Was macht eine Grafikkarte?

Die Grafikkarte, auch Graphics Processing Unit (GPU), sorgt für die Berechnung von Bildern in einem Computer, die anschließend auf einem Monitor angezeigt werden können. Sie stellt die Schnittstelle zwischen den Berechnungen des Prozessors und dem Monitor dar. Die Entwicklung von Grafikkarten ist mittlerweile jedoch schon so weit, dass sie neben dieser Funktion, auch die CPU bei Berechnungen unterstützen und entlasten kann.

Wie funktioniert die Grafikkarte?

Der Prozessor des Computers berechnet, welche Daten ein gewisses Programm auf dem Bildschirm anzeigen möchte und gibt diese als sogenannte Bilddaten aus. Diese, meist numerischen, Daten werden anschließend von der GPU so umgewandelt, dass sie auf einem Monitor oder einem anderen Gerät angezeigt werden können.

Viele Laptops und Computer enthalten Grafikkarten, die bereits auf der Platine, also auf dem Mainboard, angebracht sind. Solche integrierten Grafikkarten (IGP) besitzen keinen eigenen Speicher und greifen auch auf den Arbeitsspeicher des Computers zu. Durch die fehlende Speicherkomponente der IGP ist die Größe sehr klein und kann dadurch vor allem für kleine Geräte, wie Tablets oder Notebooks, genutzt werden. Jedoch geht dieser Aufbau einher mit einer niedrigen Taktrate und einer geringeren Leistungsfähigkeit aufgrund des geteilten Arbeitsspeichers. Somit werden IGPs vor allem in Geräten genutzt, die hauptsächlich für Office Anwendungen oder für Browsing bestimmt sind.

Das Gegenteil davon sind die dedizierten Grafikkarten, welche einen eigenen Speicher besitzen, den sogenannten VRAM. Dadurch steigt jedoch auch die Baugröße und es wird eine eigene Kühlung nötig. Deshalb sind dedizierte GPUs eigene Bauteile, die meist über die PCI-Schnittstelle mit dem Mainboard verbunden ist. Durch den eigenen Speicher sind sie deutlich leistungsfähiger und kommen beispielsweise in Geräten zum Einsatz, die fürs Gaming oder für Machine Learning Zwecke genutzt werden. Der Großteil des verbleibenden Beitrags wird sich vor allem mit dedizierten Grafikkarten beschäftigen, da es mittlerweile deutlich mehr Anwendungsfälle gibt, die eine solche GPU nötig machen.

Welche Bestandteile hat eine Grafikkarte?

Eine GPU besteht in vielen Fällen aus den folgenden Komponenten:

Lüfter
Kühlkörper
Grafikprozessor
Speicher
Speicherinterface
Platine
Anschlüsse für Grafikausgänge (VGA, Displayport, etc.)

GTX 1080 Grafikkarte von NVIDIA | Source: Nana Dua on Unsplash

Auf die wichtigsten Bestandteile gehen wir nun nochmal im Detail ein:

Grafikchip

Der Grafikchip verrichtet die eigentliche Arbeit der Grafikkarte und ist das Gehirn des Systems. Hier werden die Berechnungen der Bilder gemacht. Die anderen Komponenten sind größtenteils damit beschäftigt, den Grafikchip möglichst so auszustatten, dass er mit voller Leistung arbeiten kann und nicht beispielsweise auf den Speicher warten muss.

Grafikspeicher

Auf dem Grafikspeicher werden alle Daten abgelegt, die zur Berechnung von Bild- und Videodateien benötigt werden. Wie bereits erwähnt, kann durch den separaten Speicher der Zugriff auf den Arbeitsspeicher des Computers umgangen werden und dadurch die Performance des Computers erhalten bleiben.

Damit es beim Grafikspeicher nicht zu Performanceeinbußen kommt, spielen die Speichergröße und der Anschluss bei der Auswahl eine entscheidende Rolle. Insgesamt gibt es sowieso keine Komponente innerhalb der Grafikkarte, bei der Kompromisse eingegangen werden sollten, ansonsten leidet immer die Performance des ganzen Systems, egal wie leistungsstark die restlichen Komponenten auch sind.

Speicherinterface

Das Speicherinterface bestimmt die Bandbreite mit der auf die Daten zugegriffen werden kann. Umso höher diese ist, umso mehr Daten können in kurzer Zeit übertragen werden, was vor allem bei Computerspielen mit hohen Bildraten, also vielen wechselnden Bildern, immens wichtig ist.

Höhere Bitraten des Speicherinterfaces lassen sich im Allgemeinen mit mehr Leistung gleichsetzen. Man kann sich das Speicherinterface als die “Ablage” des Grafikchips vorstellen. Umso größer die Bitrate, umso größer auch die nutzbare Ablagefläche. Mit mehr Fläche wiederum, können die Daten übersichtlicher platziert werden und sind dadurch schneller wieder nutzbar. In vielen Grafikkarten ist das Speicherinterface der Flaschenhals, der mehr Leistung des Systems verhindert.

