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Computer-Komponenten

Meilenstein der Computertechnik: die Grafikkarte

Grafikkarten sind in fast jedem heutigen Heimcomputer zu finden. Für Computerspiele sind sie gar nicht mehr wegzudenken. Doch wie sahen die Anfänge der Grafikkarte aus und was muss ein Kunde beim Kauf einer Karte beachten? Technikjournal hat die Informationen zusammengefasst// Von Joachim Fredel, Karina Resinkin

24.02.2016 // Die Grafikkarte und der Prozessor eines Computers haben viel gemeinsam. Grafikkarten und ihre Funktionen geben die Systemleistung und Eigenschaften eines Computers, vor allem Gaming-Computer, an. Die Anforderungen an sie stiegen jedoch in den vergangenen Jahren deutlich an.

Die Pioniere der Grafikkarten

Die 3D-Grafikkarten für den Verbraucher hatten ihren Durchbruch 1996 mit der von der Firma "3dfx" erstellten "Voodoo Graphics", einer in zwei Chips aufgeteilten Pixel- und Texturengine. Die Karte rechnete 3D-Grafiken aus, sodass Programmierer auf Polygon-Basis arbeiten konnten.

Ab 1998 und DirectX 6 konnten Polygone mehrere Texturtapeten tragen, beispielsweise für Farbe, Details und Beleuchtung. Erst durch Multi Texturing war es durch Schichten verschiedener Texturen möglich, realistische Oberflächen, wie beispielweise Böden, darzustellen.
1999 stellte das Unternehmen Nvidia mit der GeForce die erste Grafikkarte mit Transform & Lighting Engine für private Nutzer vor. Am 15. Dezember 2000 kauft Nvidia, den Pionier der 3D-Grafik, 3dfx auf.

Der Aufbau einer Karte

Die Grafikkarte besteht im Großen und Ganzen aus sechs Bestandteilen - der Platine, der GPU (graphics processing unit), den Spannungswandler und Stromzufuhren, dem Prozessorkühler, den Signalausgängen sowie dem Grafikspeicher.
Die Platine ist das Hauptstück der Grafikkarte. Auf der Platine befinden sich alle Komponenten, die zum Berechnen der CPU-Daten notwendig sind. Auf ihr findet der gesamte Datenverkehr statt, weswegen sie auch, "Mainboard" der Grafikkarte genannt wird. Sie reguliert die, zum Funktionieren, benötigten Spannungen. Außerdem befinden sich an ihr die Anschlüsse für verschiedene Monitore, die Verknüpfungen mehrerer Grafikkarten sowie der Anschluss um sie mit dem Mainboard zu verbinden.

Der Grafikprozessor, auch GPU genannt, ist das Herzstück der Grafikkarte. Sie hat dieselben Ziele, wie die auf dem Mainboard, befindliche CPU (central processing unit): Befehle so schnell wie möglich abzuarbeiten. Da eine CPU für 3D-Berechnungen zu langsam ist, übernimmt dies die GPU der Grafikkarte.


Die GPU ist auf der Platine befestigt. (Foto: Karina Resinkin)

Da die Grafikkarte den meisten Strom in einem Computer verbraucht, bekommt sie diese notwendige elektrische Energie aus zwei Quellen: Dem PCI-Anschluss (Peripheral Component Interconnect) beziehungsweise in heutigen Karten den PCI-e Anschluss und aus Anschlüssen, die vom Netzteil direkt zur Grafikkarten führen.

Der Grafikspeicher, auch VRAM genannt (Video Random Access Memory), wird als Zwischenspeicher von Daten für die Grafikausgabe genutzt, um den Systemspeicher des Computers zu entlasten.

Die letzte zu nennende Komponente einer Grafikkarte ist der Prozessorkühler. Grafikkarten verbrauchen, bei maximaler Belastung, um die 300 Watt. Die entstehende Wärme wird durch diese Kühler abgeführt, um Hitzeschäden zu vermeiden. Unterschieden werden bis heute passive Luftkühler, aktive Kühlung durch Lüfter und Kühlung mit einer Wasserkühlung. Erstere besitzen Kühlrippen, die aus Materialien bestehen, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zu diesen Materialien gehören Kupfer und Aluminium.


Der PC im PC: Eine Grafikkarte, angeschlossen und einsatzbereit. (Foto: Karina Resinkin)

Die vier Grafikkarten-Kategorien

Die GPU-Hersteller AMD und Nvidia konkurrieren hauptsächlich miteinander. Sie versuchen sich mit besseren und schnelleren Grafikchips zu übertreffen. Die Grafikkarten lassen sich schon anhand des Preises in vier Kategorien einteilen. Es sollte bekannt sein, für welchen Zweck der aufzurüstende PC genutzt wird, damit die passende Grafikkarte ausgewählt werden kann.

1. Einsteiger-Büro-Grafikkarten: Diese Grafikkarten sind günstige Karten, die nicht sonderlich leistungsstark sind, im Vergleich zu den anderen Kategorien. Sie sind typische Bürokarten. Solche Grafikkarten sind nur für Computer gedacht, an denen einfache Anwendungen verwendet werden, die keine hohe Leistungsfähigkeit im Bereich Grafik erfordern.

