Wie funktioniert eine Grafikkarte? Die GPU einfach erklärt

Wie funktioniert eine Grafikkarte? Die GPU einfach erklärt

Grafikkarten

Ein Bild in Ultra HD besteht aus 3.840 × 2.160 = 8.294.400 Pixeln. Bei 60 Bildern pro Sekunde muss der Rechner also rund 500 Millionen Mal pro Sekunde entscheiden, welche Farbe ein Pixel bekommt, und das ist nur der letzte Schritt. Genau für diese Art Arbeit gibt es die GPU: einen Prozessor, der nicht wenige schwierige, sondern sehr viele einfache Aufgaben gleichzeitig erledigt. Dieser Beitrag erklärt, was dabei im Chip passiert und welche Datenblattangaben beim Kauf etwas bedeuten.

GPU und CPU: Spezialisten gegen Massenbetrieb

Ein aktueller Desktop-Prozessor hat meist 6 bis 16 Kerne. Jeder davon ist ein Alleskönner mit großen Caches, Sprungvorhersage und hohem Takt, optimiert dafür, eine Befehlsfolge mit vielen Verzweigungen möglichst schnell abzuarbeiten. Die GeForce RTX 5090 hat laut NVIDIA 21.760 sogenannte CUDA-Kerne. Jeder davon ist deutlich einfacher, aber alle können gleichzeitig dieselbe Rechenvorschrift auf unterschiedliche Daten anwenden.

Ein Vergleich aus dem Alltag: Die CPU ist ein kleines Team erfahrener Buchhalter, das komplizierte Einzelfälle prüft. Die GPU ist ein Saal mit Tausenden Hilfskräften, die alle dieselbe Tabelle bekommen und je eine Zeile ausrechnen. Für die Steuererklärung nimmt man die Buchhalter, für acht Millionen Pixel den Saal. Aus demselben Grund laufen heute auch KI-Modelle auf Grafikchips: Neuronale Netze bestehen überwiegend aus gleichförmigen Matrixrechnungen.

Die Rendering-Pipeline Schritt für Schritt

Ein Spiel beschreibt seine Szene als Dreiecke, deren Eckpunkte (Vertices) Positionen, Texturkoordinaten und weitere Daten tragen. Die klassische Pipeline, wie Microsoft sie für Direct3D dokumentiert, verarbeitet diese Daten in festen Stufen:

  1. Input Assembler: liest Eckpunkte und Dreiecke aus dem Speicher.
  2. Vertex Shader: rechnet jeden Eckpunkt aus der 3D-Welt in Bildschirmkoordinaten um.
  3. Tessellation und Geometry Shader (optional): unterteilen Flächen feiner oder erzeugen neue Geometrie.
  4. Rasterizer: ermittelt, welche Pixel ein Dreieck überdeckt.
  5. Pixel Shader (Fragment Shader): berechnet für jedes dieser Pixel die Farbe, etwa aus Texturen und Licht.
  6. Output Merger: prüft per Tiefenpuffer, ob das Pixel verdeckt ist, mischt Transparenzen und schreibt das Ergebnis ins Bild.

Vertex und Pixel Shader sind kleine Programme, die der Spieleentwickler schreibt. In HLSL, der Shadersprache von DirectX, sieht ein minimales Paar so aus:

float4x4 WorldViewProj;
Texture2D Tex;
SamplerState Samp;



struct VSOut { float4 pos : SV_Position; float2 uv : TEXCOORD0; };



VSOut VS(float3 pos : POSITION, float2 uv : TEXCOORD0)
{
    VSOut o;
    o.pos = mul(float4(pos, 1.0), WorldViewProj); // Eckpunkt -> Bildschirm
    o.uv  = uv;
    return o;
}



float4 PS(VSOut i) : SV_Target
{
    return Tex.Sample(Samp, i.uv) * 0.8;  // Texturfarbe, etwas abgedunkelt
}

Die GPU führt VS für jeden Eckpunkt und PS für jedes überdeckte Pixel aus, also Millionen Mal pro Bild, und zwar parallel. Genau darin liegt der Vorteil gegenüber einer CPU.

