Grafikkarte

FRANKOVSKY ChristianInformatik

1AHWIL 2015/2016

Inhalt

1 Geschichte................................................................................................................ 11.1 2D-Grafikkarten...................................................................................................11.2 3D-Grafikkarten...................................................................................................2

1.2.1 Früher...........................................................................................................21.2.2 Heute............................................................................................................2

2 Aufbau und Funktionsweise......................................................................................32.1.1 Ablauf...........................................................................................................3

2.2 Hardwareschnittstellen........................................................................................32.3 Grafikspeicher.....................................................................................................42.4 Grafikprozessor...................................................................................................52.5 Kühlung...............................................................................................................6

2.5.1 Es existieren mehrere Kühlungslösungen....................................................63. Wasserkühlung:.....................................................................................................6

2.6 Externe Signalausgänge.....................................................................................72.6.1 Die bekanntesten Signalausgänge:..............................................................7

3 Grafikkartentypen......................................................................................................83.1 Businessgrafikkarten...........................................................................................83.2 Spielgrafikkarten.................................................................................................83.3 Softwareprobleme mit Grafikkarten....................................................................8

4 Hersteller...................................................................................................................94.1 Die 2 größten Hersteller von Grafikkarten...........................................................9

4.1.1 ATI................................................................................................................94.1.2 Nvidea..........................................................................................................9

5 Quelle......................................................................................................................105.1 Texte:................................................................................................................10

5.1.1 Abbildungen:..............................................................................................10

Abbildungen II

Abbildung 1: Alte Vodoo 2 Grafikkarte.............................................................................2Abbildung 2: Heutige Grafikkarte- Geforce......................................................................2Abbildung 3: Grafikspeicher.............................................................................................4Abbildung 4: Grafikprozessor - Nvidia..............................................................................5Abbildung 5: Kühlung – Aktive Luftkühlung……………………………………………..........6

Abbildung 6: Kühlung – Passive Luftkühlung………………………………………………....6

Abbildung 7: Kühlung – Wasserkühlung………………………………………………………6

Abbildung 8: Externe Signalausgänge – Display Port……………………………………….7

Abbildung 9: Externe Signalausgänge – DVI Out……………………………………………7

Abbildung 10: Externe Signalausgänge – HDMI Out………………………………………..7

Abbildung 11: Externe Signalausgänge – LFH60……………………………………………7

Abbildung 12: Grafikkartentypen – Businessgrafikkarten…………………………………...8

Abbildung 13: Grafikkartentypen – Spielgrafikkarten………………………………………..8

Abbildung 14: Hersteller – ATI Logo…………………………………………………………..9

Abbildung 15: Hersteller – ATI Grafikkarte…………………………………………………...9

Abbildung 16: Hersteller – NVIDIA Logo…………………………………………………….10

Abbildung 17: Hersteller – NVIDIA Grafikkarte……………………………………………..10

Geschichte 1

1 Geschichte

Die Grafikkarte ist eine PC-Erweiterungssteckkarte, die auf das Motherboard eines Rechners gesteckt wird bzw. auf dem Mainboard bereits integriert ist und die Informationen in sichtbare und verständliche Zeichen, Grafiken und Bilder umsetzt, die auf einem Monitor dargestellt werden können. Der Erweiterungssteckplatz ist direkt mit dem PC-Bus (über ISA, PCI, AGP oder PCI-Express -Bussysteme) verbunden. Über ihn empfängt die Grafikkarte, die im Wesentlichen aus dem Grafikprozessor und dem Grafikspeicher besteht, die bereitgestellten Informationen, die sie verarbeitet und an den angeschlossenen Monitor als analoge oder digitale Signale überträgt. Die maximale zu fahrende Auflösung und Anzahl der gleichzeitig darstellbaren Farben pro Bildpunkt (Farbtiefe) hängt im wesentlichem von der verwendeten Grafikkarte bzw. Bildschirmkarte ab.

In den späten 70er und 80er Jahren hatte eine Grafikkarte noch die Aufgabe, einfachste Text- und Grafikdarstellungen auf den Monitor zu zeichnen. Dabei war es schon erfolgreich, wenn man überhaupt einige Farben darstellen konnte.

Die erste Farb-Grafikkarte kam 1981 auf den Markt, die lediglich die einfarbige Darstellung von Texten ermöglichen. Die Firma Hercules bot 1982 eine sehr viel bessere Karte an, die Hercules Graphics Card.

