Die Grafikkarte, auch GPU (Graphics Processing Unit) genannt, ist eine Erweiterungseinheit im Computer, welche die Grafikausgabe durchführt. Dabei werden vom Prozessor die Daten berechnet, welche von der Grafikkarte umgewandelt und an angeschlossene Monitore ausgegeben wird. Die Grafikkarte ist vor allem bei Spielen ein wichtiger Bestandteil und sollte auf den Prozessor abgestimmt sein. Eine Grafikkarte ist für die meisten Prozessoren nicht zwingend notwendig, da Intels i-CPUs auch eine Grafikeinheit eingebaut haben. AMD benötigt für seine Ryzen-CPUs jedoch zwingend eine Grafikkarte. Erst AMDs Raven Ridge-Plattform wird auch integrierte Grafikeinheiten besitzen. Intel’s X99-Plattform und XEON-Prozessoren besitzen ebenfalls keine eigene Grafikeinheit.

Asus Strix GTX 1080 TI (Bild: Asus)

Aufbau

Grafikprozessor

Das Kernstück der Grafikkarte ist der Grafikprozessor. Er besteht, wie der Prozessor, aus vielen Transistoren, welche die Berechnungen durchführen. Im Gegensatz zum Prozessor werden dafür aber deutlich mehr Kerne verwendet, um die aufwändigen Berechnungen zu ermöglichen. Dadurch sind die Grafikkarten meist schneller als der Prozessor, welchen sie entlasten.

Ein Grafikprozessor besteht aus verschiedenen Komponenten. Die wichtigsten davon sind die Shadereinheiten. Sie berechnen 3D-Elemente, einerseits die Farbe mit Fragment-Shadern, andererseits geometrische Formen (Dreiecke) mit Vertex-Shadern. Anschließend zerteilen Tesselationsshader die Primitive (Dreiecke) erneut, Geometryshader können, wenn vorhanden, weitere Elemente hinzufügen. Danach wird die Szene rasterisiert und vom Pixel-Shader und den TMUs (Texture Mapping Unit) mit Texturen versehen und interpoliert. Im ROP (Raster Operation Processor) werden die Daten noch einmal gerastert und ausgegeben.

Grundsätzlich werden diese Berechnungen immer Parallel vorgenommen, was bedeutet, dass mehr Shader, TMUs und ROPs eine schnellere Verarbeitung und daher eine höhere Framerate bedeutet.

Asus Strix GTX 1080 TI ohne Kühler. Der Grafikprozessor in der Mitte ist gut zu sehen. Rundherum sind die Speicherbausteine angeordnet. (Bild: Asus)

VRAM

Video Random Access Memory (VRAM ) ist der Arbeitsspeicher einer Grafikkarte. Auf ihm werden Frames und andere Berechnungsdaten zwischengespeichert. Bei aktuellen Desktop-Grafikkarten gibt es meist mindestens 2GB VRAM. Mittlerweile sind aber 6 und 8 GB VRAM deutlich gebräuchlicher, da detailreiche Spiele besonders viel Speicher benötigen. Topmodelle von Nvidia wie die 1080ti oder Titan X haben auch 11 bzw. 12 GB VRAM. Bei Workstationgrafikkarten gibt es nach oben hin selten Grenzen. So sind an die Chips der Nvidia Quadro M6000 24GB GDDR5X-VRAM angebunden.

PCIe-Anschluss

Mit dem Mainboard ist die Grafikkarte über einen PCIe 3.0 x16-Slot verbunden.  Vom Prozessor führen meist 16 PCIe 3.0-Lanes direkt zur Grafikkarte, um die schnellstmögliche Kommunikation zu ermöglichen. Bei Multi-GPU-Konfigurationen kann es vorkommen, dass diese 16 PCIe 3.0-Lanes auf 8 Lanes für zwei Grafikkarten aufgeteilt werden muss, wenn nicht mehr Lanes zur Verfügung stehen. Intels X99-Plattform kann bis zu 40 Lanes bereitstellen, weshalb hier entweder zwei Grafikkarten mit 16 PCIe 3.0-Lanes oder drei bzw. vier mit je 8 Lanes angebunden werden können. Die Mainstream-Plattform von Intel (Kabylake) und AMD (Ryzen) stellen jedoch nur insgesamt 24 Lanes zur Verfügung, weshalb nur maximal zwei Grafikkarten mit je 8 Lanes angebunden werden können, da vier Lanes für den M.2-Slot reserviert sind.

