Aus welchen elektronischen Teilen besteht eine Grafikkarte? Aufbau einer Grafikkarte

Die Grafikkarte besteht aus verschiedenen elektronischen sowie mechanischen Teilen, die es ermöglichen eine Grafikkarte in Betrieb zu nehmen. Nur wenn alle Teile untereinander richtig funktionieren kann ein Bild auf dem Monitor dargestellt werden. In diesem Beitrag erfahren Sie, um welche Teile es sich handelt und welchen Nutzen diese jeweils erfüllen.

aus-welchen-elektronischen-teilen-besteht-eine-grafikkarte-aufbau-einer-grafikkarte-beitragsbild-neuIn diesem Schaubild können Sie sehen, welche elektronischen und mechanischen Teile sich in einer Grafikkarte befinden.

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Grafikprozessor
Die Hauptaufgabe einer Grafikkarte ist die Übertragung von Bildsignalen an einen Monitor oder andere Bildschirme. Dabei überträgt der Hauptprozessor (CPU) die Daten an die Grafikkarte, dort werden sie weiterverarbeitet und in Bildsignale umgewandelt. Da eine sehr hohe Datenmenge zwischen Hauptprozessor und Grafikkarte übertragen wird, benötigen Grafikkarten einen eigenen Grafikprozessor. Der Hauptprozessor soll dabei vom Grafikprozessor bei parallel laufenden Rechenoperationen entlastet werden.

Der Grafikprozessor (Graphics Processing Unit, kurz GPU) ist ein auf die Berechnung von Grafiken spezialisierter und optimierter Prozessor für Computer. Generell ist er für die Darstellung und die Berechnung von 3D-Animationen sowie speziellen Grafikfunktionen, wie Kantenglättung, zuständig. Man kann also sagen, dass er das Herzstück einer Grafikkarte ist und maßgeblich die Leistungsfähigkeit bestimmt. Frühere Grafikkarten hatten gar keine eigenen Rechenfähigkeiten und waren reine Ausgabekarten. Seit Mitte der 2000er Jahre sind Grafikprozessoren nicht mehr fest verdrahtet, sondern ähnlich wie CPU's flexibel programmierbar. Grafikkarten im High-End-Bereich haben oft auch zwei GPU's und müssen wegen der hohen Wärmeentwicklung mit einem Kühlkörper oder auch mehreren Lüftern gekühlt werden. Manche Grafikprozessoren sind so leistungsstark, dass sie sogar eine klassische CPU überbieten.

Es gibt verschiedene Varianten, wie Grafikprozessoren verbaut sind. Man findet Grafikprozessoren als integrierte Grafikeinheit einer CPU vor (hier wurde die Grafikeinheit in den Hauptprozessor integriert), auf dem Mainboard (onboard, als integrierter Grafikprozessor) und bei PC-Erweiterungskarten bzw. Grafikkarten.

Fast alle heute produzierten Grafikprozessoren für Computer-Systeme stammen von AMD, Intel oder Nvidia.


Grafikspeicher
Der Grafikprozessor alleine reicht nicht aus, um die enormen Datenmengen verarbeiten zu können. Deshalb verfügen Grafikkarten über einen eigenen Arbeitsspeicher (auch bekannt als Grafikspeicher) und einer zusätzlichen Speicheranbindung mit hohen Taktraten.

Aufgabe des Grafikspeichers ist es, die verarbeiteten Daten des Grafikprozessors zwischenzuspeichern. Somit dient der Grafikspeicher als Ablage für die GPU und steigert dadurch die Leistungsfähigkeit der Grafikkarte. Die Kapazität bestimmt letztendlich die maximale Farbtiefe und Bildauflösung der dargestellten Bilder auf dem Monitor.

Heute haben viele Grafikspeicher bereits die Größe eines normalen Arbeitsspeichers und sorgen somit für genügend Leistung. Neue Grafikkarten verfügen über mehrere Gigabyte Speicher: Die MSI GeForce GTX 970 kann z.B. rund 4GB DDR5-Speicher aufweisen, die MSI AMD Radeon R9 390 etwa 8GB DDR5. Um den Zugriff auf den Grafikspeicher zu kontrollieren, wird ein Speichercontroller in der Grafikkarte verbaut, der diesen Zugriff automatisch steuert.