Bis 1989 setzten sich die Farb-Grafikkartentypen als Standard durch, die IBM neu auf den Markt brachte:

1981 die CGA-Karte

1984 die EGA-Karte

1987 die MCGA- und VGA-Karte1

1.1 2D-Grafikkarten

o Hauptaufgabe ist die Verarbeitung von Text und einfachen Grafiken o Ablegung des Textes als Zeichenfolge im Bildspeicher o Dabei werden jedem Zeichen noch Attribute zugefügt: Farbe, Größe,

Schrift usw. o Keine/kaum Entlastung der CPU, weil diese die Hauptverarbeitung

1 Verglichen

Geschichte 2

1.2 3D-Grafikkarten

3D-Computergrafik ist ein Oberbegriff für verschiedene Verfahren zur Darstellung räumlicher Daten mit den Mitteln der Computergrafik.

Die 3D-Computergrafik lässt sich in zahlreiche weitere Bereiche unterteilen:

o Übernehmen komplette Grafikberechnung und Grafikerzeugung o Berechnung von Geometrischen Figuren auf der Z-Ebene o Sehr große Entlastung der CPU

1.2.1 Früher

Die ersten Modelle von Grafikkarten waren ganz simple Geräte mit denen man nur das Bild das angezeigt werden sollte auf den Monitor bringen sollte. Sie waren groß und hatten kaum Speicher.

Dies ist eine alte Vodoo 2 aus dem Jahr 1996

1.2.2 Heute Mit den ersten neueren Grafikkarten wurde klar, dass sie zu mehr zu gebrauchen sind. Man merkte dass man mit ihnen mehr machen kann und so wurden die Grafikkarten stätig besser und mit mehr Funktionen ausgestattet. Eine dieser Grafikkarte war die Geforce FX 5900, sie war einer der Vorreiter der heutigen Grafikkarten. Nvidia gehört zu einen der besten Grafikkartenhersteller.

Abbildung 2: Heutige Grafikkarte- Geforce

Abbildung 1: Alte Vodoo 2 Grafikkarte

Aufbau und Funktionsweise 3

2 Aufbau und Funktionsweise

2.1.1 Ablauf

CPU auf dem Mainboard berechnet Bildinformationen Über die BUS-Schnittstelle Weiterleitung der Bildinformationen an die

Grafikkarte bzw. direkt an den Grafikkartenchip Verarbeiten der Bildinformationen im GPU Ablegen der Bildinformationen im Video-Ram RAM DAC liest Video-Ram ein und wandelt die digitalen Signale in

analoge Signale um bzw. Direkte Weiterleitung der digitalen Signale Kontinuierliche Signalweiterleitung an den Monitor2

2.2 Hardwareschnittstellen

Die bekanntesten Hardwareschnittstellen für Grafikkarten sind PCI, AGP und PCI Express, früher waren auch ISA oder VESA Local Bus gängig. Hardwareschnittstellen sind in der Rechnertechnik weit verbreitet. Industrienormen sorgen beispielsweise dafür, dass ein PC ein offenes System ist, das aus Komponenten verschiedener Hersteller zusammengesetzt werden kann. Diese Schnittstellen sind entweder Bussysteme oder Direktverbindungen.3

2 Verglichen und Zusammengefasst3 Zusammengefasst

Aufbau und Funktionsweise 4

2.3 Grafikspeicher

Die Größe des Grafikspeichers bestimmte die maximale Farbtiefe und Bildauflösung. Dabei ließ sich der benötigte Speicher für eine gewünschte Auflösung und Farbtiefe vom Anwender leicht errechnen, wenn beispielsweise die Auflösung 1600 × 1200 mit einer Farbtiefe von 24 Bit (True Color) erwünscht ist, berechnet man zunächst die Anzahl der Bildpunkte (Pixel) dieser Auflösung (1600 horizontal × 1200 vertikal = 1.920.000 Pixel insgesamt).4

Maßgeblich entscheidend für maximale Auflösung und Farbtiefe: Speicherbedarf = horizontale Auflösung * vertikale Auflösung * Farbtiefe (in Bit)

Auf ihm werden die Bildelemente in einzelne Bildpunkte zerlegt und gespeichert

Der Video-RAM-Speicher ist speziell für Grafikanwendungen konzipiert Der Video-RAM-Speicher verkürzt die Zugriffszeiten erheblich Der Video-RAM-Speicher dient zur Ablage von Pixel und Texturen

Abbildung 3: Grafikspeicher

4 Verglichen und Zusammengefasst

Aufbau und Funktionsweise 5

2.4 Grafikprozessor

Der Grafikprozessor (GPU) übernimmt die grafikrelevanten Berechnungen. Wie ein normaler Prozessor empfängt die GPU Informationen, verarbeitet diese und dann erfolg die Ausgabe der verarbeiteten Informationen. Die neueren Grafikprozessoren übernehmen auch die Verarbeitung von Texturen und Belichtung etc. und entlasten somit die CPU. Die Grafikprozessoren haben eine Taktfrequenz von bis zu 600 Mhz (Mega-Hertz), wobei die modernen Grafikprozessoren eine höhere Taktfrequenz erreichen (+1 Ghz). Dadurch wird eine schnelle Informationsverarbeitung ermöglicht.