Shader-Einheiten, TMUs und ROPs

Bis etwa 2006 hatten Grafikchips getrennte Einheiten für Eckpunkte und Pixel. Eine GeForce 6800 LE etwa besaß 8 Pixel-Pipelines und 4 Vertex-Prozessoren. Lag in einer Szene mehr Last auf einer Seite, wartete die andere. Mit der GeForce 8800 auf Basis des G80 führte NVIDIA im November 2006 zusammen mit Direct3D 10 die Unified-Shader-Architektur ein: ein gemeinsamer Pool von Recheneinheiten, die je nach Bedarf jede Shaderart ausführen. AMD folgte mit der Radeon-HD-2000-Generation. Seitdem zählt man Shader-Einheiten statt Pipelines; NVIDIA nennt sie CUDA-Kerne, AMD bündelt sie in Compute Units.

Neben den Shadern gibt es zwei weitere Spezialisten. Texture Mapping Units (TMUs) lesen und filtern Texturen, Render Output Units (ROPs) schreiben fertige Pixel in den Speicher und erledigen Tiefentest und Kantenglättung. Die RTX 5090 hat 680 TMUs und 176 ROPs, die RTX 5070 192 TMUs und 80 ROPs.

Grafikspeicher: GDDR7, HBM und Bandbreite

Shader nützen nichts, wenn die Daten nicht schnell genug ankommen. Entscheidend ist die Speicherbandbreite, und die ergibt sich aus Busbreite und Datenrate:

Bandbreite (GB/s) = Busbreite (Bit) / 8 * Datenrate (Gbit/s pro Pin)



RTX 5090: 512 / 8 * 28 = 1.792 GB/s
RTX 5060: 128 / 8 * 28 =   448 GB/s

Beide Karten nutzen denselben Speichertyp mit derselben Datenrate, die 5090 hat aber ein viermal so breites Interface. GDDR7 ist seit März 2024 ein JEDEC-Standard. Statt zwei Signalpegeln wie bei GDDR6 nutzt er drei (PAM3) und überträgt so drei Bit in zwei Takten. Zum Start waren 32 Gbit/s pro Pin vorgesehen, der Standard erlaubt bis zu 48. HBM (High Bandwidth Memory) stapelt Speicherchips übereinander und setzt sie direkt neben den Grafikchip. Das bringt sehr breite Busse, ist aber teuer und findet sich heute fast nur in Rechenzentrumsbeschleunigern, nicht in Spielerkarten.

Die Speichermenge ist eine eigene Frage: Reicht sie nicht, lagert der Treiber Texturen in den langsameren Hauptspeicher aus, und es ruckelt. Deshalb gelten 8 GB heute selbst für Full HD als knapp.

Raytracing-Kerne und Tensor-Kerne

Klassisches Rendering rechnet Dreiecke ins Bild. Raytracing geht umgekehrt vor und verfolgt Lichtstrahlen durch die Szene, was Spiegelungen, Schatten und indirektes Licht realistischer macht. Die aufwendigste Teilaufgabe ist herauszufinden, welches Objekt ein Strahl trifft. Dafür wird die Szene in eine Hierarchie verschachtelter Hüllkörper (BVH) sortiert, die spezielle RT-Kerne durchsuchen. NVIDIA brachte sie im September 2018 mit der GeForce RTX 20, Microsoft hatte im März 2018 DirectX Raytracing angekündigt.

Tensor-Kerne beschleunigen dagegen Matrixrechnungen, genauer kombinierte Multiplikationen und Additionen, wie sie in neuronalen Netzen ständig vorkommen. Die RTX-50-Reihe hat RT-Kerne der vierten und Tensor-Kerne der fünften Generation, NVIDIA gibt für die RTX 5090 3.352 AI TOPS an. AMD und Intel haben vergleichbare Einheiten, Intel nennt sie XMX.

Upscaling und Frame Generation: DLSS, FSR, XeSS

Die Tensor-Kerne sind der Grund, warum KI-Upscaling heute Standard ist. Das Spiel rendert in niedrigerer Auflösung, ein neuronales Netz rekonstruiert daraus mit Bewegungsdaten früherer Bilder ein schärferes Bild in Zielauflösung.