Kühlung

Eine leistungsfähige GPU ist nur in Kombination mit einer ausreichenden Kühleinheit wirklich performant. Ansonsten kann es schnell zu einer Überhitzung der GPU kommen und die Performance muss gedrosselt werden, damit es zu keinen Schäden kommt. Im Allgemeinen sollten GPUs jedoch kurzzeitig Temperaturen von 100 °C aushalten können.

Je nach GPU wird auf aktive oder passive Kühlung zurückgegriffen. Die aktive Kühlung kennt man noch aus älteren Geräten, welche bei zunehmender Leistung ein unüberhörbares Lüftergeräusch von sich geben. Die aktive Kühlung zeichnet sich dadurch aus, dass sie aktiv versucht die Wärme vom Chip wegzutransportieren. In den meisten Fällen wird dabei immer noch auf einen Lüfter zurückgegriffen, der je nach Wärmebild mit höherer oder niedrigerer Drehzahl läuft. Das hat jedoch den Nachteil, dass es bei starker Beanspruchung zum bereits beschriebenen Klangbild kommt.

Bei der passiven Kühlung hingegen wird die Wärme über ein Kühlmedium, wie zum Beispiel eine Flüssigkeit, vom Chip wegtransportiert. Die Oberfläche des Kühlapparates ist dabei sehr groß konzipiert, um im Belastungsfall viel Wärme aufnehmen zu können. Dadurch kommt es auch bei hoher Performance zu keinen zusätzlichen Geräuschen.

Für welche Anwendungen benötigt man gute Grafikkarten?

Wie wir bereits gesehen haben, benötigen alle Programme, welche eine visuelle Ausgabe haben eine Grafikkarte, um die entsprechenden Bilder und Videos erstellen zu können. Für viele Programme reichen dafür jedoch auch integrierte Grafikkarten vollkommen aus.

Darüber hinaus gibt es auch einige spezielle Anwendungen, die deutlich mehr Grafikleistung benötigen und deshalb ohne eine leistungsfähige, meist dedizierte Grafikkarte nicht auskommen. Dazu gehören unter anderem:

Gaming: Um die schnellen Bildwechsel bei actionreichen Computerspielen zu ermöglichen, muss eine leistungsfähige Grafikkarte innerhalb kurzer Zeit große Datenmengen verarbeiten können.
3D-Modellierung: Wenn neue Autos, Maschinen oder andere Teile konzipiert und geplant werden, werden dazu 3D-Modelle erstellt, um Bauteile visualisieren zu können. Wenn das Bauteil von verschiedenen Blickwinkeln aus betrachtet werden soll, muss die Grafikkarte innerhalb von Sekundenbruchteilen die neuen Ansichten berechnen, ansonsten kann es zu einem Ruckeln im Bild kommen.
Bildbearbeitung und Videoschnitt: Bilder und Videos sind heutzutage immer hochauflösender, enthalten also mehr Pixel als früher. Um all diese Pixel schnell bearbeiten zu können, wird auch mehr Leistungsfähigkeit bei der GPU benötigt.
Machine Learning: Das Thema Machine Learning passt eigentlich nicht so gut in die bisherige Liste, da hierbei keine hochauflösenden oder schnell wechselnden Bildsequenzen benötigt werden. Jedoch sind leistungsstarke Grafikkarten auch für Machine Learning sehr wichtig, da hier mit sogenannten Tensoren gearbeitet und gerechnet wird. Diese ähneln stark der numerischen, also in Zahlen ausgedruckten, Repräsentation von Bildern. Dadurch kann eine GPU deutlich schneller Machine Learning Modelle berechnen, als herkömmliche Prozessoren.

Wie findet man die perfekte Grafikkarte?

Als erstes legt man am Besten das Budget fest, das man bereit ist für eine neue GPU auszugeben. In diesem Markt ist es wie in vielen anderen auch und oft bekommt man mehr Leistung nur zu einem höheren Preis. Aktuell sind gute dedizierte Grafikkarten unter 180 € nicht zu bekommen. Alle Modelle, welche darunter liegen sind in den meisten Fällen nicht leistungsstärker als die bereits verbauten GPUs.

Von etwa 300 bis 550 € liegen die Mittelklasse Modelle, die für aktuelle Spiele ausreichend sein sollten. Die absolute Top-Performance lässt sich dann nur noch mit Modellen über 550€ erzielen. Die in vielen Rankings führende Grafikkarte NVIDIA RTX 3090 Ti mit 24 GB VRAM liegt sogar bei etwa 1.500€.

Wie bereits erwähnt ist die GPU eingebettet in ein System aus Komponenten und kann nur die schnellste Leistung liefern, wenn das Zusammenspiel mit dem restlichen PC einwandfrei läuft. Deshalb reicht eine sehr gute Grafikkarte allein nicht aus, sondern sie sollte gepaart sein mit neuen Komponenten, wie einem leistungsfähigen Prozessor. Vor allem die neuen und meist auch teuren GPUs sollten dabei auch von aktuellen Bauteilen umgeben sein, um das volle Potenzial ausnutzen zu können.

