Trends und Technologien: Grafikkarten

Gliederung der Seminararbeit

1.  Vorab S  3

2.  Einführung in das Thema S.  3

3.  Prinzipielle Aufgaben und Funktionen einer Grafikkarte S.  4

3.1  Aufgaben und Funktionen  

3.2  Aufbau einer ausgewählten Consumer-Grafikkarte  

3.1.1  Der Grafik-Chip  

3.1.2  Der Bildspeicher  

3.1.3  Der RAMDAC  

3.1.4  Der AGP-BUS  

3.3  Der Grafik-Treiber und der VGA-Standard  

3.4  API-Schnittstellen und deren Rolle  

3.4.1  Direct3D  

3.4.2  OpenGL  

3.4.3  Glide  

4.  Anforderungen an eine Grafikkarte bei verschiedenen Anwendungen S.  12

4.1  Home-Office  

4.2  Entertainment und Multimedia-Anwendungen  

4.3  Workstation und CAD  

5.  Leistungsmerkmale moderner Grafikkarten S.  16

5.1  Atlantis Radeon 9100 und Atlantis 9700 Radeon Pro UE  

5.2  3D-Leistungen der Karten  

5.2.1  Grundlagen 3D-Grafik  

5.2.2  3D-Pipeline  

5.3  Schnittstellen  

5.2.1  VGA Analog  

5.2.2  Digitale Schnittstelle  

5.2.3  TV-Ausgang (S-Video, Cinch)  

6.  Positionierung der Anbieter S.  22

6.1  Marktdaten  

6.2  NVidia und ATI  

7.  Trends und Weiterentwicklungen S.  26

7.1  Trend 1: ATI und NVidia sind ganz vorn  

7.2  Trend 2: DirectX 9  0

7.3  Trend 3: “Cinematic Computing“  

8.  Glossar S.  29

9.  Literaturverzeichnis und Quellenangabe S.  32

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1. Vorab

Diese Seminararbeit hat Trends und Technologien im Bereich Grafikkarten zum Thema. Vor dem Hintergrund immer schneller fortschreitender technologischer Entwicklungen im Home-PC-Markt und dem Einzug grafisch komplexer Computerspiele wie „Gothic 2“ (2003) oder „Unreal Tournament 2003“ (2002) wachsen die Anforderungen an die Darstellungsqualität auf dem Monitor zu Hause. Dank der 3D-Spieleindustrie geht die Entwicklung der Grafikkarten stetig voran ¹ . In den nachfolgenden Kapiteln möchte ich die technologischen Grundlagen erläutern, Begrifflichkeiten und die Anforderungen an Grafikkarten für unterschiedliche Anwendergruppen durchleuchten. Ich werde in dieser Seminararbeit nicht auf die His-torie der Grafikkarten eingehen, da diese den vorgesehenen Rahmen sprengen würde. Ausklammern möchte ich ebenso OnBoard-Grafikkarten, die auf dem Mainboard angebracht sind und separate TV- und Video-Karten. Der Blick ruht außerdem auf dem PC und nicht auf dem Mac. In meinen Ausführungen werde ich größtenteils versuchen, auf die Angabe von technischen Werten und Zahlen zu verzichten, da sich diese innerhalb geringer Zeit aufgrund des lebendigen Marktes sehr schnell wieder ändern. Der „Redaktionsschluss“ für die Seminararbeit fällt auf den

14. Mai 2003. Aktuelle Entwicklungen auf der E3 können also leider nicht mehr berücksichtigt werden.

2. Einführung in das Thema

Der Benutzer kommuniziert über seinen Monitor, egal ob CRT oder LCD, mit dem PC-System. Der Monitor erhält die benötigten Signale von der Grafikkarte. Die Daten gehen von der Karte aus und werden für den Benutzer auf dem Monitor sichtbar gemacht. Immer mehr Prozesse werden in der Grafikkarte durchgeführt und diese entlastet hierdurch den Prozessor ² . Die Anforderungen an Grafikkarten sind fortwährend gestiegen und ebenso die Komplexität der Aufgaben. Zu klären wird es sein, worin genau die o.g. Komplexität der Aufgaben besteht, wo die Verbesserungen liegen, die immer wieder neu angekündigt werden und wem diese Verbesserungen überhaupt dienlich sind. Die Branchengrößen und führenden Chiphersteller NVidia und ATI wetteifern ständig um die „Performance-Krone“ und versorgen den Markt mit einer Fülle von Angeboten. Die Seminararbeit will versuchen, etwas Klarheit in den Dschungel der Begriffe und Technologien zu bringen.

¹ Vgl. Görnt, Andy (2000), 3D-Grafikkarten - 3D-Grafik, 3D-Chip, Transformation & Lightning.

² Vgl. Niklas, Christoph (1999-2002), Die Grafikkarte.