Die Abkürzung "DDR" steht für "Double Date Rate", hierbei handelt es sich um einen bestimmten Typ von Arbeitsspeicher (RAM – Random Access Memory), welcher auch als Halbleiterspeicher bezeichnet wird. DDR gibt es aktuell in der fünften Version zu haben. Der Name an sich beschreibt bereits, wofür dieser Speicher gedacht ist. Durch den DDR-Speicher wird die Transferrate bei der Datenübertragung wortwörtlich verdoppelt.

Der Arbeitsspeicher der Grafikkarte ist in mehrere Speicherbereiche aufgeteilt: Es gibt den Framebuffer, die Vertex- und Pixel-Shader, den z-Buffer, die Geometrie- und Texturdaten. Jeder dieser einzelnen Speicherbereiche erfüllt eine bestimmte Funktion. So werden in den jeweiligen Speicherbereichen bestimmte Pixel und zugehörige Informationen abgespeichert, wie z.B. die Lage, die Position oder auch die Farbtiefe der Pixel in einem dargestellten Objekt.


Schnittstelle & Stromanschluss
In den Anfangszeiten wurden Grafikkarten über den sogenannten "internen Systembus" mit Strom versorgt und betrieben. Da die Anforderungen in den letzten Jahren in Form von höheren Auflösungen und aufwendigeren Multimedia- und 3D-Darstellungen enorm gestiegen sind, wurden auch die Datenmengen immer größer, die zur Grafikkarte transportiert und dort verarbeitet werden mussten.

Zuerst gab es den standardmäßigen PCI-Anschluss. Dann folgte der modernere AGP-Anschluss bzw. -steckplatz, um die steigenden Datenmengen zwischen der Grafikkarte und dem Prozessor besser bewältigen zu können. Dieser Steckplatz auf dem Mainboard wurde ausschließlich für Grafikkarten entwickelt. Der AGP-Anschluss hat nach einigen Jahren nicht mehr ausgereicht und wurde deshalb durch den heutigen PCI-Express-Anschluss ersetzt, welcher viel schneller ist.

PCIe-Anschluss als System-Schnittstelle
Beim PCI-Express-Anschluss, kurz PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), handelt es sich um ein Bus-Interface, welches für die Verbindung zwischen der Grafikkarte und dem Mainboard des PC-Systems sorgt. Über diesen PCIe-Anschluss werden die Grafikdaten vom Hauptprozessor zur Grafikkarte übertragen und im Anschluss auf dem Monitor dargestellt. Die goldenen Kontakte, die sich an der Unterseite der Grafikkarte gut erkennen lassen, stellen die Verbindung her und ermöglichen damit die Datenübertragung zum System. Wie der eigentliche Name es schon sagt, garantiert der PCI-Express-Anschluss eine schnelle Datenübertragung, selbst bei größeren Datenmengen. Der Vorgänger des PCIe-Anschlusses war der AGP-Anschluss (Accelerated Graphics Port), dieser ist heute jedoch veraltet und kann mit den immer steigenden Taktraten und Speichermengen nicht mehr mithalten.

PCI-Stromanschluss
Da sehr leitungsstarke Grafikkarten weit aus mehr Energie benötigen als Einsteiger- oder Mittelklasse-Grafikkarten, muss ein direkter Anschluss zum System-Netzteil erfolgen, weil die PCIe-Schnittstelle alleine nicht genug Strom liefert. Hierfür gibt es zusätzliche 6- bis 8-polige PCI-Stecker, bei manchen High-End-Grafikkarten werden sogar zwei von diesen 8-poligen PCI-Steckern benötigt. Es gibt aber auch sparsame Grafikkarten, die dennoch relativ leistungsfähig sind und auch ohne zusätzliche Stromversorgung zurechtkommen.