2. Mittelklasse-Multimedia-Grafikkarten: Diese Grafikkarten sind gut dazu geeignet, wenn multimediale Inhalte oder Anwendungen, wie Videos in Full-HD-oder Bildbearbeitungsprogramme, wiedergeben werden sollen. Hochkontrastbilder und angepasste Spiele, welche dann nur mit niedrigen bis mittleren Einstellungen laufen, geben solche Karten ebenfalls wieder.

3. Performance-Gaming-Grafikkarten: Diese Grafikkarten sind leistungsstark und sollen ein flüssiges Spielerlebnis bieten. Solche Karten sollen ebenfalls Grafikprogramme, wie unter anderem Photoshop, wiedergeben können, welche für Grafiker und Architekten von Bedeutung sind.

4. High-End-Grafikkarten: Diese Grafikkarten sind die teuersten der Kategorien. Sie starten regulär ab 250 Euro. Solche Karten sind äußerst leistungsstark, besitzen Funktionen, die manche Spiele und Karten in den darunter liegenden Kategorien, nicht unterstützen. Darunter zählen beispielsweise Display Ports und HDMI-2.0- Buchsen für 4K-Computermonitore. Hochkontrastbilder, Filme und Spiele sollen ruckelfrei und mit beachtlichen Farben wiedergegeben werden.


Die Asus Nvidia GeForce Strix GTX970 gehört zu den High-End-Grafikkarten. (Stand 2015)
(Foto: Joachim Fredel)

Tipps für den Kauf einer Grafikkarte

Der Kauf der richtigen Grafikkarte ist anwendungsspezifisch und davon abhängig in welchem Tätigkeitsbereich die Grafikkarte eingesetzt werden soll. Der Käufer kann sich als erstes an den oben vier genannten Kategorien orientieren. Die größten Unterschiede zwischen den einzelnen Grafikkarten-Serien eines Herstellers, ist die Größe des Chipsatzes. Nader Abdullah, Geschäftsführer von N&A Computersysteme betont: "Eine Grafikkarte mit einem kleinen Chipsatz ist nicht so leistungsstark, wie eine mit größerem Chipsatz derselben Reihe."

Der Nutzer muss sich also fragen, ob er Videospiele und 3D –Anwendungen verwenden möchte oder Programme nutzen möchte, die eher nicht grafisch anspruchsvoll sind. Immer häufiger werden auch TV –Geräte als Computermonitor verwendet. Dafür werden für ein 60 Hz Gerät HDMI 2.0 Büchsen benötigt.

Beim Kauf sollte darauf geachtet werden, dass die Leistung der Grafikkarte den benötigten Anwendungsbereich abdeckt. Entscheidend sei, wie schnell der Prozessor sei und welche Taktung die Grafikkarte habe, sagt Abdullah. Der Wechsel einer Grafikkarte ist nicht zwingend mit dem Erscheinen neuer Modelle verbunden. Ob eine Neuanschaffung sinnvoll ist, sei abhängig von der Entwicklung der Anwendungen sowie vom persönlichen Nutzungsverhalten, empfiehlt Abdullah.


Die auf der GTX970 zu sehenden DVI-D -, DVI-D -, HDMI- und Display Port Anschlüsse. (Foto: Joachim Fredel)

Von Karina Resinkin und Joachim Fredel, Technikjournalismus/PR, 3. Semester

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Einige Begriffe

DirectX

Microsoft DirectX ist ein Multimedia Application Programming Interfaces (API), das zur Erstellung von Spielen und Multimedia-Anwendungen verwendet wird. Es wird bei vor allem bei der Darstellung von 2D- und 3D-Grafiken eingesetzt. Die derzeit aktuellste Version ist DirectX 12. (Stand 29.Juli 2015)

Polygon

Als Polygone werden Vielecke bezeichnet, die in der Computergrafik für die Darstellung von Flächen und Körpern eingesetzt werden. Ein Polygon bildet immer eine in sich geschlossene Fläche.

Multi Texturing

Multitexturing bietet die Möglichkeit, mehrere Texturen auf ein Primitiv zu zeichnen. So kann zum Beispiel Gelände detailreicher dargestellt werden. Primitive sind beispielsweise Linien, Kreise und Polygone. Multitexturing ist heute vorallem in Spielen nicht mehr wegzudenken.

Transform & Lighting Engine

Die Transform & Lighting Engine sollen als Kombination dafür sorgen, dass Dinge auf dem Bildschirm "lebendig“ aussehen. Durch Transformation sollen sich Gegenstände und Lebewesen natürlicher bewegen. Durch Lighting soll die Beleuchtung der "Welt“, durch Licht und Schatten, realistischer erscheinen und interaktiv sein. Die Transform & Lighting Engine, welche in der GeForce-256-Serie Hauptmerkmal war, sollte Berechnungen der Grafiken von dem Hauptprozessor auf den Grafikprozessor verlagen, um ihn zu entlasten.

Das folgende Video fasst den Aufbau einer Grafikkarte zusammen.

Wie funktioniert eine Grafikkarte? Quelle: "brainfaqk!"

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Die Autoren

Karina Resinki Joachim Fredel

Karina Resinkin & Joachim Fredel