GPU

Der Grafikprozessor (englisch Graphics Processing Unit -- GPU, seltener Visual Processing Unit -- VPU[1]) dient zur Berechnung der Bildschirmausgabe auf Computern und Spielekonsolen. Er befindet sich entweder auf einer Erweiterungskarte (Grafikkarte) oder auf der Hauptplatine (Onboard).

Fast alle heutzutage produzierten Grafikprozessoren stammen von ATI (aufgekauft durch AMD), NVIDIA und Intel. Die Integration auf Steckkarten liegt meist bei anderen Herstellern (z.B. Asus, Gainward, Leadtek, MSI und Sapphire).

Im Prinzip gibt es Grafikprozessoren seit etwa Anfang der 80er Jahre. Damals dienten sie allerdings nur als Bindeglied zwischen der CPU und der Bildschirmausgabe. Weder hatten sie die Funktionalität noch waren sie für eigenständige Berechnungen ausgelegt. Zunächst waren sie vor allem für eine selbständige Text- und Grafikausgabe zuständig und schonten damit den Systembus. Einige konnten sogar Sprites darstellen.

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 X86-PC-Bereich wurden diese Grafikprozessoren mit dem Übergang von textbasieren DOS-Anwendungen zu grafikbasieren Windows-Anwendungen ein Erfolg. Entsprechend Windows-Beschleuniger genannt konnten solche sie erste einfache Befehle (z.B. zeichne Viereck) selbst abarbeiten.

Mitte der 90er Jahre kamen die ersten 3D-Beschleuniger auf den Markt. Diese Grafikprozessoren waren in Lage, eigenständig Dreieckstransformationen und Texture Mapping durchzuführen. Besonders dem Bereich Computerspiele verhalfen solche zusätzlich zu installierenden Steckkarten (z.B. 3dfx Voodoo Graphics) zu einem Entwicklungsschub. Zur damaligen Zeit waren solche Anwendungen vorrangig durch den Prozessor limitiert.

Die Bezeichnung GPU wurde erstmals intensiv von NVIDIA 1999 genutzt, um die erschienene Geforce 256 zu vermarkten. Diese Grafikkarte war als erste (im Endkunden-Geschäft) mit einer T&L-Einheit ausgestattet.

Aktuelle GPUs sind den CPUs in ihrer Leistung überlegen. Die Leistungsfähigkeit ist wegen ihrer Spezialisierung auf Grafikberechnungen deutlich höher. Eine CPU kann prinzipiell alles berechnen und ist dementsprechend universell. GPUs sind auf Berechnungen der 3D-Computergrafik spezialisiert und dahingehend optimiert. Als Vergleich diene die Transistoranzahl des aktuellen Grafiksprozessors von NVIDIA (G80) mit 681 Millionen mit der des aktuellen Spitzenmodells von Intel (Core 2 Extreme QX6700) mit 582 Millionen. Der Unterschied wird deutlicher, wenn man bedenkt, dass etwa die Hälfte der CPU-Chipfläche für die 4 MiB Cache verbraucht werden. Die Entwicklung der Integrationsdichte der Grafikprozessoren hat mit einem jährlichen Faktor von 2,4 sogar das Mooresche Gesetz übertroffen.

Der Leistungsvorsprung gegenüber CPUs und die bereits vorhandenen SIMD-Eigenschaften machen aktuelle GPUs für wissenschaftliche Anwendungen als Parallelprozessor interessant. Diesen Verwendungszweck bezeichnet man als GPGPU.

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.

Unterstützung der Grafikschnittstellen DirectX und OpenGL

Anti-Aliasing (zum Teil winkelunabhängige Kantenglättung)

Anisotropes Filtern (Tiefenschärfe von Texturen)

Multi-GPU-Techniken (Zusammenarbeit mehrerer Grafikprozessoren)

frei Programmierbarkeit nahezu jeder GPU-Komponente (u.a. Shader, beinhaltet T&L)

Aufgrund des starken Wettbewerbs und der damit verbundenen hohen Entwicklungskosten sind die meisten Hersteller aufgekauft worden (3dfx, 3DLabs) oder konzentrieren sich auf einen Nischenmarkt (Matrox, XGI).

Seit Jahren ist Intel mit Abstand Marktführer in der Herstellung von Grafikprozessoren. Der Hauptgrund ist die hohe Anzahl von Büro-Computern, die fast nur mit integrierten Grafikprozessoren ausgestattet sind. Im für PC-Spieler geeigneteren Bereich der steckkartenbasierten Grafiklösungen teilen sich ATI und NVIDIA den Markt.

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