflösung von 320 x 200 vier Farben darzustellen. Im reinen Textmodus war, im Gegensatz zu MDA, nur eine Auflösung von 640 x 200 möglich. Es hat sich dabei praktisch um einen technischen Rückschritt gehandelt.

EGA - Enhanced Graphic Adapter

Die EGA-Grafikkarte war die erste Grafikkarte, die Auflösung und Farbdarstellung in akzeptabler Weise möglich machte. Bei einer Auflösung von 640 x 350 Pixel war die Darstellung von 16 Farben aus einer Farbpalette von 64 Farben möglich.
Im Textmodus war eine Auflösung von 80 x 25 Standard. Je nach Hersteller waren auch andere Textauflösungen möglich. Im PC-Bereich spielte die EGA-Grafikkarte fast keine Rolle. Statt dessen wurde hier schnell der VGA-Standard eingeführt.

VGA - Video Graphic Array

Der VGA-Standard ist praktisch immer noch ein aktueller Standard. Das bezieht sich zwar nur auf den reinen Textmodus, damit lässt sich aber z. B. das BIOS konfigurieren.
Die Standard-VGA-Grafikkarten unterstützten eine Auflösung von 640 x 480 Pixel mit 16 Farben. Je nach dem, wie groß der Bildspeicher einer Grafikkarte war, sind z. B. auch 256 oder mehr Farben möglich gewesen.

SVGA - Super Video Graphic Array

Die Weiterentwicklung des VGA-Standards ermöglichte eine Auflösung ab 800 x 600 Pixel bei 256 (Standard), 65536 (HiColor) oder 16,7 Mio. (TrueColor) Farben.
Die heutigen Grafikkarten sind nicht mehr an eine Auflösung gebunden. Allerdings wird der VGA- und SVGA-Standard durchgängig eingehalten. Jedes Betriebssystem bekommt jede Grafikkarte mit einer Auflösung von mindestens 800 x 600 und 256 Farben zum Laufen. Vorausgesetzt, sie ist nicht defekt.
Im normalen Betrieb ist die Auflösung, die Anzahl der Farben und die 3D-Leistung fast nur von der Größe des Bildspeichers der Grafikkarte abhängig.

Anzeigegeräte

• Bildschirm / Monitor
• Röhrenbildschirm
• Flachbildschirm
• Beamer

Weitere verwandte Themen:

• DirectX
• SLI - Scalable Link Interface
• Hybrid-Grafik
• Sideshow / Preface
• GPGPU - General Purpose Computation on Graphics Processing Unit
• Speicherangaben und Speicherkapazität

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