Grafikkarte

Als Grafikkarte wird ein Peripheriegerät zur Verarbeitung von Datensignalen für die Bildschirmausgabe bezeichnet. Grafikkarten sind entweder modular als Steckkarten in das Computersystem eingebunden oder bereits fest auf der Hauptplatine verbaut (Onboard-Grafik). Die wichtigsten Komponenten moderner Grafikkarten sind GPU, Video-RAM sowie die Anschlüsse für externe Geräte.

• Schnittstellen zur Hauptplatine Die heutzutage verbreitesten Hardwareschnittstellen für Grafikkarten sind PCI, AGP und PCI-Express. Die beiden erstgenannten gelten jedoch gemeinhin als Auslaufmodelle und werden kaum noch am Markt angeboten.
• Grafikspeicher Der Grafikspeicher dient zur Ablage der im Grafikprozessor (GPU) verarbeiteten Daten sowie als Bildspeicher ("Framebuffer"): Das sind digitale Bilder, die später auf dem Computer-Bildschirm ausgegeben werden. Heute werden Grafikkarten mit sehr viel mehr Speicher gebaut, als zur reinen Bildspeicherung notwendig wäre. Beim Rendern dreidimensionaler Grafiken werden hier zusätzlich zum Framebuffer die Daten der Objekte, beispielsweise Größe, Form und Position, sowie die Texturen, die auf die Oberfläche der Objekte gelegt werden, gespeichert.
• Arbeitsspeicher als Grafikspeicher Besonders die immer höher auflösenden Texturen haben für einen starken Anstieg der Speichergröße bei aktuellen Grafikkarten gesorgt. So liegt die Speichergröße aktueller Grafikkarten bereits im einstelligen Gigabytebereich. Bei vielen Onboard-Lösungen wird der Hauptspeicher des Systems als Grafikspeicher genutzt, dies wird als Shared Memory bezeichnet. Der Zugriff erfolgt über das jeweilige Bussystem und ist deshalb langsamer als direkt angebundener Speicher.
• Grafikprozessor Der Grafikprozessor (GPU) dient zur Berechnung der Bildschirmausgabe; aktuelle, auf Grafikberechnungen spezialisierte GPUs sind CPUs in ihrer Rechenleistung überlegen.
• Kühllösungen Aufgrund der thermischen Verlustleistung komplexer Grafikprozessoren sind ähnlich aufwendige Kühllösungen wie bei Prozessorkühlern notwendig. Grafikkarten verbrauchen unter Volllast teilweise über 200 W Leistung, die vollständig als Wärmeenergie abgeführt werden muss. Dazu existieren mehrere Ansätze:
  • Passive Luftkühlung:ein Kühlkörper gibt die thermische Energie durch Konvektion an die Umgebungsluft ab (nur möglich bei geringen Leistungen oder mit sehr großen Kühlkörpern);
  • Aktive Luftkühlung:ein Kühlkörper gibt die thermische Energie an die Umgebungsluft ab, die durch Lüfter umgewälzt wird; diese einfachste und preiswerteste Variante, große Wärmemengen abzuführen, verursacht jedoch Störgeräusche;
  • Wasserkühlung:wenn für die CPU eine Wasserkühlung eingesetzt wird, kann auch die Grafikkarte in diesen Kreislauf eingebunden werden: die thermische Energie wird dann an das Wasser im Kreislauf und von dort über einen Radiator an die Umgebungsluft abgegeben. Diese Kühllösung ermöglicht den Transport großer Wärmemengen möglich, ist aber aufwendig und teuer.

