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Eine Grafikkarte ist ein wichtiges Element in einem Computer und für die Bildausgabe auf einem Monitor zuständig. Ohne Grafikkarte wird ein Computer nicht starten. Grafikkarten werden bei Desktop-Computern meist als zusätzliche Steckkarte angeboten. Bei nicht so leistungsstarken Computern und Laptops wird die Grafikelektronik (Grafikkarte) direkt auf der Hauptplatine (Mainboard) untergebracht.

 

Wie alles begann …

 

Bei den ersten (IBM) Computern Anfang der 1980er Jahre gab es Grafisch noch nicht viel zu berechnen. Das meist Monochrome (schwarz/weiß oder schwarz/grün) Bild wurde lediglich zur Textdarstellung genutzt. Dementsprechend einfach war zu dieser Zeit auch die Grafikelektronik gehalten und wurde oft sogar nur auf den Hauptplatinen der damaligen Computer integriert. Dieser erste Grafikstandard, der von IBM eingeführt wurde, nannte sich "MDA" (Monochrome Display Adapter). Zu dieser Zeit entwickelte die Firma "Hercules" eine eigene Grafikelektonik mit dem "HGC" (Hercules Graphics Card) Standard, welcher IBM das Leben nicht gerade leicht gemacht hat.

Etwa zur gleichen Zeit entwickelte IBM auch eine Grafikkarte für die Farbdarstellung "CGA" (Color Graphics Adapter). Dieses war zum einen aber sehr teuer und für damalige Computer durch eine schlechtere Textqualität gegenüber "MDA" nur bedingt zu gebrauchen. Folgende Grafikstandards wurden von IBM entwickelt:

  • etwa ab 1981 der MDA (Monochrome Display Adapter) - Grafikkarte für Monochrome Darstellung.
  • etwa ab 1981 der CGA (Color Graphics Adapter) - Grafikkarte für 2-Farben aus einer Palette von 16 Farben bei einer Auflösung von 640x200 Punkte oder 4-Farben aus einer Palette von 16 Farben bei einer Auflösung von 320 × 200 Punkte.
  • etwa ab 1984 der EGA (Enhanced Graphics Adapter) - Grafikkarte für 16 Farben aus einer Palette von 64 Farben bei einer Auflösung von maximal 640x350 Punkte.
  • etwa ab 1988 der MCGA (Multi Color Graphics Array) - Grafikkarte für bis zu 256 Farben aber nur bis zu einer Auflösung von 320x200 Punkte. Bei 640×480 Bildpunkten unterstützte MCGA lediglich die Monochrom-Darstellung.
  • etwa ab 1990 der XGA (Extended Graphics Array) - Grafikkarte für 256 Farben bei einer Auflösung von 1024x768 Punkten, oder 65.536 Farben bei einer Auflösung von 640x480 Bildpunkten. Später kam noch der XGA-2 Standard für 65.536 Farben bei einer Auflösung von 1024x768 Bildpunkten und 16 Farben bei einer Auflösung von 1360x1024 Punkten dazu.

Etwa zum Ende der 1980er Jahre haben sich einige Hersteller zusammengeschlossen um einen eigenen Grafikstandard zu entwickeln. Aus diesem Zusammenschluss ist später die "VESA" (Video Electronics Standards Association) entstanden, der derzeit etwa 150 Firmen angehören. Die VESA brachte dann etwa 1989 den VGA (Video Graphics Array) Standard heraus. Die Grafikkarten nach diesem Standard konnten mit mehreren Auflösungen betrieben werden, bis hin zu 640x480 Pixel bei 16 Farben. Bis heute arbeiten die Grafikkarten noch nach den Weiterentwicklungen des VGA Standards.
XGA war auch der letzte "echte" Grafikstandard. Seit dem wird keine Entwicklung mehr Standardisiert.

AGP Grafikkarte mit ATI-GPU

Bei den ersten Grafiklösungen wurde ein Monitor digital angesteuert. Das heißt, für jeden Grafikstandard benötigte man auch einen passenden Monitor. Erst ab dem VGA-Standard gibt es den so genannten VGA-Anschluss, der das Bild analog an jeden Monitor mit VGA-Eingang übertragen kann.
Als echten Durchbruch bei den Grafikstandards kann man "VGA" bezeichnen. Daher spricht man auch heute noch vom VGA-Standard, da dieser weiterhin von jeder verkauften Grafikkarte bis heute unterstützt wird. Stellt man diesen ein, kann man sicher sein, dass eine neue Grafikkarte auf jeden Fall ein Bild zeigt, da der VGA-Standard im Gegensatz zu vielen anderen Grafikeinstellungen, von allen Monitoren dargestellt werden kann.

