Was ist GPU? Erklärung, Definition & Funktion im Gaming

Die GPU – kurz für graphics processing unit oder auch Grafikeinheit oder Grafikprozessor – kümmert sich um die Grafikberechnung. Ohne sie hättest du einen blinkenden Cursor, könntest Befehle eintippen und bekämst Textmeldungen als Ausgabe.

Farbe, Grafiken und 3D-Objekte brauchen eine GPU. Wo genau die Unterschiede zur CPU liegen und was die GPU eigentlich berechnet, erfährst du im folgenden Beitrag.

Was ist eine GPU genau - Definition

Bei der GPU handelt es sich um einen stark spezialisierten Prozessor. Dieser ist mit teils ganz unterschiedlichen Prozessorkernen und weiteren Recheneinheiten bestückt, um das Display mit Inhalt zu füllen. Neben der CPU ist es die wichtigste Komponente, um die Funktion des gesamten Computers vom Smartphone bis zum Gaming-PC zu gewährleisten.

Die CPU führt grundlegende Berechnungen durch, betreibt alle Hintergrunddienste und fungiert als Schnittstelle zwischen den anderen Bestandteilen. Die GPU zeichnet den Rahmen um ein Programmfenster, sorgt für das flüssige Scrollen dieser Seite oder errechnet die Position, den Schattenwurf und die Farbdarstellung aller Objekte in Spielen. Dementsprechend ist die GPU für die Visualisierung von Daten zuständig.

Die GPU wurde speziell für die Grafikverarbeitung entwickelt, für die viele parallele mathematische Berechnungen erforderlich sind. Dieser stärkere Fokus auf Berechnungen und Paralleloperationen ist der Grund, warum sich frühe Bitcoin-Befürworter auf GPUs gestürzt haben. Diese waren in der Lage die mathematische Rechenleistung zu bringen, die zum Minen von Kryptowährung erforderlich ist.

Auch interessant: Lest hier nach, welche Grafikkarten-Hersteller es gibt.

Wie funktioniert eine GPU und was berechnet sie?

Um zu verstehen was eine GPU eigentlich macht ist es am einfachsten, über Videospiele zu sprechen. In einem Spiel sehen wir möglicherweise ein computergeneriertes Bild einer Person, einer Landschaft oder ein detailliertes Modell eines 3D-Objekts. Was auch immer wir da sehen, haben wir quasi der GPU (der Grafikverarbeitungseinheit) zu verdanken.

Videospiele sind komplexe Vorhaben, bei denen viele mathematische Berechnungen parallel durchgeführt werden müssen, um Bilder auf dem Bildschirm anzuzeigen. Eine GPU wurde speziell für die Verarbeitung von Grafikinformationen entwickelt, einschließlich Geometrie, Farbe, Schattierung und Texturen eines Bildes.

Der VRAM der GPU ist außerdem darauf spezialisiert, eine große Menge an Informationen aufzunehmen, die sich auf dem Weg zu eurem Bildschirm befindet. Die GPU erhält alle Anweisungen zum Zeichnen von Bildern auf dem Bildschirm von der CPU und führt sie dann aus. Dieser Vorgang, bei dem von den Anweisungen zum fertigen Bild gewechselt wird, wird als Rendering- oder Grafik-Pipeline bezeichnet.

Die Grundeinheit für die Erstellung von 3D-Grafiken ist das Polygon, insbesondere Dreiecke. Fast alles, was ihr in einem typischen Videospiel seht, beginnt als riesige Sammlung von Dreiecken. Es können auch andere Formen verwendet werden, aber die überwiegende Mehrheit sind Dreiecke.

Um zum Beispiel eine zweidimensionale Oberfläche darzustellen, müssen Linien gezogen werden. Dazu kommen Spezialformen davon in Gestalt von Rechtecken, Dreiecken und sogar Kreisen. Statt jede dieser Linien und Figuren einzeln und nacheinander durch den Prozessor berechnen zu lassen, nutzt die GPU vereinfachte Rechenkerne, die genau für diese Aufgaben optimiert sind.

