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Derzeit sind alle Grafikkarten – unabhängig davon, ob im Desktop, Notebook oder extern per Thunderbolt 5 – über die PCI-Express-Schnittstelle mit dem System verbunden.
Aktueller Stand der Technik ist PCI-Express 5.0 mit einer Datenrate von 3,938 GB/s pro Lane. AMD ist meist einer der Vorreiter in der Umsetzung eines neuen PCI-Express-Standards und entsprechend unterstützen die Karten der Radeon-RX-9000-Serie auch allesamt PCI-Express 5.0.
Typischerweise werden GPUs auf Desktop-Grafikkarten über 16 Lanes angebunden, was bei PCI-Express 5.0 zu einer Bandbreite von 63,015 GB/s führt. Bei Notebook-Grafikkarten können je nach Prozessor und GPU auch nur acht oder gar vier Lanes zur Verfügung stehen, wodurch die Bandbreite halbiert bzw. auf ein Viertel der vollen Bandbreite reduziert wird. Eine Anbindung über acht Lanes stellt bei Verwendung von PCI-Express 5.0 meist keine echte Limitierung dar; messbar ist eine gewisse Differenz, ob der Spieler sie aber tatsächlich wahrnimmt, ist eine andere Frage. Acht PCIe-5.0-Lanes erreichen dabei die gleiche Übertragungsrate wie 16 PCIe-4.0-Lanes; mit PCI-Express 5.0 dürfte dieser Umstand also wenig relevant sein.
Die klassischen Desktop-Grafikkarten nutzen aktuell also 16 Lanes, wodurch die Bandbreite bei etwa 63 GB/s liegt. Die schnelle Anbindung der Grafikkarte an das System könnte mit Direct Storage an Bedeutung gewinnen, doch aktuell ist hier meist nicht die Anbindung zwischen GPU und System der limitierende Faktor, sondern eher die API. Das zeigt sich deutlich beim Vergleich einer NVMe-SSD mit PCIe 3.0, 4.0 und 5.0 im Hinblick auf Direct Storage: In den Ladezeiten gibt es zwar einen messbaren Unterschied, doch auch hier wird der Spieler ihn kaum spüren.
Im Serverbereich steht für das kommende Jahr der Wechsel auf PCI-Express 6.0 an. In diesem Segment ist die Anbindung aber auch weitaus wichtiger, als dies aufgrund der aktuellen Anforderungen im Desktop der Fall ist. PCI-Express 6.0 wird hier allenfalls für die nächsten Plattformen eine Rolle spielen, die zum Jahreswechsel 2026/27 zu erwarten sind.
Die PCI-Express-Schnittstelle ist die zentrale Komponente für den Datenaustausch zwischen Grafikkarte und restlichem System. In den vergangenen Jahren haben sich AMD, Intel und NVIDIA dieser Kommunikation gewidmet und die bereits länger bekannte Funktion Resizable BAR (rBAR) umgesetzt, die Zugriffe auf den Grafikspeicher vereinfacht und beschleunigt, um die Leistung der GPU zu verbessern.
Resizable BAR wird auf Systemen mit AMD-Prozessoren ab Zen 3 (Ryzen-5000-Serie) sowie Intel-Core-Prozessoren ab der 10. Core-Generation angeboten. Im UEFI haben die Mainboardhersteller die Option entweder direkt aktiviert oder positionieren diese prominent.
Die Display-Ausgänge
Hat die Grafikkarte das gewünschte Bild berechnet, muss dieses anschließend an den Monitor übertragen werden. Dafür besitzen Grafikkarten eine oder mehrere Bildausgangs-Schnittstellen, über die das Signal als Datenstrom ausgegeben wird. Heute haben sich vor allem HDMI und DisplayPort etabliert, während ältere Anschlüsse wie DVI oder sogar VGA fast vollständig verschwunden sind. Diese älteren Verbindungen sind entweder digital langsamer oder noch analog und können die hohen Datenraten, die für aktuelle Auflösungen und Bildwiederholraten nötig sind, nicht mehr bereitstellen – bei modernen Monitoren fallen je nach Einstellungen mehrere Gigabit pro Sekunde an.
