In Kooperation mit NVIDIA
Die PCI-Express-Schnittstelle
Derzeit werden alle Grafikkarten, egal ob im Desktop, im Notebook oder extern per Thunderbolt 4, über das PCI-Express-Interface mit dem System verbunden. Inzwischen haben einige Hardwarehersteller aber auch eigene Interconnects entwickelt und im Falle von NVIDIA kann für GPU-Beschleuniger im Datacenter- oder Workstation-Bereich auf NVLink als bidirektionale Verbindung mit einer Bandbreite von bis zu 600 GB/s zurückgegriffen werden.
Aktueller Stand der Technik ist PCI-Express 4.0 mit einer Datenrate von 1,969 GB/s für eine Lane. Nun verfügen die GPUs aber über die Möglichkeit, mehr als eine Lane zu nutzen und typischerweise stehen auf dem Desktop auch 16 dieser PCI-Express-Lanes zur Verfügung. Für Grafikkarten in Notebooks können je nach verwendetem Prozessor auch mal nur acht oder gar vier Lanes bereitstehen. Eine Limitierung stellt eine Anbindung über acht Lanes durch die Verwendung von PCI-Express 4.0 meist nicht dar. Acht PCIe-4.0-Lanes kommen auf die gleiche Übertragungsrate wie 16 PCI-3.0-Lanes.
Die klassischen Desktop-Grafikkarten aber kommen auf 16 Lanes und dementsprechend liegt die Bandbreite bei 31,5 GB/s. Wie wir später beim Grafikspeicher noch sehen werden, sind aber selbst diese 31,5 GB/s zu langsam, um die Daten von der SSD oder Festplatte direkt an die GPU zu liefern und daher werden diese auf dem Grafikspeicher zwischengespeichert. Neben der reinen Datenübertragung wird das PCI-Express-Interface auch teilweise zur Stromversorgung der Grafikkarte verwendet. Dazu kommen wir aber noch.
Alle aktuellen Prozessoren bzw. Mainboards unterstützen PCI-Express 4.0. Mit PCI-Express 4.0 verdoppelt sich die Datenrate auf 1,969 GB/s pro Lane im Vergleich zu PCI-Express 3.0. Für den Server-Bereich steht im kommenden Jahr der Wechsel auf PCI-Express 5.0 an. Hier spielt die Anbindung der GPU-Beschleuniger aufgrund der Anwendung noch einmal eine andere Rolle. Mit PCI-Express 5.0 wird es eine abermalige Verdopplung auf 3,938 GB/s pro Lane und 64 GB/s für 16 Lanes geben.
Die PCI-Express-Schnittstelle ist die zentrale Komponenten für den Datenaustausch zwischen der Grafikkarte und dem restlichen System. In den vergangenen Monaten haben sich AMD und NVIDIA dieser Kommunikation gewidmet und eine schon längst vorhandene Funktion namens Resizable BAR (rBAR) umgesetzt. rBAR vereinfacht bzw. beschleunigt die Zugriffe auf den Speicher der Grafikkarte, was deren Leistung verbessern soll.
Resizable BAR wird auf Systemen mit AMD-Prozessoren ab Zen 3 (Ryzen-5000-Serie) sowie mit Intel-Prozessoren ab 10. und 11. Core-Generation angeboten. Die Voraussetzungen an die Chipsätze sind ein Mainboard mit 400-Series Chipsatz (die auch die Ryzen-5000-Prozessoren unterstützen) oder 500-Series Chipsatz. Bei Intel sind dies aktuell der Z490, H470, B460 und H410. Mainboardhersteller haben entsprechende UEFI-Updates bereits veröffentlicht und alle aktuellen GeForce-RTX-Karten unterstützen rBAR ebenfalls.
Um das Resizable BAR nutzen zu können, muss dies im UEFI aktiviert werden. Die dazugehörigen Optionen hören auf die Namen "Above 4G memory/Crypto Currency mining" und "Re-Size BAR Support" und sind im UEFI bei den PCI-Express-Einstellungen zu finden. In den Systeminformationen des NVIDIA Control Panel kann unter "Resizable BAR" kontrolliert werden, ob rBAR auch aktiv ist. Programme wie GPU-Z zeigen dies ebenfalls an.
Metro: Exodus
2.560 x 1.440 - Hoch
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1.920 x 1.080 - Hoch
Die Benchmarks weisen rBAR ein Leistungsplus von bis zu 10 %. Dieses Leistungsplus bekommt der Nutzer quasi kostenlos geliefert, denn alles was er dafür tun muss, ist eine Option im UEFI zu aktivieren.
