Wie funktioniert eine Grafikkarte? #4

In der heutigen Folge zur Computerreihe werden wir uns den Pixelbeschleuniger anschauen. Der ist nämlich maßgeblich für die Leistungsfähigkeit aktueller 3D-Spieler zuständig. Wie immer gehen wir über den Aufbau zu der Funktionsweise bis hin zur Vorstellung eines aktuellen Gerätes. Heute ist das übrigens die mächtige NVIDIA GTX 780 Grafikkarte, also seid gespannt! Grundsätzlich ist eine Grafikeinheit dafür zuständig, die von der CPU kommenden Daten weiter zu verarbeiten und schließlich am Monitor auszugeben. Jedoch gibt es solche Grafikeinheiten in verschiedenen Formen. Teilweise kommen sie als Onboard-Lösung auf dem Mainboard vor. Davon kann man aber leider keine Höchstleistungen erwarten. Genauso wie bei der zweiten Möglichkeit, die man schon im letzten Video gesehen hat. Es kann sich nämlich auch eine Grafikeinheit auf der CPU befinden. Häufig nennt man diese Kompaktlösung dann auch APU, nämlich Accelerated Processing Unit. Die herkömmlichste Lösung ist aber ganz einfach die Grafikkarte, die in Desktop-Computern und Notebooks verbaut werden kann. Und diese werden wir nun auch genauer anschauen. So eine Grafikkarte setzt sich in aller Regel aus folgenden Hauptbestandteilen zusammen. Das wäre die Platine, die Spannungswandler und Stromzufuhr, der Videospeicher und der Grafikprozessor. Beginnen wir mit der Platine. Sie ist sozusagen das Mainboard der Grafikkarte. Darauf befinden sich alle Komponenten, die für die weitere Berechnung der CPU-Daten notwendig sind. Auf der Platine findet also, wie auf dem Mainboard auch, der Datenverkehr statt. Und wie wir ja schon wissen, setzt sich so ein PCB meist aus mehreren Lagen zusammen. Hier ist dieses Multilayer-Design sogar noch um einiges komplizierter als beim Mainboard. Aufgrund der ca. 800 Datenleitungen vom Videospeicher zum Grafikprozessor benötigt man nämlich eine bis zu 14-schichtige Platine. Außerdem ist die Platine für die Regulierung der benötigten Spannungen zuständig, für die Ansteuerung der Monitoranschlüsse und für die Verknüpfung mehrerer Grafikkarten via SLI und Crossfire. Und natürlich befindet sich auf der Grafikkarte auch ein Anschluss, mit dem man sie mit dem Mainboard verbinden kann. Heutzutage handelt es sich dabei um einen PCI-Express 3.0-Anschluss. Mit dem Zusatz 16 Mal bedeutet das dann, dass es 16 parallele Leitungen gibt, die senden und empfangen können und das mit maximal 8 GB pro Sekunde. Bei der langsameren Variante, 8 Mal, handelt es sich dann nur um 8 parallele Leitungen, die natürlich auch nur die Hälfte an Datenverkehr schaffen. Man muss aber dazu sagen, dass diese 4 GB pro Sekunde eigentlich für alle Anwendungen eines aktuellen PCs ausreichen. Also macht euch keine Sorgen, wenn ihr eine PCIe 16 Mal Grafikkarte auf einem PCIe 8 Mal Slot laufen habt. Gehen wir nun weg von der Platine zur Spannungsversorgung. Eine Grafikkarte benötigt natürlich einiges an Strom. Sie ist sogar die Komponente in einem Computer, die am meisten Strom verbraucht. Und diese elektrische Energie bekommt sie aus zwei verschiedenen Quellen. Zum einen über den eben besprochenen PCIe-Anschluss, der eine Leistung von bis zu 75 Watt bereitstellen kann und zum anderen über Stromanschlüsse, die vom Netzteil zu Anschlüssen auf der Grafikkarte-Platine führen. Ein 6-poliger Anschluss schafft dabei maximal 75 Watt und ein 8-poliger 150 Watt. Je nachdem, wie viele und welche Anschlüsse nun eine Grafikkarte besitzt, kann man auf die maximal verbrauchte Leistung schließen. Grafikkarten ohne Extrastromkabel brauchen folglich maximal 75 Watt. Mit einem zusätzlichen 6-poligen Anschluss sind dann bis zu 150 Watt zu erzielen. Häufiger zu beobachten sind aber Grafikkarten mit zweimal 6-poligen Anschlüssen oder einem 8-poligen Anschluss. Beides Mal sind maximal 225 Watt drin. Sehr leistungsstarke Karten kommen aber nicht mal damit zurecht. Sie brauchen