GPU-Grundlagen: Das können Grafikkarten

AMD: Radeon- und FireGL-Grafikkarten (Consumer/Profi)
Quelle: AMD
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AMD: Radeon- und FireGL-Grafikkarten (Consumer/Profi)
Quelle: AMD

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Grafikkarten als PC-Beschleuniger: Moderne Grafikkerne von AMD/ATI und Nvidia entlasten den Prozessor und verlängern im Notebook sogar die Laufzeit.

Ob Notebook, handliches Netbook oder stationärer Desktop-PC, alle haben sie eine Grafikkarte. Ohne sie geht es nicht, das erzeugte Bild muss schließlich irgendwie auf einem gestöpselten externen TFT, Fernseher oder internem Notebook-Display angezeigt werden. Warum gibt es aber so viele Typen und Bezeichnungen von Grafikkarten? Was bedeuten IGP, UMA oder dediziert? Wir zeigen in diesem Artikel, was moderne PC-Grafikkarten auf dem Kasten haben und wie sie davon profitieren können.

Funktionsweise

Die Grafikkarte erhält vom Prozessor Daten, welche so umgewandelt werden, dass sie der Monitor als Bild wiedergeben kann. Sie besteht aus einem Grafik-Prozessor (GPU), dem Videospeicher (Video-RAM) und einem Digital-Analog-Wandler für den VGA-Anschluss (RAMDAC). Letzterer ist für die Bildwiederholfrequenz in Hertz verantwortlich.

Mobil versus Desktop

Seit vielen Jahren gibt es nur noch zwei GPU-Hersteller im PC-Markt, Nvidia mit Geforce und AMD mit (ATI) Radeon. Seit Anfang 2011 heißen die AMD-GPUs nur noch AMD Radeon. Jede Grafikkarte hat einen Desktop- und einen Mobil-Ableger. AMD kennzeichnet die Notebook-Variante mit einem M, z. B. Radeon HD 6470M. Bis Ende 2010 war es der Zusatz „Mobility“, z. B. Mobility Radeon HD 4570. Bei Nvidia steht ebenfalls ein M für die Mobilvariante, z. B. GeForce GT 520M. Die Integrierten Grafikkarten im Desktop werden mit IGP gekennzeichnet.


Grafikkarten sind entweder PC-Erweiterungskarten in einem Steckplatz auf dem Mainboard (AGP, PCI-Express). Oder aber sie sind im Chipsatz auf der Hauptplatine enthalten. Bei Notebooks sind die Grafikkarten, egal welcher Leistungsklasse, fast immer fest auf dem Mainboard verlötet. Starke Spiele-Notebooks haben in seltenen Fällen ein gestecktes MXM-Modul, auf dem die Grafikkarte sitzt.

Auf der Suche nach einem Notebook werden sie immer wieder auf die Bezeichnung IGP (Integrated Graphics Processor) oder seltener UMA (Universal Memory Access) stoßen. Da steht zum Beispiel im Datenblatt Intel HD Graphics 3000 (IGP). In diesen Fällen ist die Grafik im Prozessor (CPU) oder im Chipsatz (Front-Side-Bus zwischen Hauptspeicher, Cache und CPU) integriert. Dies wird häufig als Onboard-Grafik bezeichnet. Wo sich die Grafik räumlich befindet ist für sie als Käufer unerheblich, denn alle IGP/UMA-Grafikkarten haben eine geringe 3D-Rechenleistung gemein. Zudem können sie fast sicher sein, dass die integrierte GPU kein eigenes Grafik-RAM besitzt und sich etwas vom Arbeitsspeicher abzwacken muss.

Im Gegensatz dazu stehen die dedizierten Grafikkarten mit eigenem Videospeicher und physikalisch eigenem Standort auf dem Mainboard. Hier fallen Bezeichnungen wie AMD Radeon HD 6550M oder Nvidia Geforce GT 520M. Die Differenzierung ist nicht immer einfach. So ist eine ATI Radeon HD 4250 eine IPG, die ATI Radeon HD 5650 aber dediziert. Ein Kürzel als eindeutigen Hinweis auf eine „selbständige“-Grafik gibt es nicht, jedoch weist Videospeicher (512, 1024MB) darauf hin. Die dedizierte Grafik hat immer den Vorteil einer höheren Rechengeschwindigkeit (stark modellabhängig), was nicht nur für Computerspiele relevant ist, sondern auch für die Hardwareunterstützung.

Eine Grafikkarte wird von vielen Käufern gewählt, da sie die Spielbarkeit von aktuellen Spielen verspricht. Wie schnell eine GPU 3D-Games berechnen und flüssig darstellen kann, das ist von den Komponenten wie Speichertyp, Speicherbandbreite, Kerntakt und der Shader-Anzahl abhängig. Auf dieses breite und vielfältige Thema soll hier nicht eingegangen werden.

Die Grafikkarte, gleich ob IGP oder dediziert, kann jedoch mehr als nur schnelle Bildabfolgen in Spielen zu berechnen. Die so genannte Hardwareunterstützung meint Funktionen der Grafikkarte, die Aufgaben des Prozessors übernehmen. Gibt es eine der folgenden Funktionen nicht, muss die CPU sie ausführen. Folgende Arbeits- oder Unterhaltungsbereiche profitieren von der Grafikkarte – sofern diese das genannte Feature anbietet.