VerfahrenHerstellerStand Oktober 2026
DLSSNVIDIASeit 2019; DLSS 3 mit Frame Generation ab RTX 40, DLSS 4 mit Multi Frame Generation (Januar 2025) nur RTX 50, DLSS 5 mit KI-generierten Licht- und Materialdetails seit September 2026 auf RTX 50
FSRAMDFSR 4 als erstes KI-Upscaling von AMD nur auf Radeon RX 9000; FSR Redstone (November 2025) ergänzt KI-Frame-Generation und Ray Regeneration
XeSSIntelNutzt auf Arc-Karten die XMX-Einheiten, läuft per DP4a-Fallback auch auf anderen GPUs; XeSS 3 bringt Multi Frame Generation für Arc Alchemist und Battlemage

Für die Praxis gilt: Upscaling im Qualitätsmodus ist in Ultra HD fast immer ein guter Tausch, der Unterschied zur nativen Auflösung ist in Bewegung kaum zu sehen. Frame Generation erzeugt dagegen Zwischenbilder, ohne die Eingabeverzögerung zu senken. Sie lohnt sich, um aus ohnehin flüssigen 60 Bildern pro Sekunde einen Monitor mit hoher Bildwiederholrate auszureizen, nicht um aus 30 ruckelnden Bildern ein spielbares Spiel zu machen.

DirectX 12, Vulkan und Metal

Spiele sprechen die GPU nicht direkt an, sondern über eine Programmierschnittstelle. DirectX 12 erschien am 29. Juli 2015 mit Windows 10, DirectX 12 Ultimate folgte im März 2020. Vulkan 1.0 veröffentlichte die Khronos Group am 16. Februar 2016, aufbauend auf AMDs Mantle; es läuft unter Windows, Linux und Android. Apple setzt auf Metal, seit 2014 auf iOS und seit 2015 auf dem Mac, Metal 4 wurde auf der WWDC 2025 vorgestellt. Alle drei geben Entwicklern mehr direkte Kontrolle und senken die Prozessorlast im Vergleich zu älteren Schnittstellen wie DirectX 11 und OpenGL.

Die Idee, Grafikarbeit in einen eigenen Chip auszulagern, ist übrigens älter als der Begriff GPU. Wie es mit reinen 3D-Zusatzkarten anfing, zeigt die Geschichte von 3dfx und den Voodoo-Karten.

Kennzahlen im Datenblatt richtig deuten

KennzahlWas sie aussagtWas sie nicht aussagt
Shader-Einheiten (CUDA-Kerne, Compute Units)Rohe Rechenbreite innerhalb einer Generation eines HerstellersNichts über andere Hersteller oder Generationen
Boost-TaktHöchster typischer Takt unter LastLeistung allein; breite Chips mit niedrigerem Takt sind oft schneller
SpeichergrößeOb Texturen und Daten in den Grafikspeicher passenGeschwindigkeit; zu wenig bremst stark, mehr als nötig bringt nichts
Busbreite und BandbreiteWie schnell Daten in den Chip kommenWirkung großer Caches, die Zugriffe abfangen
TMUs und ROPsTexturdurchsatz und PixelausgabeRaytracing- und Shaderleistung
TGP, TBP, TDPLeistungsaufnahme bzw. Kühlbedarf, wichtig für Netzteil und GehäuseEffizienz; sie ergibt sich erst aus Leistung pro Watt im Test
AI TOPSSpitzenwert für KI-Rechnungen, meist bei niedriger GenauigkeitSpieleleistung

Wie wenig Rohdaten über Herstellergrenzen sagen, zeigt ein Beispiel: Die Radeon RX 9070 XT hat 64 Compute Units, die GeForce RTX 5070 Ti 8.960 CUDA-Kerne. Im Rating von ComputerBase liegen beide in WQHD trotzdem nur wenige Prozent auseinander. Verlässlich sind am Ende nur Messungen in echten Spielen, wie sie die Grafikkarten-Rangliste zusammenfasst.

Quellen

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