Die Display-Ausgänge
Hat die Grafikkarte das gewünschte Bild gerendert, muss natürlich auch eine Ausgabe auf dem Monitor erfolgen. Dazu verfügen alle Grafikkarten über die entsprechenden Display-Ausgänge. HDMI und DisplayPort haben sich zu den Quasi-Standards entwickelt, während man DVI oder gar VGA gar nicht mehr vorfindet. Die langsamen digital bzw. analogen Signalübertragungen werden den aktuellen Standards an die Übertragungsqualität nicht mehr gerecht, denn je nach Auflösung und Bildwiederholfrequenzen werden hier einige Gigabit pro Sekunde benötigt.
HDMI
HDMI steht für High Definition Multimedia Interface und ermöglicht neben einer höheren Auflösung auch die Übertragung von Audiosignalen von der Grafikkarte an den Monitor. Selbst eine Netzwerkverbindung kann über HDMI aufgebaut werden. Stetig wird die maximale Datenrate von HDMI erhöht, was neben immer höheren Auflösungen auch die Übertragung von mehr und mehr Audioformaten sowie höheren Farbtiefen ermöglicht.
Mit der Spezifikation 1.0 wurde eine Datenrate von 3,96 GBit/s erreicht und theoretisch war diese auch Pin-kompatibel zu DVI. 1.920 x 1.080 Pixel bei 60 Hz wurden damit ermöglicht und zugleich konnten acht Audiospuren übertragen werden. Erst HDMI 1.3 ermöglichte mit einer Datenrate von 8,16 GBit/s eine Auflösung von 2.560 x 1.440 Pixel bei 60 Hz. HDMI 1.4 erweiterte die mögliche Auflösung bei gleicher Datenrate auf 3.840 x 2.160 Pixel bei allerdings nur 24 Hz.
Mit HDMI 2.0 wurden dann auch diese Engstelle gelöst und die UHD-Auflösung konnte mit 60 Hz übertragen werden. Dazu verwendet der HDMI-Standard eine Datenrate von 14,4 GBit/s. In der Audiounterstützung sprechen wir hier von 32-Kanal-Audio und Abtastraten von 1.536 kHz. Mit HDMI 2.0a wurde erstmals die Unterstützung von HDR (High Dynamic Range) eingeführt. Alle aktuellen Grafikkarten von NVIDIA unterstützen derzeit HDMI 2.0b, was zusätzlich eine dynamische Synchronisation mehrerer Audio- und Videostreams ermöglicht.
Inzwischen hat HDMI 2.1 Einzug gehalten. Mit dieser Version wird die Datenrate auf 42,3 GBit/s erhöht, was Auflösungen von 7.680 x 4.320 Pixel bei 60 Hz oder 3.840 x 2.160 bei 120 Hz ermöglicht. Für die immer höheren Datenraten von HDMI sind inzwischen spezielle Kabel erhältlich. Solche mit HDMI Premium High Speed und HDMI Ultra High Speed sind der Lage, die höchsten Übertragungsraten zu erreichen und dann gibt es auch keinerlei Probleme hinsichtlich der Auflösung, Farbtiefe und Bildwiederholungsrate.
DisplayPort
DisplayPort ist ein durch die VESA (Video Electronics Standards Association) genormter Standard, der sich neben HDMI durchgesetzt hat. Ähnlich wie bei PCI-Express kommen auch bei DisplayPort sogenannte Lanes zum Einsatz. Seit der ersten Version bis hin zum aktuellen DisplayPort 2.0 sind dies vier Lanes, die über die Versionen hinweg aber immer schneller wurden und damit die Gesamtbandbreite erhöhten.
DisplayPort 1.0 bis 1.1a erreichten eine Brutto-Datenraten von 10,8 GBit/s und damit war DisplayPort von Anfang an schneller als HDMI. Somit war auch die Übertragung eines Signals von UHD-Auflösung von Beginn an möglich. DisplayPort 1.2 war dahingehend ein wichtiger Schritt, da hier eine Funktion namens Adaptive Sync hinzugefügt wurde, bei der die Ausgabe der GPU und die Darstellung auf dem Monitor synchronisiert werden konnte. Das Display stellte also nicht mehr alle 24, 30 oder 60 Hz ein Bild dar, sondern kann dies nun mit der Ausgabe der Grafikkarte bei sagen wir 40 Bildern pro Sekunde abgleichen. NVIDIA hat sich aus mehreren Gründen für einen proprietäre Umsetzung einer solchen Technik namens G-Sync entschieden. Mehr dazu später.