Stromversorgung

Die Stromversorgung der Grafikkarten kann über zweierlei Wege erfolgen. Einerseits liefert der PCIe-Port selbst bis zu 75 Watt, weshalb kleine Grafikkarten wie die AMD RX 460 oder Nvidia GTX 1050 ohne zusätzliche Stromversorgung auskommen. Wird mehr Strom benötigt, verbauen die Hersteller weitere Anschlüsse, welche sich meist am oberen oder hinteren Ende der Platine befinden. Dabei können bis zu drei 8Pin-Stecker verbaut werden, welche je 100 Watt zusätzlich zur Verfügung stellen. Die Grafikkarten werden dadurch zusätzlich vom Netzteil gespeist.

Zwei 8Pin-Stromanschlüsse einer Asus Strix GTX 1080 TI. Unten zu sehen sind die Anschlüsse für die Lüfter, welche auf der Grafikkarte sitzen. (Bild: Asus)

Luftkühlung

Wie beim Prozessor erzeugen auch der Grafikprozessor und die Speicherchips der Grafikkarte Wärme. Um diese Wärme gut abzuführen, verbauen die Hersteller Kühllösungen. Diese sitzen direkt auf der Platine und machen den eigentlichen Korpus der Grafikkarte aus. Auf dem Grafikprozessor sitzt eine Heatplate, welche über Heatpipes mit einem großen Lamellenkühler verbunden ist. Darauf wiederum sitzen Lüfter, welche die Lamellen kühlen. Dabei unterscheidet man zwischen Radial- und Axiallüftern. Radiallüfter schaufeln die Luft von vorne nach hinten durch den Kühlkörper durch die Slotblende hinaus aus dem Gehäuse.

Axiallüfter hingegen drücken die Kühle Luft von unten auf den Kühlkörper, wodurch die warme Luft im Gehäuse bleibt. Vorteil des Radiallüfters ist, dass die Luft direkt aus dem Gehäuse entweicht. Da aber nur ein Radiallüfter pro Karte verbaut werden kann, muss dieser häufig sehr schnell drehen, wodurch die Lautstärke steigt. Hier liegt der Vorteil der Axiallüfter: je nach Konfiguration kühlen hier drei Lüfter gleichzeitig den Kühlkörper, was sie deutlich leiser macht. Zum Schutz der Elektronik sind auf der Rückseite der Platine bei teuren Modellen oft auch Backplates verbaut. Diese können ebenfalls zur Kühlung beitragen.

Aufbau einer Asus Strix GTX 1080 TI. (Bild: Asus)

Diese Luftkühllösungen sind allesamt mit einer gewissen Höhe der Grafikkarten verbunden. Die meisten Grafikkarten setzen daher auf zwei PCIe-Blendenslots. Die hier gezeigte Asus Strix GTX 1080Ti ist 2,5 Slots hoch. Manche Kühllösungen sind sogar 3 Slots hoch. Durch diese Kühler steigt auch die Länge der Grafikkarten, was besonders in kompakten Towern zum Problem werden kann. Außerdem ist dadurch nicht immer eine SLI- oder Crossfire-Konfiguration möglich.

Wasserkühlung

Ein anderer Ansatz der Kühlung ist der Hybridkühler. AMD hat in der Radeon 295X2 erstmals eine Lösung verbaut, welche zu einem Axiallüfter auch eine integrierte AiO-Wasserkühlung beherbergt und die Karte dadurch besser kühlen soll. Der Nachfolger, die Radeon Pro Duo, wird nur mehr per AiO gekühlt. Solche Kühllösungen lassen sich auch nachrüsten. Hersteller wie Corsair, NZXT oder Alphacool bieten entsprechende Produkte an.

Im Generellen wird bei Grafikkarten ab einer gewissen Systemgröße gerne auf eine Wasserkühlung gesetzt. Diese verbindet Radiatoren intern oder extern im Gehäuse mit Kühlern, welche direkt auf die Grafikkarte und den Prozessor geschraubt sind.

