Grafikkarte

Eine Grafikkarte steuert in einem Personal-Computer die Bildschirmanzeige. Grafikkarten werden entweder als PC-Erweiterungskarten (über die Bussysteme ISA, VLB, PCI, AGP oder über PCI-Express) mit der Hauptplatine verbunden oder sie sind im Chipsatz auf der Hauptplatine vorhanden.

Grafikspeicher

Der Grafikspeicher dient zur Ablage der im Grafikprozessor (GPU) verarbeiteten Daten. Dies sind digitale Bilder, die später auf dem Computer-Bildschirm ausgegeben werden. Die Größe des Grafikspeichers bestimmt die maximale Farbtiefe und Bildauflösung. Beim Rendern dreidimensionaler Grafiken werden hier außerdem die Daten der Objekte, beispielsweise Größe, Form und Position, sowie die Texturen, die auf die Oberfläche der Objekte gelegt werden, gespeichert. Besonders die immer höher auflösenden Texturen haben für einen starken Anstieg der Speichergröße bei aktuellen Grafikkarten gesorgt. So besitzen aktuelle Grafikkarten meist 128 oder 256 MByte Grafikspeicher, inzwischen gibt es aber schon Grafikkarten mit bis zu 1024 MByte Grafikspeicher.

Geschichte

Das Grafikkarten-Prinzip wurde in Serienprodukten zum ersten Mal beim Mikrocomputer Apple II verwendet, dessen auf der Hauptplatine integrierten Grafikfähigkeiten durch zusätzlich zu erwerbende Steckkarten verbessert werden konnten. ("PAL-Farbkarte", "80-Zeichen-Karte").

Der erste IBM PC kam 1981 mit einer Karte auf den Markt, die lediglich die einfarbige Darstellung von Text ermöglichte (MDA = Monochrome Display Adapter). Die Firma Hercules erkannte die Lücke und bot schon 1982 eine sehr viel bessere Karte an, die Hercules Graphics Card. OTI037C.jpg]] Matrox_G400max.jpg | Pny_6600GT.jpg 9 - PNY Geforce 6600GT]] Geforce7800gt.jpg | Grafikkarte-ATI-Rage-16-MB 1-1600x1200.jpg Bis 1989 setzten sich die Farb-Grafikkartentypen als Standard durch, die IBM neu auf den Markt brachte:

1981 die CGA-Karte (populär ab 1984)
1984 die EGA-Karte
1989 mit den sogenannten PS/2-Modellen die MCGA- und VGA-Karte

Ab diesem Zeitpunkt verlor IBM die Standardisierungsmacht. Das ist der Hintergrund, warum auch heute noch der VGA-Modus (640 × 480 Punkte in 16 Farben) der "Notfall-Modus" bei allen PCs ist, denn nur bis zu diesem Modus kann die Hardware aller heutigen PC-Grafikkarten von der Software auf einheitliche Weise angesprochen werden.

VGA war allerdings nicht der letzte Grafikkartenstandard. Die "Video Electronics Standards Association" VESA stellte einen Standard für Videomodi bis zu einer Auflösung von 1280 × 960 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, z.B. XGA: 1024 × 768 Punkte.

Bis etwa 1990 beschränkten sich die Grafikkarten darauf, das Video-RAM in Ausgangssignale für den Monitor umzuwandeln. Der Programmierer konnte im Wesentlichen nur den Textmodus nutzen sowie im Grafikmodus einzelne Pixel auf eine bestimmte Farbe setzen. Dies war die erste Generation der Grafikkarten. Es folgten zwei weitere:

Die Windows-Beschleuniger
Die 3D-Beschleuniger

Ab 1990 entwickelten sich die Grafikkarten zu eigenständigen kleinen Computern mit eigener CPU, einem so genannten Blitter, bei denen man nicht nur einzelne Pixel setzen konnte, sondern denen man Befehle zum Zeichnen von Linien und Füllen von Flächen schicken konnte (Windows-Beschleuniger). Diese Funktionen wurden anfänglich meist nur vom Windows-Betriebssystem genutzt, daher der Name.

Nachdem mit Doom der große Boom der 3D-Spiele Mitte der 90er-Jahre begonnen hatte, kam bald von 3dfx der erste brauchbare 3D-Beschleuniger, der so genannte Voodoo Graphics Chipsatz. Einem 3D-Beschleuniger kann ein Programm in einem dreidimensionalen Raum die geometrischen Figuren in Form von Polygonen und die Texturen angeben, mit denen die Flächen der Polygone gefüllt werden sollen (Rendern). Diese recht simple, aber rechenintensive Aufgabe hatte in den frühen 3D-Spielen noch die CPU übernehmen müssen; nun konnte sie an die Grafikkarte delegiert werden, was zu einer massiven Leistungssteigerung von 3D-Spielen führte (bessere Bildauflösung, wesentlich realistischere Bilder).

