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GDDR-Speicher ist der Standard
Neben der GPU ist der Speicher die wichtigste Komponente einer Grafikkarte, da die Daten möglichst schnell an die GPU übergeben werden müssen. Über das PCI-Express-Interface gelangen sie zunächst in den Grafikspeicher, von dort können sie mit Bandbreiten von fast 1 TB/s zur GPU weitergeleitet werden. Die Speichertechnik hat sich im Laufe der Jahre rasant weiterentwickelt.
GDDR steht für Graphics Double Data Rate und ist neben High Bandwidth Memory (HBM) ein zentraler Speicherstandard auf modernen Grafikkarten. Wie beim DDR-Arbeitsspeicher auf dem Mainboard gibt es auch beim GDDR mehrere Generationen. Die Double Data Rate wird erreicht, indem Daten sowohl bei der steigenden als auch bei der fallenden Flanke des Taktsignals übertragen werden. Mit jeder neuen Generation stieg die Bandbreite massiv an, während die Leistungsaufnahme sank. Früher sprach man von 25,6 GB/s bei einem 256-Bit-Interface, aktuell erreichen die schnellsten Karten der Radeon-RX-9070-Serie mit GDDR6-Speicher 640 GB/s.
Während NVIDIA ab der GeForce-RTX-40-Serie auf GDDR6X-Speicher setzte und mittlerweile schon bei GDDR7 angekommen ist, setzt AMD in der Radeon-RX-9070-Serie auf GDDR6 und ein bis zu 256 Bit breites Speicherinterface. Der Fokus liegt hier auf der Effizienz in der Anbindung des Speichers und des Speichers selbst.
In den vergangenen Jahren gab es mehrere Versuche, HBM auf dem Grafikkartenmarkt zu etablieren. Aufgrund der hohen Kosten für Speicher, Interface-Entwicklung und Fertigung setzt der Markt derzeit durchgehend auf GDDR6/7. HBM ist im Serverbereich entscheidend, weil er deutlich höhere Datenraten – akuell bis zu 4 TB/s – ermöglicht und dabei weniger Platz und Energie verbraucht als konventioneller GDDR-Speicher. Diese hohe Bandbreite ist für KI- und HPC-Workloads unverzichtbar, bei denen riesige Datenmengen parallel verarbeitet werden müssen, was GDDR6X mit etwa 1 TB/s nicht leisten kann.
Die Speicherbandbreite ist eine technische Spezifikation, die durch Verfahren zur Datenkomprimierung im Speicher weiter optimiert wird. Dadurch wird nicht nur Speicherplatz gespart, sondern auch die Übertragung beschleunigt. Bei NVIDIA hat sich seit mehreren Generationen die Delta-Farbkompression durchgesetzt. Es handelt sich um ein verlustfreies Verfahren, bei dem Entwickler keine speziellen Anpassungen vornehmen müssen.
AMD nutzt für die Komprimierung die Delta Color Compression. Dabei wird nur der Basispixelwert gespeichert, für die umliegenden Pixel in einer 8x8-Matrix wird lediglich das Delta, also die Differenz, abgelegt. Da das Delta meist deutlich kleiner ist, wird Speicherplatz und Bandbreite gespart. Auch einzelne Farbwerte können komprimiert werden. Ein Beispiel: Schwarz und Weiß werden üblicherweise als {1.0, 0.0, 0.0, 0.0} oder {0.0, 1.0, 1.0, 1.0} gespeichert, aber mit einfachen Verfahren reichen oft nur die Werte 0.0 oder 1.0.
Die Verfahren zur Erkennung komprimierbarer Bildinhalte wurden kontinuierlich verbessert. Das bekannte 2:1-Verhältnis kann schneller angewendet werden und deckt mehr Daten ab. Seit der vorletzten Generation kommen auch Kompressionsraten von 4:1 und 8:1 hinzu. So kann die Speicherbandbreite durch schnellere Speicher und reduzierte Datenmengen weiter gesteigert werden.
Mit dem GDDR6(X)-Speichercontroller setzt AMD Error Detection and Replay (EDR) ein. GDDR6X arbeitet mit effektiven Taktraten von etwa 1.200 MHz. Bei hohen Taktraten können Fehler auftreten, die durch die komplexere Fertigung bedingt sind. EDR erkennt Übertragungsfehler und wiederholt die Datenübertragung, bis sie fehlerfrei ankommen. Es handelt sich um einen Cyclic Redundancy Check (CRC), bei dem ein Prüfwert für die Daten erzeugt wird. Stimmt der Prüfwert nicht, wird der Fehler erkannt und kompensiert.