Monitoranschlüsse

Das, was von der Grafikkarte außerhalb des PCs sichtbar ist, sind die Monitoranschlüsse. Diese sind auf dem Slotblech montiert und bilden den Übergang von der Grafikkarte zum Bildschirm. Bei aktuellen Grafikkarten sind oft bis zu drei Anschlüsse verbaut, welche unterschiedliche Typen aufweisen und verschiedene Zwecke erfüllen. So sind die meisten Computerbildschirme per Displayport angeschlossen, während Fernseher nur HDMI-Ports verbaut haben. Je stärker die Grafikkarte, umso mehr Anschlüsse sind auch verbaut und umso höher ist die unterstützte Auflösung. Derzeitiger Standard sind Displayport 1.4, HDMI 2.0 und oftmals auch noch ein DVI-Port für ältere Bildschirme.

 

Features und Zusatz


SLI und Crossfire

Besonders bei leistungsstärkeren Computern wird gerne auf einen Verbund aus zwei oder mehr Grafikkarten gesetzt. Dafür haben AMD und Nvidia eigene Techniken entwickelt, die die Kommunikation unter den Grafikkarten ermöglicht. Nvidia nennt seine Technologie SLI (Scalable Link Interface). Für SLI wird eine zusätzliche Verbindung zwischen den Grafikkarten benötigt, die sogenannte SLI-Bridge. Zusätzlich muss das Mainboard SLI auch unterstützen, was meistens erst ab dem Z-Chipsatz bei Intel und dem X-Chipsatz bei AMD möglich ist. Durch die Brücke und die Anbindung über PCIe wird die Grafikberechnung auf beide Grafikkarten aufgeteilt. Das gleiche Prinzip beherrscht AMDs Crossfire-Technologie. Der Hauptunterschied dabei ist jedoch, dass AMD ohne Brücke auskommt und der Austausch nur über PCIe stattfindet.

VSync, GSync und Freesync

VSync (Vertikale Synchronisation) ist eine Technologie, welche zur Verminderung von Bildartefakten (sogenannten Glitches) entwickelt wurde. Dabei wird bei Grafikkarten verhindert, dass die Bilddaten aktualisiert werden, während der Bildschirm das Bild noch aufbaut. Dadurch entsteht beim Spielen ein gleichmäßiges Bild. Problematisch wird das ganze allerdings, wenn der Bildschirm mit einer höheren Frequenz arbeitet, als die Grafikkarte ausgibt, beispielsweise mit 60 Hz, während die Grafikkarte aber nur 50 Frames (Bilder) liefert. Dadurch können Mikroruckler entstehen, welche den Bildschirm für den Bruchteil einer Sekunde einfrieren lassen. Zudem wird die Latenz erhöht.

Um diesem Problem Herr zu werden, hat Nvidia die GSync-Technologie entwickelt, mit der, sofern der Monitor die Technologie unterstützt, diese Mikroruckler nicht mehr vorkommen. Dafür wird die Ausgabe des Bildschirms mit der Ausgabe der Grafikkarte dynamisch synchronisiert.

AMD hat parallel dazu ebenfalls eine Lösung für dieses Problem entwickelt. Diese nennt sich Freesync und ist passend zum Namen frei verfügbar. Die Technologie ist dabei ähnlich der GSync-Technologie.

Um beim Monitorkauf eine entsprechende Technologie zu nutzen, ist es wichtig, dass Grafikkarte und Technologie übereinstimmen. So können AMD-Grafikkarten kein GSync, umgekehrt können Nvidia-Grafikkarten auch kein Freesync.

Silent- und Stromsparmodi

Manche Grafikkarten bieten neben dem normalen Grafikkarten-BIOS auch eine zweites BIOS. Dieses kann meist mittels Schiebeschalter direkt an der Grafikkarte umgestellt werden. Dadurch werden beispielsweise ein besonders stromsparender oder leiser Betrieb ermöglicht. Jedoch kann durch das Umstellen auch die Performance beeinträchtigt werden.

 

Welche Grafikkarte ist die richtige für mich?

Um nun die passende Grafikkarte für den jeweiligen Einsatzzweck zu finden, sollte man ein paar Überlegungen anstellen.

  • Wofür wird die Grafikkarte verwendet? (z.B. Gaming, Rendering, Videoschnitt etc.)
  • Welche Spiele oder Programme werden die Karte beanspruchen?
  • Welche Bildschirme sollen verwendet werden?
  • In welcher Auflösung wird gespielt/gearbeitet?
  • Sind GSync oder Freesync wichtig?
  • Ist ein SLI- oder Crossfirebetrieb geplant?