Externe Signalausgänge
Damit die visuellen Daten und Inhalte auf dem Monitor dargestellt werden können, wird ein externer Signalausgang benötigt. Die ersten Grafikkarten konnten am Anfang nur analoge Signale übertragen, wie z.B. durch einen VGA-Anschluss. Da die Technik in letzten Jahren immer weiter vorangeschritten ist, wurde auch die analoge Bildübertragung abgelöst. Heutige Grafikkarten verfügen alle über Schnittstellen, die digitale Signale ausgeben, welche ein viel bessere Bildqualität im Vergleich zu den analogen Signalen, gewährleisten. Die Qualität der Darstellung auf dem Monitor ist maßgeblich von der Signalqualität abhängig.

Da Grafikkarten nicht nur Bild- und Videodaten übertragen, sondern auch Tondaten, werden zusätzlich bei bestimmten Herstellern TV-/Video-Out-, Component-Out- oder Cinch-Anschlüsse verbaut. Bei aktuellen Grafikkarten wird standardmäßig ein VGA-, DVI-, ein HDMI- und seit neustem auch ein DisplayPort-Anschluss verbaut.

⇒ Mehr Infos über die externen Signalausgänge finden Sie in diesem Beitrag.


Kühllösung
Wie beim Hauptprozessor wird auch beim Grafikprozessor viel Wärme im Betrieb produziert. Diese Verlustleistung muss von der Grafikkarte bestmöglich abgeführt werden, damit der Grafikprozessor nicht überhitzt und dabei beschädigt wird. Es existieren generell drei Arten von Kühllösungen, um die Wärme abzuführen.

Die meisten Grafikkarten verwenden eine aktive Kühllösung, hier wird ein Radiator verbaut, der die aufkommende Hitze an die Umgebung abgibt. Ein Kühlkörper leitet diese Wärme an den Lüfter weiter und so kann dann die Wärmeentwicklung reguliert werden. Diese Art von Kühlung sorgt jedoch für störende Geräusche, wenn die Grafikkarte stark ausgelastet wird.

Es gibt aber auch eine geräuschlose passive Kühllösung und die Wasser- oder Flüssig-Kühlung, welche die teuerste Alternative ist.


Grafikkarten-Platine
Auch die Grafikkarte braucht eine Platine, um die elektrischen Signale verarbeiten zu können. Sie ist wie bei dem Mainboard (Hauptplatine des PC's), eine Leiterplatte (Platine oder auch Leiterkarte) und Träger für elektronische Bauteile. Sie wird in der Grafikkarte verbaut und dient der mechanischen Befestigung sowie elektrischen Verbindung der einzelnen Komponente, wie Grafikprozessor, Grafikspeicher oder Shader. Fast jedes elektronisches Gerät ist auf eine oder auch mehrere Platinen angewiesen.

Die Platine besteht im Wesentlichen aus elektrisch isolierendem Material und daran haften leitende Verbindungen, auch bekannt als Leiterbahnen. Dieses isolierende Material besteht aus faserverstärktem Kunststoff. Die Leiterbahnen werden meist aus einer sehr dünnen Schicht Kupfer geätzt und auf die Platine aufgetragen. Damit die einzelnen Bauelemente auch auf der Platine haften bleiben, werden sie auf Lötflächen oder in Lötaugen gelötet. Dadurch werden die Bauelemente mechanisch gehalten und gleichzeitig elektrisch verbunden. Komponenten, die größer ausfallen, können auch mit Klebstoff oder Verschraubungen auf der Platine befestigt werden.


Slotblech
Das Slotblech einer Grafikkarte wird fest mit dem Gehäuse des PC's verschraubt und so eingeführt, dass alle externen Signalausgänge gut erreichbar sind. Es gibt verschiedene Größen, dies kommt immer auf die Grafikkarte selbst an. Hat eine Grafikkarte mehrere Anschlüsse für externe Signalausgänge, ist auch das Slotblech größer. Auf dem Slotblech selbst kann man auch anhand einer kleinen Beschriftung auf der Außenseite erkennen, welcher Slot, für welchen Anschluss gedacht ist.


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