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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 900 GB/s zurückgegriffen werden.
Aktueller Stand der Technik ist PCI-Express 5.0 mit einer Datenrate von 3,938 GB/s für eine Lane. Aber auch wenn die beiden Endkunden-Plattformen von AMD und Intel bereits PCI-Express 5.0 unterstützen heißt dies noch nicht, dass dies auch bei den Grafikkarten der Fall ist. AMD, NVIDIA und auch Intel selbst verzichten bei den Grafikkarten aktuell noch auf PCI-Express 5.0 und bieten maximal eine Unterstützung von PCI-Express 4.0.
Typischerweise werden die GPUs auf Desktop-Grafikkarten über 16 Lanes angebunden und somit kommen wir bei PCI-Express 4.0 auf 31,508 GB/s. Für Grafikkarten in Notebooks können je nach verwendetem Prozessor und der GPU auch mal nur acht oder gar vier Lanes bereitstehen, was die Bandbreite dann halbiert bzw. es steht nur noch ein Viertel der vollen Bandbreite zur Verfügung. Eine Limitierung stellt eine Anbindung über acht Lanes durch die Verwendung von PCI-Express 4.0 meist nicht dar. Messbar ist eine gewisse Differenz, ob der Spieler sie bemerkt, steht an anderer Stelle. Acht PCIe-4.0-Lanes kommen auf die gleiche Übertragungsrate wie 16 PCIe-3.0-Lanes. Mit PCI-Express 5.0 dürfte dieser Umstand noch weniger wichtig sein.
Die klassischen Desktop-Grafikkarten aber kommen aktuell also auf 16 Lanes und dementsprechend liegt die Bandbreite bei 31,5 GB/s. Die schnelle Anbindung der Grafikkarten an das System könnte mit dem Einsatz von Direct Storage wichtiger werden. Aktuell limitiert hier aber noch nicht die Anbindung zwischen GPU und dem restlichen System, sondern eher die API als solches. Dies zeigt sich deutlich, wenn man eine NVMe-SSD mit PCIe 3.0 und 4.0 bzw. 5.0 im Hinblick auf Direct Storage miteinander vergleicht. In den Ladezeiten gibt es nur einen messbaren Unterschied aber auch hier wird der Spieler dies nicht spüren.
Die Unterstützung von PCI-Express 5.0 ist auf den Plattformen also bereits angekommen, noch nicht aber bei den Grafikkarten. Dies sieht im Serversegment anders aus. Hier spielt die Bandbreite eine deutlich wichtigere Rolle.
Die PCI-Express-Schnittstelle ist die zentrale Komponenten für den Datenaustausch zwischen der Grafikkarte und dem restlichen System. In den vergangenen Jahren haben sich AMD, Intel 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 den Core-Prozessoren von Intel ab der 10. 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. Im UEFI haben die Mainboardhersteller die Option entweder direkt aktiviert oder positionieren diese prominent.
Wer sicher gehen möchte, schaut im UEFI nach: 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.
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 2.1a Einzug gehalten. Mit dieser Version wird die Datenrate auf 48 GBit/s erhöht, was Auflösungen von 7.680 x 4.320 Pixel bei 120 Hz ermöglicht. Dazu kommt aber die Display Stream Compression zum Einsatz, die mathematisch verlustbehaftet ist, was sich in der Bildqualität aber nicht ausdrückt.
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-40-Karten setzt NVIDIA auf DisplayPort 1.4a. Die Bandbreite liegt bei 32,40 Gbit/s und damit etwas unterhalb von HDMI 2.1a. 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.
Grafikkarten mit aktueller AMD- und Intel-GPU setzen bereits auf DisplayPort 2.1. Über die Transmissions-Modi UHBR 10, UHBR, UHBR 13.5 und UHBR 20 werden hier 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.
Schon mit der GeForce RTX 3090 Ti, später dann aber mit allen Karten der GeForce-RTX-40-Serie forcierte NVIDIA den Einsatz des 12VHPW-Anschlusses. Dieser kann bis zu 600 W übertragen und erspart damit den Einsatz von bis zu drei Steckern und Kabeln, wie dies sonst notwendig wäre. Mit der ATX-3.1-Spezifikation gibt es leichte Abwandlungen zum 12V-2×6, der aber kompatibel zum 12VHPWR ist.
Die PCI-Express-Anschlüsse mit sechs und acht Pins werden früher oder später also verschwinden. Aktuell setzen einige Boardpartner bei NVIDIA diese bei den Mittelklasse und darunter platzierten Grafikkarten noch ein, aber auch hier werden sie in der nächsten Generation sicherlich verschwinden. Dann dürften auch AMD und Intel nachziehen.
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