Hersteller

Wie auch bei Mainboards wird bei Grafikkarten auf Dritthersteller zurückgegriffen. So produzieren über 20 Partnerhersteller Grafikkarten für Nvidia und AMD. Es werden die Grafikchips und der Speicher von Nvidia bzw. AMD gekauft und mit eigenen Platinen und eigene Kühllösungen ergänzt. Dabei bleibt auch viel Spielraum für Overclocking und Funktionen wie LED-Beleuchtung.

Als Haupthersteller für Nvidia hat sich in den letzten Jahren Asus hervorgetan. Besonders die Strix-Grafikkarten sind im Bezug auf Kühlung, Aussehen und Funktionen äußerst empfehlenswert, haben aber auch ihren Preis. MSI mit der Gaming X-Serie und Gigabyte folgen dicht dahinter. Weitere Hersteller sind Zotac, KFA², Palit, PNY, Inno3D, Gainward und EVGA. Besonders KFA² und Gainward haben sich dabei als Preistipp entpuppt und bieten gute Kühlung für kleines Geld. Auch Asus oder MSI bieten Einstiegskarten mit günstigeren Kühllösungen oder Radiallüftern an.

Auch bei AMD sind die Haupthersteller Asus, MSI und Gigabyte. Ein weiterer großer Hersteller ist noch Sapphire, welcher mit seiner Nitro-Serie durchgehend die besten Kühllösungen für AMD-GPUs bietet. Weitere Hersteller sind XFX, HIS, PowerColor und Club3D. Asus und MSI bieten die gleiche Kühlung wie bei Nvidia-Karten an, auch hier sind kleinere Versionen verfügbar.

Founders Editon und Referenzkarten

Beim Verkaufsbeginn einer neuen Grafikkartenserie stehen bei Nvidia und AMD genau gleich aussehende Grafikkarten bereit, welche auch Referenzkarten genannt werden. Nvidia nennt diese Versionen Founders Edition. Sie haben herstellerunabhängig den gleichen Kühler, welcher direkt von AMD und Nvidia kommt und immer ein Radiallüfter ist. Zusätzlich gibt es auch Vorgaben bei der Grafikprozessorgeschwindigkeit und dem Power-Layout. So wurde beispielsweise für die RX 480 beim Launch nur ein 6Pin-Stromanschluss vorgesehen, welcher deutlich zu wenig war.

Diese Taktik ermöglicht, dass Anfangs alle Karten herstellerunabhängig zu einem niedrigen Preis verfügbar sind, welcher oft vorgeschrieben ist. Der Nachteil besteht dabei aber in der Kühlung, welche durch die Radiallüfter oft lauter ist als die Axiallüfter von andren Versionen. Daher sollte man sich gut überlegen, eine Referenzkarte zu kaufen.

XFX RX 480-Grafikkarte im Referenzdesign mit Radiallüfter. (Bild: XFX)

AMD’s Rebrands

AMD neigt auch in der aktuellen RX-Generation dazu, seine Karten zu Rebranden. Dabei wird die gleiche Chip-Architektur für eine neue Generation an Karten verwendet, es werden neue Modelle herausgebracht und meist ein anderes BIOS aufgespielt. Dadurch wirken die Karten wie neu – sind sie aber nur bedingt. Gute Beispiele sind die Radeon HD 7970, deren Chiparchitektur auch in der R9 280 und R9 380 verwendet wurden. In der aktuellen Generation ist die Polaris-Architektur der RX 480, RX 470 und RX 460 in den Nachfolgern RX 580, RX 570 und RX 560 verbaut. Die kleinen Versionen RX 550 und RX 560 haben neue Chips mit mehr Shadern, TMUs und ROPs erhalten. Die RX 570 und RX 580 erhalten ein deutlich schmaleres Upgrade und bleiben bei den bekannten Zahlen, können jedoch mit höherem Powerdesign, mehr Takt und besserem Speicher an Leistung zulegen.