Modelle

Grundsätzlich kann man vier Typen von Grafiklösungen unterscheiden:

Onboard-Lösungen

Bei diesen IGP genannten Lösungen wurde die Funktionalität der Grafikkarte in den Chipsatz der Hauptplatine integriert. Diese IGPs bieten alle 2D-Funktionen, aber meistens nur langsame oder veraltete 3D-Funktionalität. Diese Lösungen sind vor allem für LowCost- und Büro-PCs interessant. Anbieter von IGPs:

Business-Lösungen

Dies sind vollwertige Grafikkarten, bei denen wenig Augenmerk auf die 3D-Funktionen gelegt wird, sondern die vor allem ein scharfes und kontrastreiches Bild liefern sollen. Außerdem gibt es Karten mit 2D-Zusatzfunktionen. Hier ist vor allem Matrox als Anbieter erwähnenswert.

Spielegrafikkarten

Diese Grafikkarten gibt es in allen Preislagen. Die teuren Karten spiegeln das technisch Machbare im Bereich 3D-Darstellung wieder. Bei Spielekarten konkurrieren hauptsächlich ATI und NVidia miteinander, deren Chips von einer Vielzahl von Herstellern auf deren Grafikkarten verwendet werden. Daneben gibt es noch Anbieter wie S3 Graphics und XGI Technology, die aber nur eine untergeordnete Rolle spielen und meist in Office-PCs Verwendung finden.

Professionelle Lösungen

Dies sind vor allem Grafikkarten für CAD-Anwendungen. Die 3D-Rendergeschwindigkeiten dieser Karten liegen weit über denen aller anderer Grafikkarten. Nachdem der letzte Spezialchip-Anbieter 3DLabs das Geschäft 2006 eingestellt hat, bieten nur noch ATI und nVidia Lösungen für das OpenGL-Workstation-Segment an. Die beiden Firmen nutzen dabei Derivate ihrer Spielegrafikkarten-Chips. Diese werden dann mit einem modifizierten BIOS und Treiber auf OpenGL und nicht mehr auf DirectX optimiert. Obwohl sich die Hardware zwischen Spiele-3D-Chips und OpenGL-Chips nur minimal unterscheidet, kosten Profi-Karten erheblich mehr. Grund dafür ist der umfangreiche Support, den Workstation-Kunden geboten werden muss. Die Produktlinien lauten "FireGL" bei ATi und "Quadro FX" bei NVIDIA.

Sonstiges

Außer den oben beschriebenen DirectX Grafikkarten gibt es spezielle Karten, die nur OpenGL unterstützen. Diese Karten werden im Animationsbereich häufig eingesetzt und sind heutzutage für Spieler völlig uninteressant, da die meisten PC-Spiele nur noch DirectX unterstützen (anders jedoch auf der Macintosh-Plattform). Standardmäßig beherrscht jede heutige DirectX Grafikkarte auch OpenGL, umgekehrt ist dies jedoch nicht der Fall.

Signalausgänge

TV-Out: An den TV-Ausgang (engl. TV-Out) kann ein Fernseher oder ein Beamer angeschlossen werden. Man kann so mit mehreren Bildschirmen (PC Bildschirm + Fernseher) arbeiten. Allerdings ist die Signal-Qualität des Anschlusses meist nicht sehr hoch, da es sich um ein analoges FBAS- oder S-Video-Signal handelt und die meisten Karten nicht den nötigen hohen Schaltungsaufwand treiben, um aus diesen Signaltypen das Bestmögliche herauszuholen. Positive Ausnahmen sind einige ältere Matrox-Karten (z. B. die G400MAX).
D-Sub-Out: An den D-Sub Ausgang (VGA-Anschluss) kann ein D-Sub-Kabel eines CRT Monitors (Röhrenmonitors), Beamers oder Flachbildschirms angeschlossen werden. Die Qualität ist hierbei wesentlich besser als die des TV-Ausgangs.
DVI-Out: An den DVI Ausgang kann ein digitales DVI-Kabel angeschlossen werden. Dies liefert eine sehr gute Signalqualität, lässt sich jedoch nur mit Flachbildschirmen verwenden, da fast alle heutigen CRT-Monitore ein analoges Signal benötigen. Mit Hilfe eines Adapters kann man aus dem digitalen DVI Ausgang aber auch einen analogen VGA Ausgang machen.
HDMI-Out: Mittlerweile werden auch Grafikkarten mit HDMI-Out angeboten. Dort wird das Videosignal in HDTV-Qualität und mit HDCP verschlüsselt ausgegeben.