Bei den aktuellen GeForce-RTX-Karten setzt NVIDIA auf DisplayPort 1.4a. Die Bandbreite liegt bei 32,40 Gbit/s und damit etwas unterhalb von HDMI 2.1. War DisplayPort dem HDMI-Standard lange Zeit technisch überlegen, hat sich HDMI inzwischen zur Standard-Schnittstelle entwickelt, bei der eine schnellere Weiterentwicklung zu verzeichnen ist. Die Wahl des jeweiligen Monitors, der damit verbundenen maximalen Auflösung und Bildwiederholungsfrequenz entscheiden am Ende wohl darüber, ob HDMI oder DisplayPort verwendet wird.
Für DisplayPort wird die Version 2.0 der nächste Schritt sein. Über die Transmissions-Modi UHBR 10, UHBR, UHBR 13.5 und UHBR 20 werden inzwischen 20 GBit/s pro Lane erreicht. Die Datenrate liegt zusammengenommen bei 80 GBit/s und damit deutlich über dem, was HDMI 2.1 zur Verfügung stellt. Darüber hinaus gibt bereits eine grobe Planung für die nächste DisplayPort-Variante. Diese soll die Datenrate verdoppeln und damit fit für die Zukunft sein. Bisher gibt es aber noch keine weiteren Spezifikationen dazu. HDMI 2.1 und DisplayPort 1.4 sind die aktuell auf den Karten verwendeten Übertragungsstandards.
Die Stromversorgung
Der Stromversorgung einer Grafikkarte kommt eine wichtige Rolle zu, denn ohne die notwendige Versorgung laufen die Karten schlichtweg nicht. Bereits im Rahmen des PCI-Express-Interfaces angesprochen haben wir die Möglichkeit der Versorgung über den entsprechenden Steckplatz. Dieser stellt über die Spannungsschienen von 12, 5 und 3,3 V aber nur maximal 75 W zur Verfügung. Leistungsstarke Karten verlangen aber nach deutlich mehr als 75 W und hier kommen die zusätzlichen Stromanschlüsse ins Spiel, die sich zumeist am hinteren Ende der Grafikkarte befinden.
Für die zusätzliche Versorgung gab es bisher zwei Stecker-Typen auf Basis der PCI-Express-Spezifikation. Diese verfügen über sechs und acht Pins. Die 6-Pin-Variante soll laut Spezifikation bis zu 75 W liefern können, die mit acht Pins maximal 150 W. Es handelt sich bei den 75 und 150 W aber keineswegs um Grenzen der verbauten Hardware in Form der Kabel und Stecker, sondern vielmehr um Vorgaben, nach denen sich die Netzteilhersteller richten können. Inzwischen sind wir bei einigen Modellen bei über 400 W angekommen und so sehen wir auch High-End-Modelle mit drei 8-Pin-Anschlüssen.
Mit den ersten Karten der GeForce-RTX-30-Serie führte NVIDIA einen neuen Anschluss für die Stromversorgung ein. Nur noch ein Stecker mit 12 Pins versorgt die Founders-Edition-Karten. NVIDIA begründet die Verwendung der hochkant stehenden Buchse mit dem geringeren Platzbedarf. Dies ist auch durchaus ein Argument, denn für die neue 12-Pin-Buchse sprechen wir von 20,4 x 6,86 x 9,25 mm. Eine 8-Pin-Buche kommt auf 18 x 10 x 10,5 mm. Müssen zwei dieser 8-Pin-Buchen verbaut werden, nehmen diese doppelt so viel Platz ein, wie eine 12-Pin-Buche.
Mit dem 12-Pin-Anschluss ist nur noch ein Kabel notwendig, welches zur Karte geführt wird. Dies vereinfacht das Kabelmanagement. Aufgrund des kürzeren PCBs befindet sich der 12-Pin-Anschluss aber meist in der Mitte der Karte. Den Karten liegt ein Adapter bei, um von ein- oder zweimal 8-Pin PCIe auf den neuen 12-Pin-Anschluss zu kommen. Die meisten Netzteilhersteller haben haben zudem Upgrade-Kits für ihre modularen Netzteile angeboten, damit die Karten direkt vom Netzteil mit dem 12-Pin-Anschluss versorgt werden können.
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