Seite 1: Grafikkarten-FAQ: Was man über Grafikkarten wissen sollte

In Kooperation mit NVIDIA

ampere-gpuEin Gaming-System ist ohne dedizierte Grafikkarte gar nicht denkbar und in den letzten Generationen der GPUs gab es zahlreiche Innovationen – sowohl im Hinblick auf die GPU-Architektur, also auch in der Anwendung der zur Verfügung stehenden Ressourcen. Raytracing-Techniken bieten bisher ungeahnte Gestaltungsmöglichkeiten und AI-basierte Rekonstruktionstechniken helfen dabei die Leistung zu verbessern, ohne dass dabei Einschränkungen in der Darstellungsqualität hingenommen werden müssen.

Update: Wir haben die FAQ auf den neuesten Stand gebracht und die Entwicklungen der letzten zwei Jahre einfließen lassen.

Doch was steckt hinter einer Grafikkarte, warum gibt es sie in derart unterschiedlicher Bauart und was steckt eigentlich hinter Begriffen wie SM, RT- und Tensor-Recheneinheiten? Wie genau funktioniert das mit dem Echtzeit-Raytracing und was genau tut ein neuronales Netz für Deep Learning im Zusammenhang mit DLSS? All das versuchen wir in einer FAQ anhand von GeForce-Grafikkarten ausführlich zu beantworten.

Wir wollen uns von Innen nach Außen arbeiten und beginnen damit, uns die Funktionen und Anschlüsse der Grafikkarte, der verbauten Kühlung und einige weitere Punkte genauer anzuschauen.

Äußerer Aufbau und Design

Grafikchips kommen in unterschiedlichen Variationen zum Einsatz. Während im Desktop meist vollwertige PCI-Express-Grafikkarten genutzt werden, können sie als APU aber auch direkt in der CPU integriert werden. Im Notebook sind sie entweder fest verlötet oder kommen als MXM-Modul zum Einsatz, dessen PCB mit Blick auf die engen Platzverhältnisse im Notebook deutlich kompakter ausfällt.

Mit der GeForce-RTX-30-Serie hat sich aber noch einmal einiges getan. Die Unterscheidung zwischen einer Desktop- und Notebook-GPU findet nicht mehr zwangsläufig nur durch eine unterschiedliche Ausbaustufe statt, sondern wird über das Power-Limit, also den Verbrauch, reguliert. Letztendlich ist die Kühlung im Notebook der entscheidende Faktor geworden, wie viel Leistung eine GPU dort abrufen kann.

Aber auch bei den Desktop-Karten gab es in den vergangenen Jahren einige Änderungen, die sich auf das Kühldesign ausgewirkt bzw. dieses verbessert haben.

Neben den unterschiedlichen Form-Faktoren in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzgebiet gibt es aber auch innerhalb der einzelnen Serien große Unterschiede in den Abmessungen der Karten. Galt früher einmal, dass eine Grafikkarte bzw. deren Kühler nicht mehr als zwei Slots belegen sollten, halten sich inzwischen selbst die Hersteller mit ihren Referenzkarten bzw. der Founders Editionen nicht mehr daran. Gerade im High-End-Bereich ist eine Dicke von mehr als zwei Slots bereits Standard. Einige Modelle belegen bereits derer drei und im Schnitt sprechen wir von einer Bauhöhe von 2,7 Slots.

Karten im Low-Profile-Format kommen nur noch sehr selten zum Einsatz und sind im Handel für Endkunden zu einer echten Nische geworden. Für einige Spezialfälle bauen Hersteller aber noch immer Low-Profile- und Single-Slot-Karten, was gerade im Serversegment interessant ist, wenn es darum geht, möglichst viel Rechenleistung auf engstem Raum zu realisieren. Eine Möglichkeit die Karte von zwei oder drei Slots auf Single-Slot schrumpfen zu lassen, ist der Einsatz einer Wasserkühlung. Mit dazugehöriger Slotblende sind so weiterhin High-End-Karten im Single-Slot-Design möglich.

Wie auch schon bei der Bauhöhe gilt auch für die Länge einer Karte: Eine Regel gibt es nicht. Zwar halten sich die Hersteller meist an die ATX-Spezifikationen, dennoch gibt es Modelle, die sich deutlich darüber bewegen. Die Norm sieht eine maximale Länge von 305 mm vor. Ist eine Karte länger, kann es beim Einbau ins Gehäuse zu Problemen kommen, wenn beispielsweise die Laufwerkskäfige im Wege stehen. Bereits ab den aktuellen Mittelklasse-Karten wird in der aktuellen Generation meist eine Länge von 300 mm erreicht. Einige High-End-Modelle gehen aber auch deutlich darüber hinaus und daher gilt es beim Kauf einer solchen Karte darauf zu achten, dass nicht ein Laufwerkskäfig im Weg ist und das verwendete Gehäuse kompatibel ist.

