Grafikprozessor

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GeForce 3

GeForce 6600GT-GPU

Der Grafikprozessor (englisch Graphics Processing Unit, daher oft GPU - neuerdings auch zunehmend VPU Visual Processing Unit) - dient zur Berechnung der Grafikinformationen für die Bildschirmausgabe. Er befindet sich entweder auf einer Erweiterungskarte (Grafikkarte) oder auf der Hauptplatine (Onboard) eines Computers. Grafikprozessoren werden zum Beispiel von ATI , NVIDIA oder 3DLabs hergestellt und von verschiedenen Grafikkartenherstellern (z.B. ABit, Asus, Gainward, MSI, Sapphire) auf ihren Karten verwendet.

Der Grafikprozessor übernimmt rechenintensive Aufgaben der 2D und 3D-Computergrafik und entlastet dadurch den Hauptprozessor (CPU). Die freigewordene Prozessorzeit kann somit für andere Aufgaben verwendet werden. Die Anfänge der Grafikprozessoren liegen in den 70er und 80er Jahren. Zunächst waren sie vor allem für eine selbständige Text- und Grafikausgabe zuständig und entlasteten den Zentralprozessor von dieser Aufgabe. Um dabei Datentransfers zu vermeiden, konnten diese Prozessoren auch Sprites darstellen. Insbesondere im Grafikbereich musste dabei gleichwohl der Zentralprozessor die gesamte Rechenleistung erbringen. Dies änderte sich erst in den 80er Jahren mit Rechnern wie dem Commodore Amiga oder dem Atari ST. Diese verfügten bereits über Blitting Funktionen. Im X86PC Bereich wurden diese erweiteren Grafikchips mit dem Übergang von textbasieren DOS-Anwendungen zu grafikbasieren Windows-Anwendungen als „Windows-Beschleuniger“ ein Erfolg. Später erfolgte dann die Markteinführung der ersten 3D-Beschleuniger. Mitte der 1990er wurden vor allem reine 3D-Beschleunigerkarten mit 3dfx-Chipsätzen eingesetzt. Mittlerweile besitzen alle gängigen Grafikkarten einen mehr oder weniger leistungsstarken Prozessor, was zusätzliche Beschleunigerkarten überflüssig gemacht hat.

In den letzten Jahren hat die Entwicklung der Grafikprozessoren große Fortschritte gemacht. Zu nennen sind Techniken wie Anti-Aliasing, Anisotropes Filtern. Durch NVIDIAs Scalable Link Interface (Kurz: SLI) oder ATI's Pendant Crossfire ist es nun möglich einem Motherboard zwei Grafikkarten anzuschließen und somit mit mehreren Grafikprozessoren zu arbeiten.

Aus technischer Sicht ist eine GPU als ein Prozessor mit integrierten Transform-, Lighting-, Triangle-Setup/Clipping- und Rendering-Engines definiert. Als eine Kennzahl für die Leistungsfähigkeit wird hier gerne die Anzahl der berechenbaren Polygone pro Sekunde herangezogen.

GPUs sind echte Prozessoren auf dem Niveau der CPUs, denen sie entsprechen. Beispielsweise enthält NVIDIAs Geforce3 57 Mio. Transistoren bei einem 0,15 Mikrometer (µm) Fertigungsprozess, während Intels Pentium 4 mit Willamette Kern zu diesem Zeitpunkt 42 Mio. Transistoren bei 0,18 µm enthielt. Da Fertigungsprozesse mit höherer Dichte schnellere Transistoren ermöglichen, war zumindest physikalisch betrachtet der Geforce3 der leistungsstärkere Prozessor.

Der Leistungszuwachs bei Grafikprozessoren hat mit einem jährlichen Faktor von 2,4 sogar das Mooresche Gesetz übertroffen, und auch die Funktionalität hat sich deutlich vergrößert. So kann nahezu jede Komponente der GPU neu programmiert werden, und sämtliche Berechnungen lassen sich mit vollen 32bit Gleitkommawerten ausführen. Da ein Grafikbefehl gleichzeitig mit mehreren Daten (einem Vektor) arbeitet, kann die GPU eher als SIMD (engl.: single instruction multiple data) Parallelprozessor beschrieben werden, was diesen auch für wissenschaftliche Anwendungen interessant macht.

[Bearbeiten] Hersteller

3dfx, 3DLabs, AMD, ATI Technologies, Intel, Matrox, NVIDIA, SiS, S3 Graphics, XGI

Aufgrund des starken Wettbewerbs und der damit verbundenen hohen Entwicklungskosten sind einige dieser Hersteller inzwischen aufgekauft worden (3dfx, 3DLabs) oder konzentrieren sich auf einen Nischenmarkt.

So ist z.B. Intel bei integrierten Grafikchips auf Hauptplatinen marktführend, während bei steckkartenbasierten Grafiklösungen (welche leistungsfähiger und besonders für PC-Spieler interessanter sind) ATI und NVIDIA das Feld unter sich aufteilen. Matrox hat sich nach erfolglosen Versuchen im Consumermarkt auf den professionellen CAD Bereich spezialisiert.