Danach gab es noch weitere Entwicklungen, die aber meist nur eine bestimmte Auflösung und Farbtiefe beschreiben. So sind in diesem Zusammenhang z.B. SVGA (Super Video Graphics Array) bis zu einer Auflösung von 1280x1024 Punkten bekannt.

Bis Anfang der 1990er Jahre beschränkte man sich lediglich auf die Bildschirmausgabe von Texten und einfachen Grafiken. Erst danach wurde die Grafikfähigkeit der Grafikkarten immer wichtiger. Windows entwickelte sich zu einem grafischen Betriebssystem und es mussten Karten her, die in der Lage waren grafische Berechnungen durchzuführen. Dann kamen Mitte der 1990er Jahre auch die ersten 3D-Grafikspiele, die eine bis dahin nicht unterstützte Grafikleistung verlangten. Die Folge waren (Zusatz-) Grafikkarten mit GPUs die Befehle für 2D-Grafiken besaßen. Diese wurden auch unter der Bezeichnung "Windows-Beschleunigerkarten" angeboten. Auf die 3D-Darstellung spezialisierte sich die Firma "3dfx-Interactive". Diese Firma stellte aber keine vollwertigen, eigenständigen Grafikkarten her, sondern packte die 3D-Grafikbeschleunigung auf extra Steckkarten, den so genannten 3D-Beschleinigungskarten. Diese Zusatzkarten mit dem Namen "Voodoo" wurden parallel zur vorhandenen 2D-Grafikkarte im PC eingesteckt und mit einer VGA-Leitungsbrücke mit dieser verbunden.
3D-Grafiken, besonders bei Spielen, wurde in den nächsten Jahren immer aufwendiger. So entwickelten die Grafikprozessor-Hersteller nach und nach auch eigene GPUs mit integrierter 3D-Grafik Berechnung. nVidia z.B. kaufte ende 2000 die Firma "3dfx-Interactive" auf und hatte somit die nötige Technik gleich für eigene GPUs.

 

Was kann eine aktuelle Grafikkarte?

 

Eine aktuelle Grafikkarte kann alle anfallenden Grafikberechnungen sehr schnell erledigen. Normale 2D-Darstellung wird meist gar nicht mehr erwähnt, dass ist bereits Standard. Die Firmen werben oft nur mit den 3D-Eigenschaften einer Grafikkarte, da diese für die Berechnung aufwendiger Grafiken am wichtigsten sind. Bei aktuellen Grafikkarten spricht man daher meist nur von Renderpipes, Antialiasing, Pixelfüllrate, Texelfüllrate, Vertexshader und Pixelshader.
Im Prinzip kann auch eine günstigere Mittelklasse Grafikkarte fast alle Berechnungen sehr schnell erledigen und anzeigen. Was eine Grafikkarte heute sehr stark beansprucht sind eine hohe Auflösung, eine hohe Detailstufe und vor allem die Kantenglättung (Antialiasing). Schaltet man diese Funktionen ab, oder regelt sie auf niedrigere Werte herunter, sehen die Grafiken zwar nicht mehr ganz so schön aus, aber die 3D-Spiele laufen dann auch auf Mittelklasse Grafikkarten.

Darüber hinaus ist eine heutige aktuelle Grafikkarte im Prinzip schon fast ein eigenständiger kleiner Computer. Neben dem Grafikprozessor und dem Grafikspeicher findet man heute oft auch Video Ein- und Ausgänge, MPEG-Beschleunigung und mehrere Anschlüsse für Monitore und Fernseher.
Das spiegelt sich auch im Preis wieder. So kann eine aktuelle Hochleistungsgrafikkarte genau so viel kosten, wie der Rest des Computers zusammen.

Wie wird eine Grafikkarte angesteuert?