Es gibt allerdings auch weiterhin einige Hersteller, die besonders kompakte Karten anbieten. Zum Beispiel werden einige Systeme auf das Mini-ITX-Format ausgelegt und hier müssen es dann auch entsprechend klein sein, um darin Platz finden. Die Kühlung wird bei solchen Modellen zu einer besonderen Herausforderung, denn 200 oder 300 W müssen schließlich gekühlt und die entstehende Abwärme abgeführt werden.

Bei der Länge einer Karte spielt es eine maßgebliche Rolle, in welchem Leistungsbereich sie angesiedelt ist. Low-End-Karten besitzen weniger Speicher und vor allem eine weniger aufwendige Strom- und Spannungsversorgung und lassen sich daher meist kompakter gestalten.

Die Kühlung

Radiallüfter

Je nach Formfaktor und Bauart kamen auf einer Grafikkarte früher höchst unterschiedliche Kühlsysteme zum Einsatz. Inzwischen hat sich der Markt weitestgehend auf den Einsatz von Axiallüfter als die bessere Lösung festgelegt. Radiallüfter sind aber weiterhin im Einsatz und vor allem dann sinnvoll, wenn der Luftstrom über die Karte bzw. durch den Kühler in Richtung der Slotblende gerichtet werden soll. Workstation- und Server-Karten verwenden häufig dieses Prinzip, da die Lautstärke hier zweitrangig ist und ein gewisses Kühlniveau gewährleistet werden muss.

Axiallüfter

Bei einem Kühlsystem mit Axiallüfter sitzen die Lüfter direkt auf dem Kühlkörper und blasen die Luft direkt auf den Kühlkörper. Aber aufgrund eines intelligenten Platinen- und Kühlerdesigns ist eine strenge Unterscheidung zwischen einem Radial- und einem Axiallüfter gar nicht mehr so einfach möglich. Die Hersteller machen sich inzwischen sehr viele Gedanken darüber, wie der Luftstrom durch die Karte und Kühler geführt werden und an welcher Stellte die Abluft wieder austreten soll.

Anders als bei einem Radialsystem verbleibt die Abwärme zunächst größtenteils im Gehäuse und wird nicht direkt nach draußen befördert, eine zusätzliche Gehäuse-Belüftung ist also zwingend erforderlich.

Eine Abwärme von bis zu 350 W erzeugen die Karten der GeForce-RTX-30-Serie und dementsprechend hat sich NVIDIA auch für die Kühlung ein neues Konzept ausgedacht. Dazu hat man sich zunächst die typische Durchlüftung eines Gehäuses angeschaut, die eine Versorgung mit Frischluft über die Front vorsieht und eine Entlüftung über den rückseitigen Bereich oder die Oberseite des Gehäuses.

Typischerweise sieht das Konzept zur Belüftung des Gehäuses die Zufuhr frischer Luft an der Vorderseite und das Abführen der warmen Luft an der Ober- oder Rückseite des Gehäuses vor. Eine Grafikkarte mit Blower-Kühler passt sich in ein solches Konzept schon recht gut ein, weil sie die Luft im Inneren des Gehäuses ansaugt und dann fast komplett über die Slotblende nach außen führt. Für ein typisches Axiallüfter-Design gilt dies nicht mehr. Hier verbleibt ein Großteil der warmen Luft im Inneren des Gehäuses und durch die großen PCBs und geschlossenen Backplates gibt es auch keinen wirklich gerichteten Luftstrom mehr. Die warme Luft wird mehr oder weniger einfach nur im Gehäuse verteilt.

Für die größeren Designs der Founders-Edition-Karten hat sich NVIDIA ein Design ausgedacht, bei dem ein Lüfter im hinteren Bereich die Luft einfach nur hindurch lässt und über der Karte wieder ausbläst – sowie einem zweiten Lüfter, der zumindest einen Teil der Luft über die Slotblende hinausdrückt.

Damit der hintere Lüfter nicht von einem PCB oder der Backplate blockiert wird, musste das PCB deutlich kürzer und anders gestaltet werden. Am Ende ist dabei für die meisten Modelle ein extrem kurzes PCB herausgekommen, welches auch noch einen dreieckigen Ausschnitt besitzt. Die VRMs, die Speicherchips und das GPU-Package sind durch das kurze PCB eng zueinander zu platzieren. Dies stellt für die Kühlung eine Herausforderung dar. Ein neuer 12-Pin-Anschluss und der kompaktere NV-Link-Anschluss verschaffen hier Abhilfe.

Wasserkühlung

Um die beste Kühlung zu gewährleisten, setzen viele Hersteller gerne auch auf eine Wasserkühlung. Aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit eignet sich eine Flüssigkeitskühlung vor allem für Overlocking- und High-End-Grafikkarten, deren Abwärme gerne etwas höher ausfallen kann. Entweder kommt hier ein Vollkupfer-Kühler zum Einsatz, der in einen schon bestehenden Kühlkreislauf integriert werden kann, oder aber eine All-In-One-Lösung, bei der Ausgleichsbehälter, Pumpe und Kühler sowie natürlich die benötigten Schläuche schon mit dabei sind.

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