Video & Film: Wiedergabe
Avivo HD/ UVD (Radeon): Dekodierung von HD Videos (MPEG-Varianten, VC-1/WMV9, H.264)
PureVideo HD (Nvidia): Dekodierung von HD Videos, Blu-Ray Picture-in-Picture, HDCP Verschlüsselung für digitale Anschlüsse.
GMA HD (Intel): Dekodierung von HD Videos
Mehrkanal Audio: Ausgabe über HDMI (8-channel HD Audio)
Bitstream HD Audio: True HD und DTS-HD Audio ohne Qualitätsverlust per HDMI übertragen
HD Audio Controller (Radeon): 7.1 Surround Sound per HDMI / DisplayPort (TrueHD und DTS Master)
3D Vision (Nvidia): Berechnung eines Stereo-Bildes für eine aktive Shutter-Brille
HD3D (Radeon): 3D Support für Blu-Ray 3D und Spiele

Video & Film: Bearbeiten
Shader Cores (Radeon): Generelle Berechnungen (z.B. Video Transcoding)
CUDA Cores (Nvidia): Generelle Berechnungen

Spiele und Arbeit
ATI Eyefinity: Bis zu sechs Monitore anschließen
PhysX (Nvidia): Physikberechnungen in Spielen
DirectCompute 2.1 , OpenCL, OpenGL, DirectX Compute: Software-Programmierer können über diese Schnittstellen Berechnungen ausführen lassen.

Die genannten Eigenschaften unterscheiden sich von Modell zu Modell. Auf dem kleinsten gemeinsamen Nenner befinden sich die Video-Dekoder (Radeon UVD, Geforce PureVideo), die einem unter Umständen schwachen Notebook-Prozessor Arbeit abnehmen. Auf diese Weise kann das Netbook Acer Aspire One 521 (IGP) trotz schwachem Einkern-Prozessor HD-Filme (z. B. von Blu-Ray) flüssig darstellen. Sogar Bild in Bild bei Blu-Rays ist möglich. Selbst die Intel HD/HD 3000 in den aktuellen Mobilprozessoren des Herstellers unterstützt bei der Video-Dekodierung.

Stärkere Notebooks profitieren ebenfalls, da eine Grafikkarte bis zu 768 Rechenkerne hat (GeForce-GTX 485M SLI). Wenn zum Beispiel ein Videoschnittprogramm von MAGIX oder CyberLink statt auf zwei oder vier CPU-Kernen auf 768 Kernen rechnet, so kann eine deutlich höhere Render-Geschwindigkeit erreicht werden. Während die Grafik in einem solchen Fall schwer arbeitet, bleibt der Prozessor unbehelligt. So kann der Nutzer z. B. gleichzeitig Bilder bearbeiten oder Zip-Files packen. Beispiel Photoshop: Adobe Photoshop CS4 nutzt die Nvidia-GPUs auch für 2D und 3D Bearbeitung

Starke, dedizierte Grafikkarten hatten und haben den Nachteil einer hohen Energieaufnahme. Selbst wenn kein 3D-Spiel läuft, bzw. die GPU im Leerlauf verharrt, entnehmen sie dem Akku oder dem Netzteil mehr Energie, als die IGP-Variante. Energiesparer oder Freunde von hohen Akkulaufzeiten (Notebooks) mussten daher lange Zeit zu IGP greifen. Seit Anfang 2010 ist jedoch Nvidia Optimus im Markt. Die Hybrid-Lösung für Notebooks schaltet automatisch die leistungshungrige dedizierte Grafik ab, wenn sie nicht benötigt wird. In diesem Fall ist die IGP für die Bildausgabe allein verantwortlich.

Damit kommen einerseits Computerspieler auf ihre Kosten, andererseits sind auch lange Laufzeiten möglich. Seit Intel mit den Core-Prozessoren 2010 einen Grafikkern (HD, HD 3000) standardmäßig bei fast allen Mobilprozessoren integriert, wird Optimus ausschließlich mit der IGP im Prozessor kombiniert. Nvidia Optimus gibt es (noch) nicht für Desktop-PCs.

AMD bietet eine Hybrid-Grafik an, die ebenfalls mit der Intel-Prozessorgrafik kombiniert wird. Die Umschaltung funktioniert hier jedoch nicht automatisch, sondern per Mausklick oder Hardwareschalter am Gerät. Da es zu einem mehrsekündigen, schwarzen Flackern des Bildschirms kommt, ist die Hybrid-Radeon als weniger komfortabel.

Die Grafikkarte im Notebook oder im Desktop-PC kann heute mehr als nur Bilder an eine Anzeige ausgeben oder Spiele-Grafik zu berechnen. Die Rechenkapazität von dutzenden oder gar hunderten GPU-Kernen (Shader, CUDA Cores) kann von Videoschnitt-, Bildbearbeitungs- oder Videoplayer-Tools genutzt werden. Das entlastet den Hauptprozessor, was speziell bei schwachen Netbooks oder Notebooks wichtig ist. Denn so kann auf der einen Seite ein Full HD Film per HDMI auf dem Fernseher abgespielt werden, während der Nutzer immer noch flüssig im Web surft oder Dateien kopiert.

Integrierte Grafikkarten (IGP) bieten diese Hardwareunterstützung in einem eingeschränkten Umfang bzw. mit entsprechend geringer Rechenleistung. Wer die Rechenleistung seiner Grafikkarte mit Anwendungsprogrammen wie Photoshop CS oder CyberLink Power Director ausnutzen möchte, der muss sich informieren, welche Grafikkarten-Serien von der Software unterstützt werden.

Quelle: In Zusammenarbeit mit http://www.pcwelt.de
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