AGP Grafikkarte mit nVidia-GPU

Dafür gibt es so genannte Schnittstellen. Dabei werden zwei Arten unterschieden: die Hardware- und die Softwareschnittstelle. Die Hardwareschnittstelle ist möglichst immer vorzuziehen und wird über den Grafikkartentreiber gesteuert. Dieser setzt die geforderten Berechnungen passend für die verwendete Grafikkarte um und steuert diese entsprechend an. Da ein Grafikkartentreiber speziell für eine Grafikkarte programmiert wurde, kann dieser die geforderten Grafikbefehle optimal an die Grafikkarte weitergeben. Daher sollte man auch einen möglichst aktuellen Grafikkartentreiber verwenden, da die Hersteller ständig Verbesserungen vornehmen.
Der Nachteil von Hardware-Schnittstellen ist, dass diese nur für eine bestimmte Grafikkartengeneration ausgelegt sind und auch nur die Grafikbefehle umgesetzt werden können, die die Grafikkarte "versteht". Würde ein Spielehersteller ausschließlich die Hardwareschnittstelle benutzen, müsste er das Spiel in verschiedenen Versionen für die unterschiedlichen Grafikkarten auf den Markt bringen, was die Kosten sicher deutlich nach oben treiben würde.

Da sind wir auch bei der zweiten Schnittstellenart, der Softwareschnittstelle. Davon gibt es eigentlich zwei bekannte: OpenGL und DirektX. OpenGL ist eine Betriebssystem übergreifende Schnittstelle, die also nicht unbedingt auf Windows angewiesen ist. DirektX hingegen ist eine Grafikkartenschnittstelle von Microsoft und somit nur für Windows verfügbar. Unter dem Linux (Unix) Betriebssystem gibt es noch die Grafikkartenschnittstelle X11, die aber (noch) sehr wenig unterstützt wird.
Spiele Programmierer benutzen für ihre Spiele überwiegend diese Softwareschnittstellen. Somit brauchen die sich bei der Programmierung erst einmal keine großen Gedanken über die Grafikkarte zu machen, die später in den Computern eingesetzt wird.

Natürlich greifen die Software- und Hardwareschnittstellen ineinander über! In den Treibern für die Grafikkarten werden Anbindungen zu OpenGL und DirektX eingebaut. Fordert ein Spiel nun eine bestimmte Grafikfunktion z.B. über die DirektX-Schnittstelle an, bereitet diese den Befehl für die Grafikkarte vor und übergibt den Befehl dann an den Grafikkartentreiber. OpenGL und DirektX stehen demnach als Software-Bindeglied zwischen Grafikprogramm (Spiel) und Grafikkarte (Treiber). Wird nun ein neueres Computerspiel auf einer älteren Grafikkarte verwendet muss die Software-Schnittstelle die geforderten Grafikbefehle softwaremäßig so gut wie möglich simulieren. Dafür ist natürlich eine sehr hohe Rechenleistung erforderlich. Das ist dann auch der Grund, warum diese Spiele dann meistens mehr oder weniger ruckeln.
Fehlen der GPU geforderte Funktionen, werden diese einfach weggelassen. So kommt es vor, dass ein Spiel zwar mit einer älteren Grafikkarte läuft, aber deutlich weniger Details anzeigen kann.

Welche GPUs gibt es?

ATI nVidea Logos

Es gibt heute zwei große Hersteller von GPUs: einmal die Firma ATI (AMD) und zum anderen die Firma nVidia. Beide Hersteller haben eine reichhaltige Palette an verschiedenen GPUs für Grafikkarten, von einfachen Versionen für Standardanwendungen bis hin zu hochleistungs GPUs für schnelle 3D-Grafik im Angebot. Neben diesen beiden großen GPU-Herstellern gibt es auch wie bei den CPU-Herstellern noch kleinere Firmen, die GPUs für spezielle Einsatzgebiete herstellen. Die großen GPU-Entwickler bieten meistens nur die GPU selber an, die von "Fremdherstellern" dann auf Grafikkarten und Hauptplatinen verbaut werden. Die Hersteller geben dafür ein so genanntes Referenzmodell raus, an das sich die Fremdhersteller dann mehr oder weniger halten (sollten). GPUs werden nicht einzeln an Endverbraucher verkauft.

 

Was hat es mit dem Grafikspeicher auf sich?