Grafikprozessor-beschleunigte Berechnungen sorgen für unübertroffene Anwendungsleistung, indem rechenintensive Teile der Anwendung auf den Grafikprozessor ausgelagert werden, während der übrige Code wie immer auf der CPU läuft. Aus Sicht des Benutzers laufen die Anwendungen einfach deutlich schneller.5

Er übernimmt die Grafikrelevanten Berechnungen Es wird eine 2-Dimensionale und 3-Dimensionale Darstellung ermöglicht Neuere GPU's übernehmen auch die Verarbeitung von Texturen und

Belichtung etc. Durch grafikkarteneigene GPU wird eine Entlastung der CPU ermöglicht Programmierung direkt auf der GPU möglich Neuere GPU's haben Taktfrequenzen von bis zu 600 Mhz was eine

schnelle Informationsverarbeitung ermöglicht

2.5Kühlung

Aufgrund der hohen thermischen Verlustleistung durch die zunehmende Komplexität von Grafikprozessoren bzw. teilweise auch des Grafikspeichers sind ähnlich aufwendige Kühllösungen wie bei Prozessorkühlern notwendig. Grafikkarten verbrauchen mit einem Grafikprozessor (GeForce GTX 680) bis zu 195 Watt Leistung, die vollständig als Wärmeenergie abgeführt werden muss.

5 Verglichen

Abbildung 4: Grafikprozessor - Nvidia

Aufbau und Funktionsweise 6

2.5.1 Es existieren mehrere Kühlungslösungen

1. Aktive Luftkühlung: Das ist die einfachste und preiswerteste Variante, große Wärmemengen abzuführen, verursacht allerdings auch Störgeräusche.

2. Passive Luftkühlung: Zum Problem kann dabei führen, dass die Kühlkörper ein hohes Gewicht erreichen, was zu einer hohen mechanischen Belastung des Steckplatzes führt.

3. Wasserkühlung: Der Vorteil einer Wasserkühlung bei GPUs liegt darin, dass diese größer sind als CPUs und es zudem weniger thermische Hotspots im Chip gibt, also die große Menge Wärme gleichmäßiger abgegeben werden kann.6

2.6 Externe Signalausgänge

2.6.1 Die bekanntesten Signalausgänge:

6 Wikipedia 1

Abbildung 5: Aktive Luftkühlung

Abbildung 6: Passive Luftkühlung

Abbildung 7: Wasserkühlung

Aufbau und Funktionsweise 7

1. Display Port: DisplayPort ist ein relativ neuer Verbindungsstandard für Bild- und Tonsignale.  Im Jahre 2014 ist die Verbreitung bereits vorangeschritten. Im professionellen Umfeld, besonders bei Apple-Hardware, hat sich Display Port bereits etabliert.

2. DVI – Out: Der DVI-Ausgang liefert ein digitales Signal und damit die beste erreichbare Bildqualität an Bildschirmen mit DVI-Eingang. Die meisten heutigen Grafikkarten sind mit einem DVI-I-Anschluss ausgestattet und liefern damit zusätzlich ein analoges RGB-Bildsignal.

3. HDMI – Out: Seit 2007 werden auch Grafikkarten mit HDMI (High Definition Multimedia Interface)-Ausgang angeboten. Hier wird das Videosignal ebenfalls digital und gegebenenfalls mit HDCP verschlüsselt ausgegeben. Über HDMI können auch DVI-D-Signale übertragen werden, womit DVI-Geräte kompatibel zu HDMI sind.

4. LFH60: Low Force Helix 60 (LFH60) ist ein 60-poliger Steckverbinder. Die Kontakte sind in vier Reihen zu 15 Pins angeordnet. LFH60 wird in der Netzwerktechnik und PC-Technik eingesetzt.7

7 Wikipedia 2

Abbildung 8: Display Port

Abbildung 9: DVI - Out

Abbildung 10: HDMI - Out

Abbildung 11: LFH60

Grafikkartentypen 8

3 Grafikkartentypen

3.1 Businessgrafikkarten

Das sind vollwertige Grafikkarten, bei denen wenig Augenmerk auf die 3D-Funktionen gelegt wird, sondern die vor allem ein scharfes und kontrastreiches Bild liefern sollen. Es gibt auch Varianten mit 3D-Zusatzfunktionen, vor allem für CAD -Anwendungen.

3.2 Spielgrafikkarten

Diese Grafikkarten gibt es in verschiedenen Preisklassen von rund 25€ bis zu 3000 €, wobei die teuren Karten das technisch Machbare im Bereich 3D-Darstellung widerspiegeln. Bei Spielkarten konkurrieren hauptsächlich AMD (AMD-Radeon-Serie) und Nvidia (Geforce-Reihe) miteinander, deren Chips von einer Vielzahl von Herstellern auf deren Grafikkarten verwendet werden.