Abschließend muss auch die Kompatibilität mit dem bisherigen Rechner sichergestellt sein, ansonsten wäre die Grafikkarte nicht nutzbar. Um auf Nummer sicher zu gehen, kann man einen von vielen kostenlosen PC-Konfiguratoren nutzen und die Kompatibilität prüfen. Dazu wählt man einfach die bereits vorhandenen Komponenten, wie CPU, RAM, Mainboard etc. aus und wählt dann die gewünschte Grafikkarte aus. Daraus ergibt sich eine eindeutige Antwort, ob die Komponenten zusammenpassen oder nicht. Zusätzlich zählt nicht nur die Kompatibilität mit den anderen Bauteilen, sondern auch ausreichender Bauraum für die neue GPU.

Was ist der Unterschied zwischen GPU und CPU?

Sowohl eine Grafikkarte als auch der Prozessor tragen zur Leistungsfähigkeit eines Computers bei. Jedoch erfüllen sie unterschiedliche Aufgaben und Funktionen. Deshalb sollte man vor einem Kauf die Unterschiede kennen, um beurteilen zu können, auf welches der Bauteile beim Kauf mehr Wert gelegt werden sollte.

Eine CPU ist eine Allzweckwaffe, die für eine Vielzahl von Aufgaben genutzt wird, wie beispielsweise die Abwicklung von Systemprozessen oder die Verwaltung von Eingaben und Ausgaben, die zum Beispiel über die Tastatur stattfinden. Der Prozessor kann verschiedene Kerne haben, die in der Regel zwischen zwei und 16 liegen. Auf diesen Prozessoren können Aufgaben parallel ausgeführt werden, jedoch konzentriert sich die CPU darauf, eine Aufgabe so schnell wie möglich auszuführen, um danach mit der nächsten weitermachen zu können.

Eine Grafikkarte (GPU) hingegen ist ein spezialisierter Prozessor für die Verarbeitung von Grafik- und Bildbearbeitungsaufgaben. Er ist für eine parallele Verarbeitung von Aufgaben optimiert und kann viele Anwendungen gleichzeitig verarbeiten. Die Anzahl der Kerne in einer Grafikkarte ist auch deutlich höher als in einer CPU und kann von einigen Hundert bis zu mehreren Tausend reichen. Diese werden genutzt, um Berechnungen schnell und effizient durchzuführen. Da die Verarbeitung von Bildern in Vektoren funktioniert können GPUs auch für Machine Learning Aufgaben genutzt werden, die sogenannte Tensoren beinhalten.

Die wichtigsten Unterschiede zwischen einer GPU und einer CPU sind:

Architektur: Die Grafikkarte ist für die parallele Verarbeitung konzipiert und verfügt dafür über eine sehr große Anzahl von Kernen. Die CPU hingegen bevorzugt die sequentielle Verarbeitung von Aufgaben und führt diese also nacheinander aus. Dafür werden lediglich eine geringe Anzahl von Kernen benötigt.
Funktionsweise: Der allgemeine Prozessor, also die CPU, ist für einfache und alltägliche Aufgaben konzipiert, die bei nahezu jeder Interaktion mit dem Computer entstehen. Die Grafikkarte hingegen wird für komplexere Berechnungen genutzt, wie das Rendering von 3D Grafiken oder eben für Machine Learning.
Leistung: Der Grafikprozessor kann für rechenintensive Aufgaben deutliche Leistungsvorteile gegenüber der CPU bieten, da diese parallel durchgeführt werden. Daher sollte man bei der Programmierung darauf achten für die jeweiligen Aufgaben den richtigen Prozessor auszuwählen, um die volle Leistungsfähigkeit des Geräts nutzen zu können.

Abschließend lässt sich sagen, dass sich GPUs und CPUs vor allem in ihrer Architektur und Funktionalität unterscheiden. Während eine CPU für allgemeine Aufgaben genutzt wird, ist die Grafikkarte für komplexe Berechnungen, wie beispielsweise in der Bildverarbeitung optimal.

Das solltest Du mitnehmen

Die Grafikkarte, auch Graphics Processing Unit (GPU), sorgt für die Berechnung von Bildern in einem Computer, die anschließend auf einem Monitor angezeigt werden können.
Die Grafikkarte kann entweder auf dem Motherboard des Computers verbaut, also integriert, sein oder als externes Bauteil, also dediziert, angeschlossen sein.
Sie besteht aus einigen wichtigen Komponenten, wie dem Grafikchip, dem Grafikspeicher, dem Speicherinterface und der Kühlung. Nur wenn diese Komponenten ausreichend aufeinander abgestimmt sind, kann die volle Leistung der Grafikkarte abgerufen werden.
Leistungsfähige Grafikkarten sind vor allem für Gaming, Bildbearbeitung und Machine Learning von großer Bedeutung.
Bei der Auswahl einer neuen Grafikkarte sollte auf die Kompatibilität mit anderen Komponenten geachtet werden.