Auserdem ist zu erwähnen das mit zukünftigen Betriebsystemem die S-Video sowie die Analogen Monitorausgänge ganz unterbunden werden können. Demzufolge ist bei einem Kauf einer neuen Grafikkarte für ein zukünftiges System darauf zu achten, das zwingend ein DVI Anschluss vorhanden ist, welcher mit entsprechend beiligendem Adapter auch für alte Monitoren benutzt werden kann

Als eine der größten Deutschen Internetseiten, welche sich fast ausschliesslich mit dem Thema 3D-Grafikbeschleunigung befasst, ist das 3DCenter (www.3dcenter.de) zu nennen.

Grafikkarten und Grafikschnittstellen

Von den Grafikkarten zu unterscheiden sind Software- und Hardware-Grafikschnittstellen.

Software-Grafikschnittstellen

Die bekanntesten Software-Grafikschnittstellen sind OpenGL und DirectX, die es dem Programmierer ermöglichen, einfach und unabhängig von der Grafikkarte, 3D-Effekte zu erzielen. Die Grafikschnittstellen setzen nicht unbedingt Hardware 3D-Funktionen der Grafikkarte voraus, nutzen diese aber, falls sie vorhanden sind. Ältere 3D-Spiele können im Prinzip auch auf Computern mit integrierter Grafik oder einer einfachen 3D-Karte laufen, jedoch relativ langsam, „ruckelig“ und optisch weniger ansprechend.

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 ist es bei einigen Herstellern so, dass sie es durch den Grafikkartentreiber und/oder die Grafikkarte selbst unterbinden, beide Fähigkeiten miteinander zu verbinden. So kommt es vor, dass beim Abspielen von Videos zwar die gesamte Benutzeroberfläche sichtbar ist, das Video selbst jedoch nicht. Unter Linux funktioniert dann beispielsweise die XVideo-Implementation nur bei der primären Anzeige (also dem Computer-Monitor), nicht jedoch beim TV-Out-Anschluss. Dieses Problem kann man meist umgehen, indem man die Hardwarebeschleunigung für das Dekodieren von Videos ausschaltet, jedoch ist das Video dann oft nicht mehr flüssig anzusehen, was dann meist den Spaß am Anschauen verdirbt.

Es wird vermutet, dass solche Beschränkungen eingebaut werden, um den Nutzer an der Aufzeichnung des Videos durch einen Videorekorder zu behindern. Jedenfalls ist in einigen mitgelieferten Handbüchern nachzulesen, dass Produkte von Macrovision (einer Firma, die für ihre Kopierbehinderungen bekannt ist) in die Grafikkarte mit integriert wurden.

Man findet in einem Handbuch beispielsweise folgende Passage:

Dieses Produkt enthält Copyrightschutz-Technologie, die durch Verfahrensansprüche bestimmter US-Patente sowie andere geistige Eigentumsrechte geschützt ist, die Macrovision Corporation und anderen Rechtsinhabern gehören. Die Verwendung dieser Copyrightschutz-Technologie muss von Macrovision Corporation genehmigt werden und darf sich nur auf den Privatbereich erstrecken, wenn Macrovision Corporation keiner anderen Verwendung zugestimmt hat. Das Reverse Engineering oder Disassemblieren der Software ist untersagt. Geräteansprüche des US-Patents der Nummern 4,631,603, 4,577,216, 4,819,098 und 4,907,093 sind nur für eingeschränkte Vorführungen lizenziert. des Reverse Engineering oder Disassemblieren werden nach vorherrschender deutscher Rechtsprechung allgemein als unwirksam betrachtet. Siehe aber Hinweis Rechtsthemen

Ein konkreter Fall ist der fglrx-Treiber von ATI, der (derzeit) nicht das hardware-unterstützte Abspielen von Videos am TV-Ausgang unterstützt.

Hersteller

Hersteller von Grafikkarten: Abit, Albatron, AOpen, GeCube, ASUS, ATI, Connect3D, Club3D, Creative Labs/3Dlabs, DFI, Diamond Multimedia, ELSA, eVGA, Gainward, Genoa, GigaByte, Hercules Graphics, HIS, Leadtek, MSI, Number Nine, Matrox, Orchid Technologies, Paradise, PixelView, PNY, PowerColor, Sapphire, Sigma, Sparkle, SPEA, STB Systems, TerraTec, VideoLogic, Video Seven, XFX,XpertVision

Hersteller von Grafikchips: 3dfx, 3Dlabs, Alliance Semiconductor, Ark Logic, ArtX, ATI, Avance Logic, Bitboys Oy, Chips & Technologies, Cirrus Logic, GigaPixel, Neomagic, Number Nine, Nvidia, Matrox, Oak Technologies, Rendition, S3 Graphics, S3 Inc., SiS, Trident, Tseng Labs, Western Digital, XGI.

Wobei aber zu erwähnen ist, dass auf dem heutigen Markt nur noch ATI,Nvidia und S3 Graphics als Grafikchiphersteller sowie Intel, SiS und VIA Technologies als Hersteller von integrierten Grafiklösungen vertreten sind.

Weblinks

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