dann meist einen 6-poligen und einen 8-poligen Anschluss, die zusammen bis zu 300 Watt liefern können. Bei der elektrischen Versorgung einer Komponente spielt natürlich nicht nur die Leistung eine Rolle, sondern vor allem die Spannung. Und da die Grafikkarte nichts mit den 3,3 Volt und 12 Volt des Netzteils anfangen kann, benötigt man einen Spannungsregler, sogenannte VRMs, Voltage Regulator Modules. Die wandeln die Spannung dann in ca. 1 Volt um, damit der Grafikprozessor versorgt werden kann. Nun kommen wir zum Videoram, oder kurz VRAM. Dabei beschreibt das RAM den verwendeten Speichertyp, es steht nämlich für Random Access Memory, also für einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff. Dieser Speicher wird dazu benutzt, Daten für die Grafikausgabe zwischenzuspeichern und eine Wiederverwendung schnell zu ermöglichen. Aktuell werden dazu Speicherbausteine mit einer Größe von 256 MB benutzt. Je nachdem, wie viele Bausteine man verwendet, erzielt man dann eine Größe von 1 bis 6 GB. Neben der Größe ist vor allem die Taktrate des Speichers sehr wichtig, und die ist wiederum abhängig vom verwendeten Speichertyp. Da gibt es DDR2-Speicher, die mit einer Taktrate von ca. 500 MHz arbeiten und DDR3 mit ungefähr 800 MHz, die aber mit einer erhöhten Spannung deutlich mehr erzielen können. Diese beiden Speichertypen kommen aber nur als reiner Arbeitsspeicher auf dem Mainboard vor. Auf der Grafikkarte werden nämlich schnellere Speicher benötigt. GDDR3-Speicher zum Beispiel, wobei das G für Graphics steht, erzielt eine Taktrate von ca. 1250 MHz und der aktuell schnellste Speicher, der GDDR5-Speicher, schafft sogar bis zu 3500 MHz. Und jetzt sind wir auch schon beim Herzstück der Grafikkarte angelangt, nämlich dem Grafikprozessor, Grafikchip oder einfach nur GPU, Graphics Processing Unit. Sie hat im Grunde genommen die gleiche Aufgabe wie die CPU, Operationen so schnell wie möglich abzuarbeiten. Trotz des gleichen Ziels unterscheiden sich die beiden Prozessoren in ihrem Aufbau deutlich. Wohingegen eine CPU nur ca. 4 Kerne und somit 4 Recheneinheiten, sogenannte ALUs, besitzt, befinden sich auf einer GPU ein Vielfaches davon. In heutigen GPUs sind bis zu 5000 Grafikkerne vorhanden, zusammen mit etlichen Kontrolleinheiten und Caches. Doch warum benutzt man überhaupt noch CPUs, wenn die GPUs so viel mehr Kerne besitzen und dadurch doch schneller sein müssen? Den Grund findet man, wenn man die Taktraten betrachtet. Die CPU ist also deutlich schneller, dafür kann die GPU viel mehr Operationen gleichzeitig ablaufen lassen. Vergleichen kann man diese beiden Prozessoren mit Flugzeugen. Die CPU würde dabei einen Lysenjet darstellen, der zwar sehr schnell ist, allerdings nur wenige Menschen gleichzeitig befördern kann. Die GPU wäre dabei ein Passagierflugzeug, das zwar langsamer ist, dafür aber deutlich mehr Menschen mit einem Flug transportieren kann. Die vielen Kerne einer GPU werden schließlich für verschiedene Aufgaben benutzt, die aber fast alle zu der Gruppe der Shader gehören. Shader sind also einfach gesagt Recheneinheiten, die für bestimmte Aufgaben spezialisiert sind. Oftmals sind damit aber auch Shader-Programme gemeint, die auf diesen Recheneinheiten laufen. Betrachten wir nun einmal den groben Ablauf in der GPU und schauen uns kurz an, was die Haupteinheiten dort machen. Als erstes gelangen die bereitgestellten Daten und Steuerbefehle aus der CPU in den Vertex-Shader. Dort werden aus Eckdaten Polygone, also Vielecke, erstellt. Der Tessellations-Shader unterteilt die Polygone weiter und macht sie somit feiner. Mit dem Geometry-Shader können anschließend Änderungen in der Geometrie vorgenommen werden. Bei der folgenden Rasterisierung werden mit Rasterizern aus den Polygonen die Pixel, entsprechend der Bildschirmauflösung, berechnet. Das Seaculling-Verfahren schließt Pixel, die momentan nicht im Blickfeld sind