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3. Prinzipielle Aufgaben und Funktionen einer Grafikkarte

3.1 Aufgaben und Funktionen

Das Grafik-System, das auch den Monitor einschließt, ist eine der wichtigsten Komponenten des Computers. Die Grafikkarte kann zusammen mit dem Monitor, als Schnittstelle zwischen Mensch und Computer betrachtet werden ¹ . Die Grafikkarte ist ein Peripheriegerät des Computers und wird, sofern nicht OnBoard mit dem Mainboard integriert, als Steckkarte in einen freien Slot, meist dem AGP-Slot, auf das Mainboard gesteckt. Sie entlastet den Hauptprozessor des Computers, indem der Grafikchip nicht nur für einfache Schriften und Farben, sondern auch für die Berechnung aufwendiger 3D-Grafiken zuständig ist ² .

Es können vier Grundaufgaben einer Grafikkarte festgehalten werden ³ :

1 - Durch den hier angezeigten PCI-Bus (“Peripheral Component Interconnect“) werden die Daten zum Grafik-Chipsatz geleitet. 2 - Der Grafik-Chipsatz schreibt die Daten in den Bildspeicher. 3 - Der Bildspeicher leitet die benötigten Daten an den RAMDAC weiter, der die Daten analogisiert.

4 - Weiterleitung der analogen Daten an den Monitor.

3.2 Aufbau einer ausgewählten Consumer-Grafikkarte

Wesentliche Bestandteile einer Grafikkarte (Bsp. hier: ELSA Winner II) ⁴ :

¹ Vgl. Müller, Christian (o.A.), Grafikkarten, S. 3.

² Vgl. Müller, Christian (o.A.), Grafikkarten, S. 6.

³ ebenda, S. 11.

⁴ Vgl. Niklas, Christoph (1999-2002), Die Grafikkarte.

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1 - Grafik-Chip, hier durch Kühlkörper verdeckt (Chip z.B. von ATI oder NVidia). 2 - Bild- oder Videospeicher (SDRAM, DDR-RAM, DDR-II-RAM). 3 - Schnittstellen (Monitor u.a.) 4 - RAMDAC. 5 - AGP-Interface.

Folgende Größen sind entscheidende Qualitätskriterien für eine Grafikkarte ¹ : die Leistungsfähigkeit des Grafik-Chips, Größe und Art des Bildspeichers, die Leistungsfähigkeit des RAMDACs und das Interface (PCI, AGP).

Die auf dem Markt angebotenen Grafikkarten unterscheiden sich zudem in der maximal unterstützten Bildschirmauflösung, der dabei erzielten Farbtiefe und der gelieferten Bildwiederholfrequenz ² .

3.2.1 Der Grafik-Chip

Der Grafik-Chip, oder auch “Graphic Processing Unit“ GPU, integriert die Darstellung für 2D und 3D, was vor einigen Jahren noch zweier Steckkarten (Grafikkarte plus 3D-Beschleunigerkarte, zwei belegte Slots auf dem Mainboard) bedurft hatte. Der Chip führt die Berechnungen für das durch, was vom Betrachter am Schirm als dreidimensionales Bild wahrgenommen wird ³ .

Es müssen nicht die Eigenschaften von jedem einzelnen Pixel zur Grafikkarte übertragen werden, sondern nur noch die Bauanleitung für geometrische Figuren ⁴ . Die

¹ Vgl. Niklas, Christoph (1999-2002), Die Grafikkarte.

² Vgl. Bauer, Hermann (1997), Digitale Bildbearbeitung & Grafik an Mac und PC, S. 39 f.

³ Vgl. Görnt, Andy (2000), 3D-Grafikkarten - 3D-Grafik, 3D-Chip, Transform & Lightning.

⁴ Vgl. Niklas, Christoph (1999-2002), Die Grafikkarte.

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Karte selbst kann Linien ziehen, Fenster darstellen oder Text verschieben. Der Hauptprozessor beschreibt der Karte nur noch in einer Reihe von Befehlen das Bild. 1

Ein Beispiel:

„Während der Prozessor früher Befehle wie »mach das Pixel mit den Koordinaten 300 und 423 blau« für jeden Bildpunkt einzeln zur Grafikkarte schickte, reicht heute »mach ein Dreieck in blau mit folgen- ² .“ den Koordinaten: ... «

Die Leistung der GPU wird in der Füllrate angegeben, die sich folgendermaßen definiert: „Die Füllrate ist die Geschwindigkeit, mit der eine Grafikkarte Pixel rendern kann. GPUs mit höheren Füllraten können höhere Auflösungen und mehr Farben anzeigen und erreichen dabei höhere Frame-Raten als Chips mit niedrigerer Füllrate.

3.2.2 Der Bildspeicher

Wie oben bereits erwähnt, sind Größe und Art des Bildspeichers der Grafikkarte entscheidende Kenngrößen. Bevor eine Ausgabe am Bildschirm erfolgt, werden die auszugebenden Daten im Bildspeicher gespeichert - somit entscheidet eine schnelle Speichersorte über eine schnelle Datenverarbeitung im Monitor ³ . Vor mehreren Jahren wurden in Grafikkarten die Speichersorten VRAM oder WRAM verwendet. VRAM und WRAM waren spezielle Speicherbausteine, die nur für Grafikkarten hergestellt wurden.