Nicht anders sieht das Prinzip bei dreidimensionalen Darstellungen aus. Statt Linien werden hierbei Ebenen in den Raum gezeichnet, typischerweise als Dreiecke begrenzt. Mit genügend Dreiecken in allen zur Verfügung stehenden Farben, unterschiedlichen Orientierungen im Raum und verschiedenen Größen lassen sich beliebige Objekte in Spielewelten erschaffen.

Je nachdem, was gerade passiert, ändern diese Dreiecke ihre Position zu dir oder auch zueinander. Sie bewegen sich zusammengesetzt als Fahrzeuge über Straßen, Bäume wiegen sich im Wind oder Gesichtszüge ändern sich. Dafür ist es notwendig, dass die einzelnen Dreiecke die Positionen zu einander verändern oder ihre Farben wegen eines Schattens wechseln. Dies lässt sich mit vergleichsweise einfachen Algebra-Aufgaben realisieren, für die die Rechenkerne der GPU optimiert sind.

Für ein komplettes Spiel bedarf es der gleichzeitigen Berechnung vieler tausender Dreiecke mit ihren jeweiligen Eigenschaften. Soll dabei eine Framerate von 60 Bildern pro Sekunde erreicht werden, bleiben nicht einmal 17 Millisekunden, um Position und Erscheinung immer wieder anzupassen.

Weitere Teile der GPU sind für andere Bereiche der grafischen Darstellungen optimiert. Für die Komprimierung von Videos kommen spezielle Algorithmen zum Einsatz, die bei der Bearbeitung oder Änderung des Videoformats den Prozessor spürbar entlasten. Und das gelingt sogar mit einer sehr betagten GPU viel schneller als per CPU allein.

Zudem finden sich Tensorkerne in der GPU, die Matrizenberechnungen ausführen. Damit lassen sich beispielsweise Objekte drehen oder einfache physikalische Berechnungen beschleunigen.

Der Unterschied zwischen CPU und GPU

Warum reicht für das Ganze nicht einfach ein schneller Prozessor? Klar, die CPU ist – insbesondere in einem Gaming-PC – ohne Frage auf Leistung und Geschwindigkeit ausgelegt. Mit ihr lässt sich jede beliebige Berechnung, jedes Programm ausführen. Deshalb kannst du ein Video zum Beispiel auch nur per Software komprimieren, ohne die Hardware-Beschleunigung durch die GPU zu nutzen.

Allerdings würde die CPU bei Spielen schnell zum Flaschenhals werden. Sie kann Dreiecke positionieren und drehen, sie an die richtige Stelle setzen. Das gelingt bei den ersten drei ganz gut, die nächsten tausend werden zum Problem. Die GPU hingegen nimmt sich entsprechend ihrer Kerne hundert oder eben tausend dieser Objekte. Sie erledigt dieselbe Aufgabe parallel und ist wenig überraschend viel schneller damit fertig.

Darüber hinaus ist ihre Architektur exakt auf die jeweiligen Aufgaben ausgerichtet, sodass sie kaum langsamer als der auf dem Papier überlegene Prozessor der CPU ist. Damit lässt sich sagen, dass die GPU ganz speziell für grafische Aufgaben angepasst ist, die in großer Zahl parallel abgearbeitet werden. Die CPU ist viel variabler und schneller, kann auch nur wenige Aufgaben gleichzeitig lösen.

Diesen Vorteil der GPU machen sich auch Anwender zunutze, die maschinelles Lernen oder beispielsweise Matrizenkalkulation für ganz andere Zwecke benötigen. Mit geeigneter Software kann die hohe Leistungsfähigkeit einer GPU nicht zuletzt für das rechenintensive Mining von Kryptowährungen verwendet werden.

