mini|Grafikkarte für den PCIe-Slot, ohne Kühler
Eine Grafikkarte, historisch auch Videoadapter, steuert in einem Computer die Grafikausgabe im verwendeten Videomodus. Bei Ausführung eines Programms berechnet der Prozessor die Daten, leitet diese an die Grafikkarte weiter und die Grafikkarte wandelt die Daten so um, dass der Monitor oder Projektor („Beamer“) alles als Bild wiedergeben kann. Grafikkarten werden entweder als PC-Erweiterungskarten über ein Bussystem (PCIe, früher auch AGP, PCI, VLB oder ISA) mit der Hauptplatine verbunden oder sind in einer der Komponenten auf der Hauptplatine enthalten, etwa im Chipsatz oder im Hauptprozessor (CPU) bzw. als Bestandteil des SoC.
Die wichtigsten Komponenten moderner Grafikkarten sind: GPU, Grafikspeicher, RAMDAC sowie die Anschlüsse für externe Geräte (z. B. für den Monitor oder Grafiktablett). Um eine separate Grafikkarte von einer integrierten unterscheiden zu können, werden diese auch auf mit „dGPU“ für dedizierte und mit „iGPU“ für integrierte Grafikeinheiten bezeichnet. Auch externe Grafikkarten gibt es, die meist mit „eGPU“ (für ) bezeichnet werden. Die GPU sollte jedoch nicht mit der Grafikkarte als Ganzes verwechselt werden, obwohl „GPU“ oft als Referenz für die Grafikkarte genutzt wird.
Geschichte
Grafikkarte mini|EGA-Grafikkarte für den XT-Bus mini|VGA-Grafikkarte für den ISA- und EISA-Bus(ELSA Winner 1000) mini|SVGA-Grafikkarte für den VL-Bus(ATI Mach64) mini|SVGA-Grafikkarte für den PCI-Bus(Trident Daytona 64) mini|3D-Grafikkarte für den PCI-Bus Das Grafikkarten-Prinzip wurde in Serienproduktion erstmals beim Mikrocomputer Apple II verwendet, dessen auf der Hauptplatine integrierte Grafikfähigkeiten durch zusätzlich zu erwerbende Steckkarten verbessert werden konnten („PAL-Farbkarte“, „80-Zeichen-Karte“). Dieser kam 1977 auf den Markt.
Der erste IBM PC kam 1981 mit einer Karte auf den Markt, die lediglich die einfarbige Darstellung von Text ermöglichte (MDA = Monochrome Display Adapter). Die Firma Hercules bot 1982 eine bessere Karte an, die Hercules Graphics Card.
Bis 1989 setzten sich die Farb-Grafikkartentypen als Standard durch, die IBM neu auf den Markt brachte: 1982 die CGA-Karte (populär ab 1984) 1984 die EGA-Karte 1987 mit den PS/2-Modellen die MCGA- und VGA-Karte
Bis zum PC/AT setzte IBM damit Industriestandards, die von der wachsenden Industrie der IBM-PC-Kompatiblen übernommen wurde. Teilweise findet sich der VGA-Modus (640 × 480 Punkte in 16 Farben) noch als „Notfall-Modus“ bei einigen PCs, da bis zu diesem Modus die Hardware der PC-Grafikkarten von der Software auf einheitliche Weise angesprochen werden kann. Aber auch neuere Standards sind verbreitet, etwa von der Video Electronics Standards Association (VESA) standardisierte Modi (implementiert als VESA BIOS Extensions) oder UEFI GOP (), die meist hochauflösendere Modi in mehr Farben unterstützen, meist jedoch auch weiterhin den VGA-Modus enthalten.
Die weiteren Bezeichnungen SVGA, XGA usw. sind keine Grafikkartenstandards mehr, sondern Kurzbezeichnungen für Bildschirmauflösungen, zum Beispiel XGA mit 1024 × 768 Punkten.
Bis etwa 1990 beschränkten sich die Grafikkarten darauf, den Inhalt des Grafikspeichers über einen sogenannten RAMDAC-Baustein in Ausgangssignale für den Monitor umzuwandeln. Der Programmierer konnte im Wesentlichen nur den Textmodus nutzen sowie im Grafikmodus einzelne Pixel auf eine bestimmte Farbe setzen. Das war die erste Generation der Grafikkarten. Es folgten zwei weitere: Die sogenannten „Windows-Beschleuniger“ Die 3D-Beschleuniger
Beschleunigung durch Software Ab 1991 wurden die Grafikkarten zu eigenständigen kleinen Recheneinheiten mit eigener GPU (Graphics Processing Unit) weiterentwickelt, einer sogenannten Graphics- oder Pixel Engine oder dt. Grafikprozessor, bei dem man nicht nur einzelne Pixel setzen konnte, sondern dem man Befehle zum Zeichnen von Linien und Füllen von Flächen schicken konnte (Windows-Beschleuniger). Diese Funktionen beschleunigten vor allem das Verschieben der Fenster (Windows) der grafischen Benutzeroberfläche. Das Konzept der Zusatzfunktionalität wurde mit der Zeit immer weitergeführt, so wurden z. B. seit 1995 auch Funktionen zur Beschleunigung der Videowiedergabe (z. B. im AVI-Format) und Dekodierung von komprimierten Videodaten (z. B. MPEG) eingeführt (Videobeschleunigung). Diese Funktionen wurden vorher auf separaten Steckkarten angeboten.