HDMI
HDMI steht für High Definition Multimedia Interface und war ursprünglich primär im Heimkino-Bereich verbreitet. Der Anschluss überträgt Video- und Audiosignale gemeinsam, sodass ein einziges Kabel ausreicht, um Bild und Ton von der Grafikkarte zum Monitor oder Fernseher zu schicken. Zusätzlich kann HDMI auch weitere Datenkanäle bereitstellen, etwa für eine Netzwerkverbindung oder erweiterte Steuerinformationen. Mit jeder neuen Version wurde die maximal mögliche Datenrate erhöht, was höhere Auflösungen, mehr Audiokanäle und höhere Farbtiefen ermöglicht.
HDMI 1.0 bot eine Datenrate von 3,96 GBit/s und war im Prinzip pin-kompatibel zu DVI, konnte aber zusätzlich Ton übertragen. Damit waren 1.920 × 1.080 Pixel bei 60 Hz sowie bis zu acht Audiokanäle möglich. HDMI 1.3 steigerte die Datenrate auf 8,16 GBit/s und ermöglichte so auch 2.560 × 1.440 Pixel mit 60 Hz, HDMI 1.4 erlaubte bei gleicher Datenrate 3.840 × 2.160 Pixel, allerdings nur mit 24 Hz.
Mit HDMI 2.0 wurde dann ein wichtiger Schritt gemacht, denn hier lässt sich 4K/UHD bei 60 Hz übertragen. Der Standard nutzt dafür eine deutlich höhere Datenrate von rund 14,4 GBit/s und unterstützt bis zu 32 Audiokanäle mit sehr hohen Abtastraten, was für komplexe Surround-Setups interessant ist. HDMI 2.0a führte die Unterstützung von HDR (High Dynamic Range) ein, wodurch mehr Helligkeitsabstufungen und kräftigere Farben dargestellt werden können, 2.0b ergänzte erweiterte Synchronisationsfunktionen für mehrere Audio- und Videoströme.
Aktuell sind HDMI 2.1 beziehungsweise 2.1a/b relevant, da diese Version die Datenrate auf bis zu 48 GBit/s anhebt. Damit werden sehr hohe Auflösungen und Bildraten möglich, etwa 8K oder 4K mit hohen Frequenzen. Um diese Datenmengen effizient zu übertragen, kommt Display Stream Compression (DSC) zum Einsatz – eine mathematisch verlustbehaftete, in der Praxis aber visuell praktisch verlustfreie Kompression, die Bandbreite spart, ohne das Bild sichtbar zu verschlechtern.
DisplayPort
DisplayPort ist ein von der VESA (Video Electronics Standards Association) definierter Standard, der vor allem im PC-Bereich und bei Monitoren eingesetzt wird. Er wurde von Anfang an für hohe Bandbreiten konzipiert und arbeitet mit sogenannten Lanes, also einzelnen Datenleitungen, die parallel betrieben werden. Seit den ersten Versionen werden üblicherweise vier Lanes genutzt, deren Übertragungsrate mit jeder Generation erhöht wurde und so die Gesamtbandbreite deutlich gesteigert hat.
DisplayPort 1.0 bis 1.1a erreichten eine Brutto-Datenrate von 10,8 GBit/s und lagen damit schon zu Beginn über vielen HDMI-Varianten. UHD-Auflösungen konnten so früh unterstützt werden. Besonders wichtig war DisplayPort 1.2 beziehungsweise 1.2a, da hier Adaptive Sync eingeführt wurde: Der Monitor kann seine Bildwiederholrate dynamisch an die Bildausgabe der Grafikkarte anpassen, wodurch Tearing und Ruckler reduziert werden, wenn die FPS schwanken. Auf dieser Basis entstanden Technologien wie AMD FreeSync.