Einsteiger

Für Einsteiger eignen sich vor allem Karten der Einstiegsserien von Nvidia und AMD. Nvidia bietet hier die Grafikkarten GTX 1050 und GTX 1050ti mit zwei und vier GB VRAM an. Konkurrent AMD stellt die RX 560 und RX 570 dagegen, wobei letztere schneller als die 1050 und 1050ti ist. Durch das Upgrade von Generation 4 auf 5 bei den AMD-Karten ist die RX 560 nun auch zu 1050 und 1050ti deutlich konkurrenzfähiger. Seit April ist zudem die RX 550 erhältlich, welche vor allem für sehr kompakte Rechner und HTPCs interessant ist. Die AMD-Karten sind ebenfalls mit zwei und vier GB VRAM verfügbar. In dieser Kategorie wird hauptsächlich auf Full-HD-Auflösung gespielt. Für E-Sport-Spiele wie League of Legends oder Dota 2 sind alle Grafikkarten sehr gut geeignet. Auch Battlefield 1, CS:GO und andere Shooter lassen sich mit mittlerer Detailstufe problemlos auf 60 FPS spielen.

 RX 550GTX 1050RX 560GTX 1050 TIRX 570
ChipLexa XTGP107-300-A1Baffin XTGP107-400-A1Ellesmere XL
Shader-Einheiten51264010247682.048
TMUs32406448128
ROPs1632163232
Basistakt1.100 MHz1.354 MHz1.175 MHz1.290 MHz1.168 MHz
Boosttakt1.183 MHz1.455 MHz1.275 MHz1.392 MHz1.244 MHz
SP-GFLOPs1.2002.0002.6002.6055.100
Speichermengen2 oder 4GB GDDR52 oder 4GB GDDR52 oder 4GB GDDR52 oder 4GB GDDR54 oder 8 GB GDDR5
Speicherinterface128 Bit128 Bit128 Bit128 Bit256 Bit
Speicherbandbreite112 GB/s112 GB/s112 GB/s112 GB/s224 GB/s
Leistungsaufnahme50W75W80W75W150 Watt
Preisab ca. 85€ab ca. 145€ab ca. 120€ab ca. 120€ab ca. 190€

 

Mittelklasse

In der Mittelklasse herrscht derzeit ein gewisses Ungleichgewicht. Nvidia ist hier mit Modellen der GTX 1060 und GTX 1070 präsent, während AMD nur mit der RX 580 aufwarten kann. Diese ist ungefähr vergleichbar mit der GTX 1060. Ein großer Vorteil, welchen AMD hier aber hat, ist der Videospeicher. So verbaut AMD in der RX 580 4GB und 8GB, welche deutlich zeitgemäßer als 3GB und 6GB in der GTX 1060 sind. Außerdem ist der Speicher bei der 1060 in der 3GB-Version nicht der gleiche wie beim 6GB-Modell, welcher deutlich schneller ist.

Die GTX 1070 stellt hingegen aktuell das Zugpferd in der oberen Mittelklasse dar. Mit ihr lassen sich die meisten Spiele mit sehr hohen Detailstufen auch auf einer QHD-Auflösung (2560×1440) spielen. Bei mehreren Monitoren werden allerdings deutlich die Grenzen aufgezeigt. Der kleine Bruder, die GTX 1060, ist hier langsamer, ermöglicht aber auf Full HD auch detailreiche Spiele mit sehr hohen Details und mehr als 60 FPS. Auch die Radeon RX 580 erreicht die Leistung der 1070 nicht, konkurriert aber direkt mit der 1060.

 RX 570GTX 1060RX 580GTX 1070
ChipEllesmere XLGP106-400-A1Ellesmere XTXGP104-200-A1
Shader-Einheiten2.0481.152 (3GB) 1.280 (6GB)2.3041.920
TMUs12872 (3GB) 80 (6GB144120
ROPs32483264
Basistakt1.168 MHz1.506 MHz1.257 MHz1.506 Mhz
Boosttakt1.244 MHz1.708 MHz1.340 MHz1.683 MHz
SP-GFLOPs5.1004.372 (6GB)6.200 (8GB)6.463
Speichermengen4 oder 8 GB GDDR53 oder 6 GB GDDR54 oder 8 GB GDDR58 GB GDDR5
Speicherinterface256 Bit192 Bit256 Bit256 Bit
Speicherbandbreite224 GB/s192 GB/s256 GB/s256 GB/s
Leistungsaufnahme150 Watt120 Watt185 Watt150 Watt
Preisab ca. 190€ab ca. 205€ab ca. 200€ab ca. 400€