Hardwarebeschleunigung
Nachdem Mitte der 1990er Jahre mit Doom der große Boom der 3D-Spiele begonnen hatte, kam bald von 3dfx der erste brauchbare 3D-Beschleuniger, der Voodoo Graphics-Chipsatz. Einem 3D-Beschleuniger kann ein Programm in einem dreidimensionalen Raum die geometrischen Figuren in Form von Polygonen und die Texturen angeben, mit denen die Flächen der Polygone gefüllt werden sollen (Rendern). Diese recht simple, aber rechenintensive Aufgabe hatte in den frühen 3D-Spielen noch die CPU übernehmen müssen; nun konnte sie an die Grafikkarte delegiert werden, was zu einer massiven Leistungssteigerung von 3D-Spielen führte (bessere Bildauflösung, wesentlich realistischere Bilder).
Waren die 3D-Beschleuniger der ersten Generation noch auf eigenen Steckkarten verbaut, durch die das Grafiksignal der im System verbauten 2D-Grafikkarte durchgeschleift wurde, setzten sich bald Lösungen durch, die 2D- und 3D-Funktionalität auf derselben Karte vereinten.
Um noch mehr 3D-Leistung anzubieten, werden heute mit der Multi-GPU-Technik (siehe auch Nvidia SLI und AMD CrossFireX) zwei oder mehr 3D-Grafikkarten bzw. -prozessoren parallel geschaltet, um noch mehr Grafikelemente je Zeitspanne berechnen zu können. Diese Technik erfordert jedoch einen hohen Kostenaufwand und Energiebedarf.
Aufbau und Funktionsweise mini|Grafikkarte für den AGP-Bus Hardwareschnittstellen zum System Die übliche Hardwareschnittstelle für Grafikkarten ist PCI Express, früher waren auch ISA, VESA Local Bus, PCI und AGP gängig. Diese Schnittstellen sind entweder Bussysteme oder Direktverbindungen (AGP, PCI Express), die den Buscontroller mit der Grafikkarte verbinden. Da die Spezifikation der Schnittstellen zumeist durch Interessenverbände vorgenommen wird, in denen sowohl die Controller- als auch die Grafikkarten- bzw. Grafikchiphersteller Mitglied sind, funktionieren (im Idealfall) alle konformen Grafikkarten mit allen konformen Controllern. Es gab in der Vergangenheit aber verschiedene Probleme mit einigen Schnittstellen, die die Interoperabilität einschränkten, beispielsweise „AGP Fast Writes“ bei AGP (auf Intel-Plattformen konnte es die Leistung erhöhen, auf AMD-Plattformen für Instabilität sorgen) oder IRQ-Probleme bei PCI (mögliche Abstürze, Einfrieren oder Leistungseinbrüche, Ursache meist schlechte oder fehlerhafte Implementierung der Schnittstelle).
Bei anderen Plattformen als den IBM-kompatiblen Rechnern gab es entsprechend den dort üblichen Stecksystemen Grafikkarten für die Apple-II-Steckplätze, später bei den ersten Macs für NuBus (später PCI und dessen Nachfolger, analog zum PC), für Amigas für deren Zorro-Bus und auch Europakarten für Systeme, die auf letzteren aufbauen.
Über schnelle externe Schnittstellen wie Thunderbolt und USB-C sind auch externe Grafikkarten möglich, meist mit eGPU für bezeichnet.
Grafikspeicher Der Grafikspeicher dient zur Ablage der im Grafikprozessor (GPU) verarbeiteten Daten sowie als Bildspeicher („Framebuffer“): Das sind digitale Bilder, die später auf dem Computer-Bildschirm oder mit dem Projektor ausgegeben werden.
Die Größe des Grafikspeichers bestimmte die maximale Farbtiefe und Bildauflösung. Dabei ließ sich der benötigte Speicher für eine gewünschte Auflösung und Farbtiefe vom Anwender leicht errechnen: Wenn beispielsweise die Auflösung 1600 × 1200 mit einer Farbtiefe von 24 Bit (True Color) erwünscht ist, berechnet man zunächst die Anzahl der Bildpunkte (Pixel) dieser Auflösung (1600 horizontal × 1200 vertikal = 1.920.000 Pixel insgesamt). Die Farbtiefe „24 Bit“ bedeutet, dass für jedes dieser Pixel 24 Bit Farb-Informationen vorliegen. Somit multipliziert man die Pixelanzahl mit der Farbtiefe (1.920.000 × 24 Bit = 46.080.000 Bit). Nunmehr ist nur noch die Umrechnung in Byte erforderlich. Da ein Byte aus 8 Bit besteht, wird die Zahl durch 8 geteilt (46.080.000 Bits ÷ 8 = 5.760.000 Bytes). Da früher Grafikkarten in der Regel mit 4 oder 8 MiB Grafikspeicher ausgeliefert wurden, hätte man für die gewünschte Einstellung eine Grafikkarte mit mindestens 8 MiB Grafikspeicher benötigt.