Die wesentlichen Unterschiede zwischen GPU und CPU sind wie folgt zusammen gefasst (Quelle NVIDIA):

CPU	GPU
Zentrale Recheneinheit	Grafikrecheneinheit
Einige Rechenkerne	Sehr viele Rechenkerne
Geringe Verzögerung	Maximaler Durchsatz
Gut für die serielle, aufeinander folgende Verarbeitung	Gut für paralelle Verarbeitung
Kann eine Handvoll Operationen gleichzeitig ausführen	Kann Tausende Operationen gleichzeitig ausführen

Ein anderes Beispiel für die Nutzung der enormen Anzahl gleichzeitig zur Verfügung stehender Prozessorkerne ist die Bilderkennung. Durch den Abgleich zahlreicher Merkmale und wiederkehrender Muster, die nicht zwangsläufig mit der menschlichen Wahrnehmung übereinstimmen, können Personen identifiziert oder Sehenswürdigkeiten zugeordnet werden. Wichtig ist stets nur, dass sich die Aufgabe in viele annähernd gleiche Arbeitsschritte aufteilen lässt.

Wo kommt die GPU zum Einsatz?

Da die GPU für jede Art von grafischer Anzeige zuständig ist, findet sie sich in allen mobilen und stationären Computern von Einsteiger-Smartphone bis zum RGB-beleuchteten und wassergekühlten Gaming-Monster.

Grundsätzlich wird jedoch zwischen zwei GPU-Arten unterschieden: Eine integrierte und die dedizierte GPU.

Die integrierte GPU

Schlanke mobile Systeme nutzen eine integrierte GPU, die sich Steckplatz, Anschluss und Stromversorgung sowie RAM mit der CPU teilt. Das spart Platz, Strom und üblicherweise auch Geld. Weil für die meisten Office-Anwendungen, die Videodatei in 4K oder den Stream eines Live-Events keine überragenden Rechenleistungen vonnöten sind, reicht hierfür eine integrierte GPU vollkommen aus.

Einige moderne AMD-CPUs haben eine GPU mit integriert, weshalb sie oft eine gute Budget-Option für preisbewusste Gamer darstellen. Zudem erlauben selbst im Prozessor eingebettete GPUs ein bisschen Videobearbeitung – für den Privatgebrauch – und sogar ältere Spiele laufen mit begrenzter Qualität ruckelfrei.

Jedoch sorgt allein die Nähe zum eigentlichen Prozessor für eine schnellere Erwärmung. Damit das System nicht überhitzt, muss die Taktfrequenz und damit die Geschwindigkeit herabgesetzt werden. Die Leistungsfähigkeit bleibt deshalb selbst bei vergleichbarer Technik immer hinter der dezidierten Karte zurück.

Die dedizierte GPU

Eine andere Erscheinungsform der GPU ist die Grafikkarte. Hier tritt die GPU als Teil eines fast komplett eigenständig operierenden Systems auf. Sie bekommt via PCIe ihren Strom geliefert, der fast immer durch weitere Stromkabel ergänzt werden muss. Arbeitsspeicher findet sich ebenfalls und die Kühlung übertrifft jene eines Notebooks oder Office-PCs deutlich.

Sie ist für Gamer und Kreative die richtige Wahl. Die dezidierte oder separate Bauweise erlaubt unabhängig vom Prozessor wesentlich intensivere Berechnungen durchzuführen. Zudem ist schlicht und einfach genügend Platz vorhanden, um eine angemessene Zahl an Prozessorkernen und weiteren Einheiten unterzubringen.

Gegenüber der integrierten GPU stellt sich selbst eine Einsteigerkarte als weit überlegen dar. Für Gaming-PC und -Notebook stellt sich die Frage ohnehin nicht. Nur als Erweiterungskarte stellt sie für aktuelle Spiele ausreichend Rechenleistung bereit.

Schnelle Grafikkarte und kleiner Prozessor - geht das?

Beim Zusammenbau eines PCs solltest du grundlegend auf eine ausgeglichene Auswahl der Komponenten achten. Für die Leistung, die bei Spielen abgerufen werden muss, steht allerdings die Grafikkarte deutlich mehr im Fokus.