Bis vor zwei Jahren noch aktuell war DisplayPort 1.4a. Dieser Standard bietet eine Bandbreite von bis zu 32,4 GBit/s und erlaubt hohe Auflösungen und Bildwiederholraten, liegt aber etwas unter der maximalen Bandbreite von HDMI 2.1. Während DisplayPort lange als technisch führend galt, hat HDMI durch seine Verbreitung in TVs, Konsolen und AV-Receivern stark aufgeholt und sich zum Allround-Standard entwickelt. Welche Schnittstelle am Ende genutzt wird, hängt daher stark vom Monitor, den gewünschten Auflösungen und Bildfrequenzen sowie den vorhandenen Anschlüssen ab.
Aktuelle Grafikkarten mit AMD-, Intel- oder NVIDIA-GPU unterstützen bereits DisplayPort 2.1. Über die Transmissionsmodi UHBR 10, UHBR 13.5 und UHBR 20 können pro Lane bis zu 20 GBit/s übertragen werden, was bei vier Lanes einer Gesamtbandbreite von 80 GBit/s entspricht. Damit liegt DisplayPort 2.1 deutlich über HDMI 2.1, was Spielraum für noch höhere Auflösungen, Bildraten oder Farbtiefen eröffnet. Für eine kommende DisplayPort-Generation ist bereits geplant, die Bandbreite erneut zu verdoppeln, konkrete technische Details stehen aber noch aus. Auf vielen aktuellen Grafikkarten sind HDMI 2.1a/b und DisplayPort 2.1a die gängigen Standards für die Bildausgabe und decken den Bedarf der meisten Gaming- und Alltagsanwendungen ab.
Die Stromversorgung
Die Stromversorgung einer Grafikkarte ist essenziell, denn ohne ausreichende Energie laufen moderne Karten nicht. Über das PCI-Express-Interface kann die Karte zwar bereits mit Strom versorgt werden, allerdings sind hier maximal 75 W über die Spannungsschienen 12 V, 5 V und 3,3 V möglich. Die schnelleren GPUs benötigen aber deutlich mehr Leistung, weshalb zusätzliche Stromanschlüsse am hinteren Ende der Karte zum Einsatz kommen.
Für diese zusätzliche Versorgung gab es bisher zwei Steckertypen nach PCI-Express-Spezifikation: den 6-Pin- und den 8-Pin-Anschluss. Die 6-Pin-Variante liefert laut Spezifikation bis zu 75 W, die 8-Pin-Version bis zu 150 W. Diese Werte sind aber keine Grenzen der Kabel und Stecker selbst, sondern Vorgaben für Netzteilhersteller, damit diese die Stromversorgung entsprechend dimensionieren können.
Mit dem 12VHPWR- bzw. 12V-2x6-Anschluss, der bis zu 600 W übertragen kann, versucht NVIDIA einen neuen Stecker zu etablieren. Damit werden bis zu drei herkömmliche Stecker und Kabel überflüssig, was die Kabelführung vereinfacht und die Leistungsaufnahme moderner Karten besser unterstützt. Die ATX-3.1-Spezifikation enthält leichte Anpassungen am 12V-2×6-Anschluss, der aber weiterhin kompatibel zum 12VHPWR bleibt. Allerdings hatte der Stecker in der Vergangenheit auch mit einigen Problemen zu kämpfen. Der mechanische Aufbau und die Auslegung können bei einem nicht korrekt eingesteckten Stecker oder Fehlern in der Verarbeitung dazu führen, dass ein zu hoher Übergangswiderstand zu einer Überhitzung führen. Auch einige Grafikkarten mit AMD-GPU, unter anderem die Sapphire Nitro+ Radeon RX 9070 XT nutzen diesen Stecker, sind mit einer TDP von knapp über 300 W aber weniger gefährdet.
Ob die klassischen 6-Pin- und 8-Pin-PCI-Express-Anschlüsse somit früher oder später verschwinden werden, bleibt weiterhin offen. Aktuell noch sind vor allem bei den Grafikkarten mit AMD-GPU noch eine Mehrzahl an Karten mit diesen Anschlüssen zu finden, während 12VHPWR/12V-2x6 hier eher ein Sonderfall sind.
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