 

Highend

Im Highendsegment spielt bis zum Erscheinen von Vega nur Nvidia eine wirkliche Rolle. Die aktuellen Topmodelle von Nvidia sind die GTX 1080, GTX 1080 TI und Titan X (Pascal). Die Titan X wurde bereits 2016 vorgestellt, weshalb sich aktuell ein Kuriosum zuträgt: Die im März 2017 erschienene GTX 1080 TI ist deutlich schneller als die aktuelle Titan X. Um diesen Missstand wieder zu lösen, hat Nvidia im April 2017 die Titan XP herausgebracht, welche nun wieder schneller als die 1080 TI ist. Mit der 1080 TI lässt sich in Kombination mit einem Intel Core i7 7700K ein aktuell sehr starker Single-GPU-Rechner für ca. 2000€ bauen.

Für Gaming bis 4K auf einem Bildschirm reicht die GTX 1080 problemlos. Allerdings kann es durchaus vorkommen, dass bei sehr hohen Detailstufen die FPS-Leistung unter 60 fällt. Abhilfe schafft in diesem Fall ein SLI-Gespann oder eine 1080 TI. Aus aktueller Sicht ist die Titan X nicht mehr zu empfehlen, da die 1080 TI schneller und günstiger ist. Wer dennoch das schnellste Pferd im Stall will, kann zur Titan XP greifen.

 GTX 1070GTX 1080Titan X (Pascal)GTX 1080 TITitan XP
ChipGP104-200-A1GP104-400-A1GP102-400-A1GP102-350-K1-A1GP102-450-A1
Shader-Einheiten1.9202.56035843.5843.840
TMUs120160224224240
ROPs6464968896
Basistakt1.506 Mhz1.607 MHz1.417 MHz1.480 MHz14.80 MHz
Boosttakt1.683 MHz1.733 MHz1.531 MHz1.582 MHz1.582 MHz
SP-GFLOPs6.4638.87310.97411.34012.150
Speichermengen8 GB GDDR58 GB GDDR5X12 GB GDDR5X11 GB GDDR5X12 GB GDDR5X
Speicherinterface256 Bit256 Bit384 Bit352 Bit384 Bit
Speicherbandbreite256 GB/s320 GB/s480 GB/s484 GB/s584 GB/s
Leistungsaufnahme150 Watt180 Watt250 Watt250 Watt250 Watt
Preisab ca. 400€ab ca. 500€1.359€ab ca. 815€1.349€

 

Grafik-Workstations

Grundsätzlich ist es problemlos möglich, gerade im unteren Preissektor Gaming-Grafikkarten für aufwändige Grafikverarbeitung zu verwenden. Je weiter die Anforderungen jedoch steigen, umso wahrscheinlicher wird der Einsatz einer Workstation-Grafikkarte. Diese Grafikkarten sind besonders dafür geeignet, Renderings und 3D-Berechnungen durchzuführen, unterscheiden sich aber von Gaming-Grafikkarten nur im Treiber und der Unterstützung mancher Programme. Ein weiterer Unterschied ist die Kühlung, welche ausschließlich mit dem Referenzdesign von Nvidia oder AMD ausgeführt wird.

Nvidia bietet in dieser Riege die Quadro-Modelle. Sie unterscheiden sich vor allem in den Anschlüssen und der Displayunterstützung. So wird nur mehr Displayport verbaut, manchmal auch noch DVI. Die Displayports unterstützen in den aktuellen Grafikkarten allesamt mindestens 4K, wenn nicht 5K mit allen angeschlossenen Bildschirmen.

AMDs Pendant sind die FirePro– und Radeon Pro-Grafikkarten. Die Radeon Pro-Grafikkarten ersetzen hierbei mit der neuen Chip-Generation Polaris die FirePro-Karten. Diese weisen ein ähnliches Muster wie die Quadro-Grafikkarten auf. Auch hier wird ausschließlich auf Displayport als Anschluss gesetzt. Die FirePro-Karten wurden auch von Drittherstellern gebaut, während die neue Generation derzeit nur von AMD direkt angeboten wird und mit drei Ausbaustufen noch lange nicht ihr Ende erreicht hat.