3.3 Softwareprobleme mit Grafikkarten

Da viele Grafikkarten heutzutage das flüssige Anschauen von Videos mittels des Rechners durch Hardwarebeschleunigung erlauben und ebenfalls viele Grafikkarten einen TV-Out-Anschluss haben, ist es naheliegend, den Rechner an einen Fernseher oder einen Videorekorder anzuschließen. Jedoch unterbinden es einige Hersteller durch den Grafikkartentreiber oder die Grafikkarte selbst, beide Fähigkeiten miteinander zu verbinden.

Abbildung 12: Businessgrafikkarten

Abbildung 13: Spielgrafikkarten

Hersteller 9

4 Hersteller

4.1 Die 2 größten Hersteller von Grafikkarten

4.1.1 ATI

Die Firma ATI Technologies mit Hauptsitz in Markham, Ontario/Kanada wurde 1985 gegründet. Das Hauptgeschäftsfeld ist die Herstellung von Grafikprozessoren. Diese werden für verschiedene PC-Architekturen wie auch Fernsehgeräte, Handys und andere hergestellt.Weitere Vertretungen von ATI befinden sich in Barbados, Frankreich, Deutschland, Hong Kong, Irland, Japan, Malaysia, Großbritannien und den USA. Die Firma beschäftigt inzwischen etwa 1900 Mitarbeiter und erwirtschaftet einen Umsatz von ca. 1,3 Milliarde US-$8

4.1.2 Nvidea

Die NVIDIA Corporation ist einer der größten Hersteller von Grafikprozessoren, Grafikkarten und Peripheriegeräten für PCs und Xbox. Der Hauptsitz liegt in Santa Clara, Kalifornien. Der Umsatz stieg von 735 Millionen US-Dollar im Jahr 2000, auf 1,37 Milliarden US-Dollar in 2001.

Das Unternehmen wurde im Januar 1993 gegründet. Die Marke Nvidia war bis 1997/98 relativ unbekannt, bis die Serie der RIVA PC-Grafikkarten herausgebracht wurde. Nvidia wurde als Zulieferer für die Grafikausrüstung von Microsofts Xbox ausgewählt. Im Februar 2002 waren bereits über 100 Millionen Grafikkarten ausgeliefert worden; Nvidia beschäftigt weltweit ca. 1300 Mitarbeiter (Stand 2003).9

8 Zusammenfassung9 Zusammenfassung

Abbildung 14: ATI Logo

Abbildung 15: ATI-Grafikkarte

Abbildung 16: NVIDIA-LogoAbbildung 17: NVIDIA-Grafikkarte

Quelle 10

5 Quelle

5.1 Texte:

Wikipedia 1: https://de.wikipedia.org/wiki/Grafikkarte

Wikipedia 2: https://de.wikipedia.org/wiki/Grafikkarte

5.1.1 Abbildungen:

Abbildung 1: https://en.wikipedia.org/wiki/3dfx_Interactive

Abbildung 2: http://www.gpureview.com/GeForce-FX-5900-Ultra-card-161.html

Abbildung 3:http://www.tomshardware.de/hp-pavilion-dv8075-amd-notebook-mit-17-zoll,testberichte-1339-33.html

Abbildung 4: http://www.nvidia.de/object/geforce_9400m_g_mgpu_de.html

Abbildung 5: http://www.wartower.de/forum/showthread.php?t=423631

Abbildung 6: http://ht4u.net/news/21154_erste_passiv_gekuehlte_radeon_hd_5750_von_powercolor_angekuendigt/

Abbildung 7: http://ht4u.net/news/25508_hybrid-wasserkuehlung_fuer_grafikkarten_von_arctic/

Abbildung 8: http://www.allround-pc.com/artikel/wissen/2014/wissen-dvi-hdmi-und-displayport

Abbildung 9: http://www.makeuseof.com/tag/video-cables-explained-difference-vga-dvi-hdmi-ports/

Abbildung 10: https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?f=91&t=83446

Abbildung 11:http://compeve.com/index.php?main_page=product_info&products_id=117

Abbildung 12: http://www.makeuseof.com/tag/video-cables-explained-difference-vga-dvi-hdmi-ports/

Abbildung 13: http://techreport.com/review/27969/nvidia-geforce-gtx-titan-x-graphics-card-reviewed

Abbildung 14: http://www.ilbe.com/2915620852

Abbildung 15: http://www.computerbild.de/artikel/cb-News-PC-ATI-Radeon-HD-4850-X2-HD-4870-X2-3228511.html

Abbildung 16: http://www.loadthegame.com/2014/10/04/nvidia-gtx-960-performance-specs-analysis/nvidia-geforce-gtx-logo/

Abbildung 17: http://www.geforce.com/whats-new/articles/announcing-the-geforce-gtx-titan-z