 

Grafikkarten müssen die Bilddaten errechnen und zusammenfügen, bevor die Daten als fertige Bilder an den Monitor übergeben werden können.  Dafür wird ein "Arbeitsspeicher" benötigt.
Am Anfang war der Grafikspeicher eher nebensächlich. Die ersten Grafikelektroniken nutzten einfach den vorhandenen Computerspeicher mit. Da die Grafikleistung zu dieser Zeit ja sowieso nicht hoch war konnte man so zwei Probleme auf einmal lösen. Denn zu dieser Zeit war RAM-Speicher noch sehr teuer. Auch war der Bedarf an Grafikspeicher in den 1980er Jahren nicht sonderlich hoch. So konnte eine CGA Grafikkarte gerade mal 16 KByte Grafikspeicher ansprechen. EGA Grafikkarten konnten anfangs 64 KByte, später bis 256 KByte Grafikspeicher verwalten. Die VGA-Karten konnten dann auch bis 256 KByte Grafikspeicher ansprechen.
Erst mit der Einführung der 2D- und später der 3D Darstellung wurde auch der Grafikspeicher immer wichtiger und wurde mehr und mehr direkt auf den Grafikkarten verbaut. Da neben den 3D-Berechnungen auch die Anforderungen an Auflösung und Farbtiefe immer höher wurden, stieg mit der Zeit auch der Bedarf an Grafikspeicher. Auch sollte der Grafikspeicher heute sehr schnell sein. Es wird daher für Grafikkarten meist ein Speicher verwendet der eine höhere Zugriffsgeschwindigkeit hat, als der Standard DDR-RAM im PC. Man nennt diese Speicherart "GDDR-RAM" (Graphics-DDR-RAM). Einige Hersteller nennen Ihren Grafikspeicher auch "VRAM" (Video-RAM). Im Prinzip handelt es sich dabei also um den gleichen Speicher, wie er auch im Computer als Arbeitsspeicher verwendet wird. Hochwertige Grafikkarten setzen allerdings DDR Speicherbausteine ein, die besonders schnell sind und dementsprechend höher getaktet werden.
Unter 32 MByte ist heute schon fast keine Grafikkarte zu bekommen. Aktuelle 3D-Karten haben meist zwischen 256 MByte und 2 GByte Grafikspeicher um überhaupt alle aufwendigen 3D-Berechnungen in Echtzeit durchführen zu können.
Das trifft natürlich nur für Mittelklasse- und Hochleistungsgrafikkarten zu. Natürlich gibt es auch heute noch günstigere Lösungen. Einfache 2D-Grafikkarten oder Grafikhardware in tragbaren Computern (Laptops) kommen auch heute noch mit weniger Speicher (32-64 MByte) aus, beziehungsweise nutzen den Standard Computer Speicher mit. Auf dieser Grafikhardware laufen dann natürlich keine aktuellen 3D-Spiele.

Welche Anschlussart haben Grafikkarten?

Zwei PCIe x16 und zwei PCIe x1 Anschlüsse

Wie schon erwähnt sind einfache Grafiklösungen fest auf der Hauptplatine integriert. Dazu sollte man nur greifen, wenn der PC nur für einfache Aufgaben, wie z.B. Textverarbeitung oder Internet, genutzt wird. Oft besitzt ein solcher Computer aber auch einen Steckplatz für eine neue Grafikkarte. In tragbaren Computern (Laptops) ist die Grafikhardware heute fast immer fest eingebaut und lässt sich auch nicht austauschen. Daher sollte man sich hier vor dem Kauf genau überlegen welche Grafikleistung man benötigt. Es gibt aber auch bei Laptops bereits auswechselbare Grafikkarten, z. B. das von nVidia entwickelte "Mobile PCI-Express Module", abgekürzt "MXM". Ganz neu sind auch "externe Grafikkarten". Dabei handelt es sich um ein externes Gehäuse mit eingebauter Grafikelektronik. Diese externe Grafikkarte wird dann meistens über den Express Card Anschluss mit dem Laptop verbunden.