Ohne CRC oder EDR würden bei steigendem Takt Fehler und Artefakte zunehmen, was zu Abstürzen oder Treiber-Resets führen könnte. EDR gleicht Fehler im Normalbetrieb aus und ermöglicht dadurch erst die hohe Bandbreite des Speicherinterfaces. Auch beim Overclocking hilft EDR, da Fehler im Grenzbereich kompensiert werden. Die effektive Bandbreite steigt dabei bis zu einem Plateau, danach steigt sie nicht weiter, aber Abstürze bleiben bis dahin meist aus.
Die Spannungsversorgung
Bei modernen Grafikkarten spielen Stromversorgung und Spannungsregelung eine zentrale Rolle. Die PCB-Designs und die Spannungsversorgungskonzepte der Radeon-RX-9000-Serie sind technisch durchdacht. Dabei legen die Boardpartner das Design der Versorgung in den einzelnen Details meist etwas unterschiedlich aus.
Die Versorgung von GPU, Speicher und weiteren Komponenten stellt eine komplexe Aufgabe dar. Eine AMD-GPU mit bis zu 54 Milliarden Transistoren aus 4-nm-Fertigung benötigt mehrere präzise abgestimmte Spannungsebenen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Versorgung nicht statisch erfolgt, sondern dynamischen Lastschwankungen unterliegt – eine zusätzliche Komplexitätsschicht. Zudem sollte die Spannungsversorgung nicht selbst zum Verbraucher werden, sondern effizient arbeiten.
Die Voltage Regulator Module (VRM) bilden das Herzstück jeder Strom- und Spannungsversorgung. Sie wandeln die 12 V aus dem PC-Netzteil in die für GPU und Speicher erforderlichen etwa 1 V um.
Viele Hersteller werben mit hohen Spannungsphasenzahlen – doch das Prinzip "mehr ist besser" greift zu kurz. Die Faustregel lautet: Je höher die Thermal Design Power der Karte ausfällt, desto mehr Spannungsphasen sind erforderlich.
Generell gilt: Mit mehr Phasen verbessert sich die Stromversorgung bei höheren Lasten. Allerdings verschiebt eine höhere Phasenanzahl den Bereich der optimalen Effizienz nach oben. Viele Phasen erzeugen beim Schaltbetrieb erhebliche Verluste – mehr Phasen bedeuten also höhere unerwünschte Energieverluste.
Für die meisten Nutzer spielen die Anzahl der Phasen, deren Aufbau und die jeweils verwendeten Komponenten in aller Regel keinerlei Rolle. Aber genau hier, im Aufbau und der Ansteuerung der Spannungsphasen entsteht die Effizienz einer modernen Grafikkarte, die im Idle-, Teillast- oder Volllast-Bereich immer möglichst effizient arbeiten muss.
Das GPU-Package
Die zentrale Hardware-Komponente einer Grafikkarte ist die GPU. Diese befindet sich jedoch nicht als nackter Chip direkt auf dem PCB (Printed Circuit Board), sondern in einem sogenannten GPU-Package. Ein solches Package besteht aus einem Trägermaterial, in der Regel ebenfalls einem PCB, das über ein BGA (Ball Grid Array) die elektrische und mechanische Verbindung zur Grafikkarte herstellt. Es existieren allerdings auch GPUs, die per BGA direkt mit dem PCB der Grafikkarte verlötet werden. Die Antwort auf die Frage nach dem genauen Aufbau lautet daher: Es hängt vom jeweiligen Design des GPU-Packages ab.
Betrachtet man ein typisches GPU-Package genauer, erkennt man in der Mitte den eigentlichen Chip, die GPU. Rundherum sind bereits erste SMD-Bauteile platziert, dabei handelt es sich meist um Widerstände. Dieses gesamte Package wird dann über ein BGA mit dem PCB der Grafikkarte verbunden. Der Grafikspeicher befindet sich bei GDDR6-Bestückung außerhalb des GPU-Packages und wird separat auf dem PCB verbaut.
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