VRAM (Video-RAM) kann gleichzeitig vom Prozessor beschrieben werden während der RAMDAC den Speicher ausliest und die ausgelesenen Daten auf dem Monitor darstellt ⁴ .

WRAM (Window-RAM) ist ca. 25 % schneller als VRAM und auch billiger in der Produktion - WRAM löste VRAM auf dem Markt ab ⁵ .

Heute werden Grafikkarten mit SD-RAM (Synchronous Dynamic-RAM), DDR-RAM (Double Data Rate-RAM) oder DDR-II-RAM verwendet.

¹ Vgl. Karbo, Michael B. (1996-1999), Grafikkarten.

² Niklas, Christoph (1999-2002), Die Grafikkarte.

³ Vgl. Müller, Christian (o.A.), Grafikkarten, S. 4.

⁴ ebenda.

⁵ ebenda.

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Signale werden beim DDR-RAM auf der steigenden und der fallenden Flanke des Taktsignals übertragen. Dies bewirkt eine Verdopplung des Datendurchsatzes im Gegensatz zum SD-RAM ohne Veränderung der Taktrate ¹ .

Das moderne DDR-II-RAM arbeitet mit einer 4 Bit-Datenleitung, die eine nochmalige Verdoppelung des Speicherdurchsatzes im Gegensatz zum DDR-RAM bewirkt. DDR-RAM arbeitet lediglich mit einer 2-Bit-Datenleitung ² .

Zum Bildspeicher ist zu sagen, dass jede heutige Grafikkarte die Anforderungen für Office-Pakete und Bildverarbeitung erfüllt. Sollten die Anforderungen auch Spiele oder komplexe 3D-Bearbeitungen beinhalten, so gilt, dass der Speicher möglichst groß und schnell sein sollte ³ . Das gesamte Bild wird im Bildspeicher während der Ausgabe am Monitor gespeichert. Der Hauptprozessor sendet Daten an die Grafikkarte und der Grafik-Chip erzeugt daraus das Bild. Dieses legt er im Bildspeicher ab. Das Bild wird dann mit der eingestellten Bildwiederholfrequenz immer wieder angezeigt bis das nächste Bild fertig ist ⁴ . Es ist von der Speichergröße abhängig, wie viele Farben die Karte bei welcher Auflösung und welcher Bildwiederholungsrate darstellen kann ⁵ .

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¹ Vgl. Weinand, Lars (2002), GeForceFX - NVIDIA auf dem Weg nach Hollywood?

² ebenda.

³ Vgl. Niklas, Christoph (1999-2002), Grafikkarten.

⁴ Vgl. Karbo, Michael B. (1996-1999), Grafikkarten.

⁵ Vgl. o.V. (2002), Aufbau und Arbeitsweise einer EDV-Anlage, S. 17.

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3.2.3 Der RAMDAC

Der RAMDAC oder RAM-Digital-to-Analog-Converter liest den Bildspeicher aus und wandelt das digitale Signal in analoge Spannungswerte der drei Grundfarben Rot , Grün und Blau um. Das ist notwendig, um die Daten an den (CRT-)Monitor weiter zu geben, der nur mit analogen Daten angesteuert werden kann ¹ . Der Pixeltakt oder die Pixelfrequenz, also wie viele Pixel pro Sekunde zum Monitor geschickt werden können, ist die entscheidende Größe beim RAMDAC. Davon hängen die Zeilenfrequenz und die Bildwiederholfrequenz ab ² . Üblicherweise liegt der Arbeitstakt heute um die 350-400 MHz ³ .

Ein Beispiel ⁴ :

Ein Monitor soll bei einer Auflösung von 1.024*768 Punkten und 100 Hz betrieben werden. Man multipliziert die Anzahl der Bildpunkte (1024*768 = 786.432) mit der Anzahl der Bilder pro Sekunde. Man erhält ein Ergebnis von etwa 78 Mio. Pixel/sek. Dazu muss man noch etwa 10% dazu addieren (Ver-waltungsaufwand). Daraus folgt ein minimaler Pixeltakt von 87 MHz. Dieser Wert wird von allen mo-

⁵ dernen Grafikkarten ohne Probleme erreicht .

3.2.4 Der AGP-Bus

Es wurde bisher schon davon gesprochen, dass die Grafikkarte Befehle erhält. Diese werden ihr über das Interface oder anders, den Bus mitgeteilt. An die Stelle des heute für Grafikkarten nicht mehr üblichen langsameren PCI-Bus ist der AGP-Bus (Accelerated Graphics Port), eine designierte Schnittstelle für Grafikkarten, getreten. Der AGP-Bus existiert in verschiedenen Modi, mit denen mit ansteigender Spezifikation unterschiedlich große Bandbreiten erreicht werden: AGP1x, AGP2x, AGP4x und AGP8x:

¹ Vgl. Müller, Christian (o.A.), Grafikkarten, S. 6.

² Vgl. Niklas, Christoph (1999-2002), Die Grafikkarte.

³ Vgl. Müller, Christian (o.A.), Die Grafikkarte.

⁴ ebenda.

⁵ Vgl. Niklas, Christoph (1999-2002), Die Grafikkarte.

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