Aufgabe 1: Unter der Aufgabenstellung findet ihr Informationen und ein Video zum Thema der GPU, eure Aufgabe ist es, Informationen, die ihr als wichtig erachtet, aus dem Text und dem Video zu entnehmen. Vermerkt eure Notizen entweder auf der Mindmap oder auf einem Extrablatt, falls nicht genug Platz vorhanden ist.

Diese Leitfragen können euch helfen, nach anfänglichen Informationen im Text oder den Videos zu suchen.

1. Welche Hauptaufgaben übernimmt eine GPU im Vergleich zur CPU?
2. Was ist der Unterschied von GPU und Grafikkarte?
3. Müssen Grafikkarten immer separat gekauft werden?

Was ist eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU)?

Eine Grafikverarbeitungseinheit ist eine elektronische Schaltung, die Computergrafik- und Bildverarbeitung auf einer Vielzahl von Geräten beschleunigen soll. Zu diesen Geräten gehören Grafikkarten, Systemboards, Mobiltelefone und Personalcomputer (PCs). Durch die schnelle Ausführung mathematischer Berechnungen verkürzt ein Grafikprozessor die Zeit, die ein Computer für die Ausführung mehrerer Programme benötigt. Dies macht sie zu einem wesentlichen Wegbereiter für aufkommende und zukünftige Technologien wie maschinelles Lernen (ML), künstliche Intelligenz (KI) und Blockchain.

Vor der Erfindung der GPUs in den 1990er Jahren waren die Grafikcontroller in PCs und Videospiel-Controllern auf die Zentraleinheit (CPU) eines Computers angewiesen, um Aufgaben auszuführen. Seit den frühen 1950er Jahren sind CPUs die wichtigsten Prozessoren in einem Computer. Mit dem Aufkommen von Computerspielen und computergestütztem Design (CAD) in den 1990er Jahren benötigte die Branche jedoch eine schnellere und effizientere Methode, um Pixel schnell zu kombinieren.

Was ist der Unterschied zwischen einer GPU und einer Grafikkarte?

Die Bezeichnungen Grafikverarbeitungseinheit und Grafikkarte werden oft synonym verwendet, sind aber nicht dasselbe. Grafikkarten sind Zusatzplatinen (AIB), die an einer Stelle auf der Hauptplatine (Mainboard) eines Computers eingesetzt werden. Grafikkarten sind nicht in den Computer selbst eingebaut, sie sind austauschbare Karten. Eine Grafikkarte wird komplett mit einer GPU geliefert. Die GPU ist die Hauptkomponente von Grafikkarten. Sie existiert zusammen mit anderen Komponenten wie Video-RAM (VRAM) für Videospeicher, Anschlüssen (wie HDMI oder DisplayPort) und einer Kühleinheit. Eine GPU kann jedoch auch direkt in das Motherboard eingebaut oder zusammen mit anderen Komponenten als All-in-One-Chip integriert werden.

Wie funktioniert eine GPU?

Moderne GPUs enthalten typischerweise eine Reihe von Multiprozessoren. Jeder hat einen gemeinsamen Speicherblock sowie eine Reihe von Prozessoren und entsprechende Register. Die GPU selbst verfügt über einen konstanten Speicher sowie über Gerätespeicher auf der Platine, auf der sie untergebracht ist. Jede GPU funktioniert je nach Verwendungszweck, Hersteller. Die Besonderheiten des Chips und der die GPU verwendeten Software sind leicht unterschiedlich. Mit der CUDA-Parallelverarbeitungssoftware von Nvidia können Entwickler die GPU beispielsweise speziell für fast jede Allzweck-Parallelverarbeitungsanwendung programmieren. GPUs können eigenständige Chips sein, die als diskrete GPUs bezeichnet werden, oder in andere Computerhardware integriert sein, sogenannte integrierte GPUs (iGPUs).