• VGA-Out / Mini-VGA An einer 15-poligen D-Sub-Buchse wird ein analoges RGB-Signal bereitgestellt. Unter beengten Platzverhältnissen ist der Ausgang auch als Mini-VGA ausgeführt. Über ein VGA-Kabel mit entsprechendem Stecker werden CRT-Monitor (Röhrenmonitor), Projektor oder Flachbildschirm angeschlossen.
• DVI-Out / Mini-DVI Der DVI-Ausgang liefert ein digitales Signal und damit die beste erreichbare Bildqualität an Bildschirmen mit DVI-Eingang. Es existiert, wie bei VGA, auch eine Mini-DVI-Variante für Notebooks ohne Platz für eine vollwertige Buchse. 
• HDMI-Out Bei Grafikkarten mit HDMI-Ausgang wird das Videosignal ebenfalls digital und gegebenenfalls mit HDCP-Verschlüsselung ausgegeben. HDMI bietet zusätzlich die Möglichkeit der Übertragung von Tonsignalen.
• DisplayPort DisplayPort ist ein Verbindungsstandard für Bild- und Tonsignale. Er ist kompatibel zu VGA, DVI und HDMI 1.3 und unterstützt die Kopierschutzverfahren HDCP und DPCP (DisplayPort Content Protection).
• DisplayPort mit Thunderbolt Eine Sonderform des DisplayPort ist die von Intel und Apple im Frühjahr 2011 vorgestellte Thunderbolt-Schnittstelle. Elektrisch und mechanisch ist Thunderbolt voll kompatibel zum DisplayPort, bietet jedoch parallel zum Videostream zwei Datenkanäle mit bis zu 10 Gbit/s. Die Chips, die Video- und Datenstream vereinen beziehungsweise wieder voneinander trennen, stecken in den Kabelsteckern selbst.

Das Grafikkartenprinzip wurde in Serienprodukten erstmals beim Mikrocomputer Apple II verwendet, dessen auf der Hauptplatine integrierte Grafikfähigkeiten sich durch zusätzliche Steckkarten verbessern liesen. Der erste IBM-PC kam 1981 mit einer Grafikkarte auf den Markt, die lediglich die einfarbige Darstellung von Text ermöglichte. Bis 1989 setzten sich die Farb-Grafikkarten durch; der damalige Videomodus VGA (640 × 480 Punkte in 16 Farben) wurde lange als "Notfall-Modus" bei PCs verwendet.

VGA war allerdings nicht der letzte Grafikkartenstandard. Die Video Electronics Standards Association (VESA) stellte einen Standard für Videomodi bis zu einer Auflösung von 1.280 × 1.024 Punkten in 16 Bit Farbtiefe auf, die heute jede PC-Grafikkarte beherrscht. Die weiteren Bezeichnungen SVGA, XGA usw. sind keine Grafikkartenstandards mehr, sondern Kurzbezeichnungen für Bildschirmauflösungen, zum Beispiel XGA: 1.024 × 768 Punkte. Bis etwa 1990 beschränkten sich die Grafikkarten darauf, den Inhalt des Video-RAM in Ausgangssignale für den Monitor umzuwandeln. Programmierer konnten im Wesentlichen nur den Textmodus nutzen sowie im Grafikmodus einzelne Pixel auf eine bestimmte Farbe setzen.

Ab 1990 entwickelten sich die Grafikkarten zu eigenständigen kleinen Computern mit eigener GPU (Graphics Processing Unit), bei dem man nicht nur einzelne Pixel setzen konnte, sondern dem man Befehle zum Zeichnen von Linien und Füllen von Flächen schicken konnte (Windows-Beschleuniger); diese Funktionen beschleunigten vor allem das Verschieben der Fenster (Windows) der grafischen Benutzeroberfläche. Das Konzept der Zusatzfunktionalität bewährte sich, weshalb bspw. seit 1995 auch Funktionen zur Beschleunigung der Videowiedergabe eingeführt wurden. Erste 3D-Beschleuniger kamen ebenfalls Mitte der 1990er Jahre auf den Markt, eine Entwicklung, die vom steigenden Interesse an 3D-Computerspielen vorangetrieben wurde.

Heutzutage nutzen immer mehr Programme die leistungsfähigen GPUs, um Rendering-Aufgaben auf den Grafikprozessor auszulagen. Neben der Entlastung des Hauptprozessors führt der Rückgriff auf Grafikbibliotheken wie zum Beispiel die OpenGL (Open Graphics Library) dazu, dass viele Grafikeffekte in Echtzeit dargestellt werden können.