bzw. von anderen Pixeln überdeckt werden, von der weiteren Bearbeitung aus. Mit den TMUs, den Texture Mapping Units, wird auf die Geometriegitter eine Textur gelegt und dann gibt es noch Pixelshader, die für die Berechnung einiger Effekte zuständig sind. Kurz vor der Bildausgabe kommen dann noch sogenannte ROPs, Raster Operating Processors, zum Einsatz, die auch Effekte wie z.B. Anti-Aliasing und Schatten berechnen. Beachtet bitte, dass das jetzt nur eine sehr grobe Zusammenfassung von dem war, was in der GPU vor sich geht. In der Realität sind die einzelnen Einheiten in weitere Untereinheiten eingeteilt und es gibt diverse Zwischenschritte, die hier weggelassen wurden. Das waren jetzt schon wieder sehr viele Informationen zur Grafikkarte. Am besten gleichen wir das neuerlangte Wissen nun an einem aktuellen Gerät ab und kommen somit zum Specs-Check. Dieses Mal hat mir Asus eine Nvidia GeForce GTX 780 zur Verfügung gestellt. Genauer gesagt ist es die DirectCU2 OC Edition, die sich durch einen besonders guten Kühler und einer Übertaktung vom Werk ab auszeichnet. Erkennbar an dem OC, was für Overclocking steht, also Übertaktung. Dann befinden sich dort 3 GB GDDR5 Speicher darauf, spezielle DigiPlus VRMs, also Spannungsregler, die besonders fürs Übertakten gemacht sind. Und dann ist noch das Programm GPU Tweak dabei, mit dem man besonders einfach die Grafikkarte übertakten kann. Ihr seht schon, es dreht sich alles ums Übertakten. Das ist dann die Grafikkarte bzw. der Kühler davon, der verdeckt nämlich so gut wie alles. Hier eine Metallverkleidung, zwei Lüfter und einige Heatpipes, die die Wärme auf andere Bereiche abführen sollen. Schaut man mal unter den Kühler, erkennt man die 12 Speicherbausteine, die um die GPU platziert sind. Je 256 MB ergeben die besagten 3 GB Speicher. Ganz unten ist dann noch der PCI-Express 3.0 Anschluss, der hier noch mit einer Schutzkappe abgedeckt ist. An dieser Stelle gibt es noch ein paar Eckdaten. Die GPU läuft mit einer Taktrate von maximal 941 MHz mit einer Anzahl von 2304 Kernen. Die Speicherbausteine sind mit die 1502 MHz getaktet, die zusammen 6008 MHz erzielen, Stichwort Quad Pumping. Oben befinden sich dann die Stromanschlüsse. Wie wir erfahren haben, liefert ein 6-Poliger- und ein 8-Poliger-Anschluss zusammen mit dem PCI-E-Anschluss maximal 300 Watt. Auf der Rückseite befindet sich eine Platte aus Aluminium, die geringen Einfluss auf die Kühlleistung hat, vor allem aber optisch sehr ansprechend ist. Dort sind zwei Anschlüsse, um mehrere Grafikkarten miteinander zu verbinden, bei Nvidia handelt es sich dabei immer um einen SLI-Anschluss. An der Anschlussblende könnte man nun bis zu vier Monitore anschließen, zum einen über DV-ID und DV-II, hier noch mit Schutzkappen verschlossen. Dann gibt es noch einen HDMI-Anschluss und einen Displayport, die beide neben den Bildsignalen auch Audiosignale übertragen können. Ich habe die Karte nun schon einige Tage testen können und bin wirklich begeistert. Alle aktuellen Games lassen sich auf höchsten Einstellungen superflüssig spielen, sogar bei der Anzeige mit mehreren Monitoren unten in 3D gibt es keine Probleme. Wenn ihr weitere Informationen zu dieser Grafikkarte wollt, schaut in die Videobeschreibung, dort habe ich dieses Mal einen Link zu der Geizhalsseite, wo euch auch gleich der aktuell günstigste Preis angezeigt wird. Danke, dass ihr euch das Video wieder bis zum Ende angeschaut habt, lasst wie immer eure Meinung in Form einer Bewertung und eines Kommentars da. Wenn ihr euch auch für den Hauptprozessor eines Computers interessiert, schaut euch doch das letzte Video an, klickt dafür einfach links oben. Zu allen Videos aus dieser Serie gelangt ihr, wenn ihr auf den Playlist-Button klickt und rechts unten gibt es heute zum Random Q&A Format, in dem ich mehrere kleine Fragen beantworte. Dazu gibt es nächstes Mal nämlich ein weiteres Video.