• Diskrete GPU:
  Diskrete GPUs existieren als Chip, der sich voll und ganz der jeweiligen Aufgabe widmet. Während diese Aufgabe traditionell in der Grafik lag, können diskrete GPUs jetzt als dedizierte Verarbeitung für Aufgaben wie ML oder komplexe Simulationen verwendet werden. Bei Verwendung in der Grafik befindet sich die GPU normalerweise auf einer Grafikkarte, die in ein Motherboard gesteckt wird. Bei anderen Aufgaben befindet sich die GPU möglicherweise auf einer anderen Karte oder einem Steckplatz direkt auf dem Motherboard selbst.
• Integrierte GPU:
  In den frühen 2010er Jahren begannen wir, eine Abkehr von diskreten GPUs zu beobachten. Die Hersteller begrüßten die Einführung der kombinierten CPU und GPU auf einem Chip, der sogenannten iGPU. Die ersten dieser iGPUs für PCs waren Intels Celeron-, Pentium- und Core-Linien. Diese sind bei Laptops und PCs nach wie vor beliebt. Eine andere Art von iGPU ist das System auf einem Chip (SoC), das Komponenten wie CPU, GPU, Speicher und Netzwerke enthält. Dies sind die Arten von Chips, die typischerweise in Smartphones zu finden sind.

CPU vs GPU

Anmerkung: CPU und GPU-Kerne können nicht 1-zu-1 verglichen werden, da CPU-Kerne leistungsstärkere Rechenkerne sind, die komplexe Befehle verarbeiten (z. B. Steuerung, Logik, etc.). GPU-Kerne sind in den meisten Fällen einfacher aufgebaut und verfügen über weniger Rechenpower und Speicher. Sie sind dafür gemacht, kleine Aufgaben sehr effizient auszuführen, und zwar viele davon gleichzeitig.

Wo kommen GPUs zum Einsatz?

• Videobearbeitung:
  Traditionell waren lange Rendering-Zeiten ein großes Hindernis bei der Verwendung von Consumer- und professioneller Bearbeitungssoftware. Seit ihrer Erfindung haben GPUs die Verarbeitungszeiten und Rechenressourcen in Videobearbeitungsprogrammen wie Final Cut Pro und Adobe Premiere stetig reduziert. Heutzutage können GPUs, die mit paralleler Verarbeitung und integrierter KI ausgestattet sind, die Bearbeitungsmöglichkeiten für alles, von professionellen Bearbeitungssuiten bis hin zu Smartphone-Apps, dramatisch beschleunigen.
• Künstliche Intelligenz:
  KI und ihre vielen Anwendungen wären ohne GPU-Computing wohl unmöglich. Die Fähigkeit von GPUs, hochtechnische Probleme schneller und effizienter zu lösen als herkömmliche CPUs, macht sie unverzichtbar. Grafikprozessoren sind entscheidende Komponenten vieler Supercomputer, insbesondere für KI-Supercomputer. GPUs treiben viele führende KI-Anwendungen an, die hohe Geschwindigkeiten erfordern, um mit immer größeren Datensätzen zu trainieren. KI-Modelle werden auf GPUs von Rechenzentren trainiert und ausgeführt, die in der Regel von Unternehmen betrieben werden, die wissenschaftliche Forschung oder andere rechenintensive Aufgaben durchführen.
• Gaming:
  Die Gaming-Branche nutzte erstmals in den 1990er Jahren die Leistungsfähigkeit von GPUs, um das gesamte Spielerlebnis durch mehr Geschwindigkeit und grafische Genauigkeit zu verbessern. Heutzutage sind viele Videospiele aufgrund von hyperrealen Szenarien, Echtzeit-Interaktionen und riesigen, immersiven Welten sehr rechenintensiv. Trends im Gaming-Bereich wie Virtual Reality (VR), höhere Bildwiederholraten und höher aufgelöste Bildschirme hängen alle von GPUs ab, um Grafiken in anspruchsvolleren Rechenumgebungen schnell zu liefern. Zu den GPUs für Spiele gehören AMD Radeon, Intel Arc und Nvidia GeForce RTX.
• Visualisierung und Simulation:
  GPUs sind in vielen Branchen sehr gefragt, um das Erlebnis und die Schulungsmöglichkeiten komplexer Anwendungen zu verbessern, z. B. bei Produktpräsentationen, medizinischen Kalkulationen oder auch geophysikalischen Darstellungen. GPUs sind von entscheidender Bedeutung für fortschrittliche Visualisierungen. Sie helfen bei der Berufsausbildung von Feuerwehrleuten, Astronauten, Mechanikern und anderen mit 3D-Animation. Des Weiteren werden auch Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) bei der Ausbildung eingesetzt um den Lehrlingen neue Erfahrungen hautnah beizubringen.

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