Heute werden ausschließlich Grafikkarten mit sehr viel mehr Speicher gebaut als zur reinen Bildspeicherung notwendig wäre. Beim Rendern dreidimensionaler Grafiken werden hier zusätzlich zum Framebuffer die Daten der Objekte, beispielsweise Größe, Form und Position, sowie die Texturen, die auf die Oberfläche der Objekte gelegt werden, gespeichert. Besonders die immer höher auflösenden Texturen haben für einen starken Anstieg der Speichergröße bei aktuellen Grafikkarten gesorgt. So liegt die Speichergröße aktueller Grafikkarten bereits im drei- bis fünfstelligen Mebibytebereich (512 MiB, 1024 MiB, 2048 MiB, 3072 MiB, 4096 MiB, 6144 MiB, 8192 MiB, 12288 MiB, 24576 MiB, 32768 MiB) – 512 MiB und weniger, wie es bis ca. 2005 noch verbreitet war, sind selten geworden. 2015 wurde die erste Server-Grafikkarte mit 32 GiB Grafikspeicher vorgestellt. Bei Spielegrafikkarten lag die Obergrenze 2018 bereits bei 24 GiB, wobei es bei Grafikkarten-Modellen für den Massenmarkt zwischen 2016 und 2021 eher zu einer Stagnation bei rund 8 GiB kam. 2025 wurde die erste Spielegrafikkarte mit 32 GiB Speicher vorgestellt, sowie auf derselben GPU basierende professionelle Grafikkarten erstmals mit 96 GiB GDDR7-Grafikspeicher. Die tatsächliche Ausstattung liegt bei den meisten Modellen deutlich unter dieser Maximalvariante. Für KI-Rechenzentren, wo Grafikprozessoren als KI-Beschleuniger verwendet werden, wird deutlich mehr Speicher benötigt – 2025 wurde in diesem Bereich ein Modell mit 288 GiB HBM3e-Grafikspeicher angekündigt.
Bei Onboard-Lösungen wird meist der Hauptspeicher des Systems als Grafikspeicher genutzt, das wird als Shared Memory bezeichnet. Der Zugriff erfolgt über das jeweilige Bussystem und ist deshalb langsamer als direkt angebundener Speicher.
Grafikprozessor (GPU) mini|Nvidia-NV24-Grafikprozessor mini|Der G92-Grafikchip einer Nvidia GeForce 8800 GT Der Grafikprozessor dient zur Berechnung der Bildschirmausgabe. Mitte der 1990er Jahre kamen die ersten 3D-Beschleuniger auf den Markt. Diese Grafikprozessoren waren in der Lage, einige Effekte und dreiecksbasierte Algorithmen (wie u. a. Z-Puffern, Texture Mapping) und Antialiasing selbstständig durchzuführen. Besonders dem Bereich Computerspiele verhalfen solche, zusätzlich zu installierenden Steckkarten (z. B. 3dfx Voodoo Graphics), zu einem Entwicklungsschub.
Heute sind GPUs wegen ihrer Spezialisierung auf Grafikberechnungen den CPUs in ihrer Rechenleistung überlegen. Als Vergleich dienen die Transistoranzahl des Grafikprozessors von Nvidia (Geforce 8800GTS 512, 754 Millionen) mit der eines Modells von Intel (Core 2 Extreme QX9650, 820 Millionen). Der Unterschied wird deutlich, wenn man bedenkt, dass über die Hälfte der CPU-Chipfläche für die 2 × 6 MB Cache verbraucht werden. Die Entwicklung der Integrationsdichte der Grafikprozessoren hat mit einem jährlichen Faktor von 2,4 sogar das Mooresche Gesetz übertroffen.
Wie bei den Hauptprozessoren der Rechner, in die die Grafikkarten eingebaut werden, sind auch die GPUs auf den Grafikkarten oft Gegenstand von Übertaktungsmodifikationen zur Leistungssteigerung.
Die Rechenkapazität, die auf solchen Grafikkarten zur Verfügung steht (siehe unter GPGPU), hat schon dazu geführt, dass allein zum Erzielen maximaler Rechenleistung mehrere Grafikkarten in einen Rechner eingebaut werden. Solche Systeme werden teilweise in großen Anzahlen zu Supercomputern zusammengestellt.
Kühllösungen mini|Passiver beidseitiger Kühlkörper (Radeon 9600 XT)