So ergibt die Kombination aus Einsteiger-CPU und High-End-Karte wenig Sinn. Zu sehr könnte die CPU mit den Hintergrunddiensten kämpfen. Außerdem wird sie in vielen Fällen für weitere Aufgaben bis hin zu Physikberechnungen beansprucht, die bei Bewegungen oder Beschleunigungen ins Spiel kommen. Mit einem soliden Mittelklasse-Prozessor bist du jedoch gut aufgestellt und kannst das restliche Budget der Grafikkarte zugutekommen lassen.

Stellt sich die Frage beim Aufrüsten, geht die Tendenz ebenfalls Richtung GPU. Mit einer neuen Generation erhältst du oftmals auch Zugang zu effizienteren Architekturen oder ganz neuen Verfahren wie dem Raytracing, dass beim Wechsel von einer GTX 1660 zu einer RTX 2060 oder 3060 ins Spiel kommt. Ähnliche Sprünge wirst du insbesondere mit Blick auf die für den jeweiligen Sockel verfügbaren CPUs meist nicht vollführen können.

Welche GPU brauchst du?

Spielst du nicht und schneidest auch keine Videos zusammen, ist die integrierte GPU die logische Wahl. Wesentlich komplizierter gestaltet sich die Auswahl der passenden Grafikkarte, ohne geht es auch für Gelegenheitsgamer nicht.

Spielst du hin und wieder deine Lieblingstitel, die nicht gerade nach der aktuellsten Hardware verlangen, und Full-HD reicht dir aus, sind die kleinen Modelle für knapp 200 Euro perfekt. Sie unterstützen dich auch beim Videorendering und verbrauchen nicht viel Strom.
Die Mittelklasse wirst du eher für 300 bis 500 Euro erhalten. Entsprechend der besseren Ausstattung der GPU mit mehr Kernen können Auflösung, Framerate und Detailstufe erhöht werden.
Sind Kompromisse hingegen eher nicht dein Ding, bleibt nur der Griff zur Premiumkarte. Da dann auch der Rest deines Gaming-PCs auf Maximalleistung ausgerichtet sein wird, stören die typischerweise 800 bis 1.000 Euro auch nicht mehr.
Die GPUs für professionelle Anwendungen, also eine Nvidia Quadro oder Radeon Pro, sind gerade beim Zocken uninteressant. Allenfalls minimal fällt der Leistungsgewinn aus, während die Kosten vielfach höher liegen. Sie zeichnen sich lediglich durch die zertifizierten Treiber aus und lohnen sich nur dort, wo höchste Zuverlässigkeit gefragt ist und professionelle sprich gewinnorientierte Aufgaben zu bewältigen sind.

Bedenke wie oben bereits erwähnt, dass eine Kombination aus 1.000€ Grafikkarte mit einem 100€ Prozessor keinen Sinn macht. Für aktuelle Empfehlungen, schaut einfach mal in unsere Kaufberatung zu den besten Grafikkarten rein.

Merke

Bei den mobilen Versionen der Grafikkarten musst du wegen der geringeren Größe, dem begrenzten Stromverbrauch und weniger Kühlungsmöglichkeiten stets mit Leistungseinbußen rechnen. Ein mobiles High-End-Modell entspricht in etwa der oberen Mittelklasse für Desktop-PCs.

Fazit

Ohne die GPU bleibt der Monitor schwarzweiß und erlaubt lediglich Texteingaben. Das heißt, sie findet sich in jedem modernen Gerät mit Display. Dabei werden alle Aufgabenbereiche bezüglich Multimedia und Streaming selbst von den ganz einfachen und in der CPU versteckten Modellen bewältigt.

Die große GPU mit eigenem RAM und eigener Kühlung in Form der Grafikkarte kommt ins Spiel, sobald dreidimensionale Objekte und Welten dargestellt werden sollen. Erfahrt im nächsten Artikel, was das Kürzel "Ti" bei Grafikkarten bedeutet.