Am häufigsten werden Grafikkarten aber als Steckkarte für den "großen" PC angeboten. Diese können je nach Verwendungszweck selber ausgetauscht und so der benötigten Leistung angepasst werden.
Dabei ist nur der Anschluss zu beachten, dieser muss mit dem zur Verfügung stehenden Steckplatz im Computer übereinstimmen. Heute werden dafür meist der PCIe (PCI-Express) Steckplatz oder auch "PEG" (PCI-Express for Graphics) genannt, verwendet. Vereinzelt sind auch noch Grafikkarten mit dem Vorgänger-Anschluss, dem AGP Steckplatz erhältlich. Vor dem AGP-Anschluss gab es noch weitere Anschlussarten, wie PCI, ISA und VESA-Local Bus. Grafikkarten mit diesen Anschlüssen gibt es heute aber so gut wie nirgends mehr zu kaufen, vor allem aktuelle GPUs werden auf solchen Grafikkarten nicht mehr verbaut.
Eine weitere Überlegung vor dem Kauf einer Grafikkarte ist das Netzteil im Computer! Aktuelle Grafikkarten haben einen recht hohen Strombedarf. Dieser ist oft höher als der über den Steckplatz zur Verfügung gestellte Strom. Daher haben aktuelle Grafikkarten meist einen zusätzlichen Stromanschluss, der direkt vom Computernetzteil eingespeist werden muss. Dementsprechend muss das Netzteil im Computer auch  groß genug dimensioniert sein. 2009 benötigt z.B. die aktuelle Grafikkarte mit ATI  GPU (Radeon HD 4890 CF) unter Volllast beim spielen fast 480 Watt Leistung! Selbst günstigere Modelle, wie die "ATI Radeon HD 4670" oder die "nVidia GeForce 9600 GT" benötigen unter Volllast noch immer über 200 Watt!

Wie geht es weiter?

Richtigen "Hardcore-Spielern", die auf ihren Monitoren eine Auflösung von 1600x1200 und höher eingestellt haben, reicht die heutige Grafikleistung schon nicht mehr aus. Die Hersteller der Grafikprozessoren haben daher eine Technik entwickelt, um sogar zwei oder noch mehr Hochleistungsgrafikkarten gleichzeitig in einem Rechner zu betreiben. Alle Grafikkarten teilen sich dann die Arbeit an den Berechnungen. Bei nVidia heißt diese Technik "SLI" und ATI (AMD) nennt diese Technik "CrossFire".
Um mehrere Grafikkarten in einem Computer zu verwenden, muss aber auch eine spezielle Hauptplatine vorhanden sein! Weitere Informationen dazu findet Ihr in den entsprechenden Beiträgen zu "SLI" bzw. "CrossFire".

Damit aber noch nicht genug. Es gibt sogar schon Grafikprozessoren mit 2 Kernen, also wie bei den Dualcore CPUs zwei Grafikprozessoren in einem Gehäuse. Man bezeichnet eine solche Grafikkarte dann mit "X2" Version. Auch werden schon auf einer Grafikkarte zwei vollwertige Grafikprozessoren installiert, so dass auch hier zwei GPUs zur Verfügung stehen. Diese "X2" Grafikkarten können dann noch als "SLI" bzw. "CrossFire" Verbund betrieben werden.  Es ständen dann bei zwei Grafikkarten vier Grafikprozessoren zur Berechnung zur Verfügung. nVidia nennt diese Technik "Quad-SLI" und ATI (AMD) dementsprechend "Quad-CrossFire". Sicher ist diese "Wahnsinns-Technik" heute aber nur für absolute Computer-, bzw. Spiele Freaks interessant und kostet ein vermögen.
Zwei PCIe Anschlüsse auf einem SLI-Mainboard

Brauche ich wirklich so eine hohe Grafikleitung?

 

Diese Frage muss jeder für sich beantworten. Es kommt hier besonders darauf an, was mit dem Computer gemacht werden soll. Für Text-, Foto und Videobearbeitung oder dem surfen im Internet reicht eine ältere oder günstigere Grafikkarte vollkommen aus. Auch ältere und grafisch nicht so aufwendige Spiele laufen mit diesen Grafikkarten meist problemlos. Selbst für neuere Spiele reicht eigentlich eine Mittelklasse-Grafikkarte, wenn nicht eine sehr hohe Bildauflösung mit vollen Details verlangt wird. Sollen aber aufwendige 3D-Grafiken bearbeitet werden, oder sollen aktuelle 3D-Spiele auf dem PC in hoher Auflösung laufen wird schon eine gute und aktuelle Grafikkarte benötigt. Nur damit macht es dann auch Spaß zu spielen. Bei älteren Karten muss man Abstriche bei der Grafikqualität machen oder das Bild ruckelt hin und wieder mal.

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