GPU-Rendering
GPU-Rendering bezeichnet das Berechnen von Bildern durch die Grafikkarte eines Computers statt durch den Hauptprozessor. Weil eine Grafikkarte tausende einfache Rechenschritte gleichzeitig ausführt, entstehen Bilder dabei oft um ein Vielfaches schneller.
Rendering heißt: Ein Computer rechnet aus einer Beschreibung ein fertiges Bild aus. Die Beschreibung besteht zum Beispiel aus Formen, Farben, Oberflächen und Lichtquellen. Diese Rechnerei kann der Hauptprozessor übernehmen, also das zentrale Rechenwerk des Geräts. Sie kann aber auch die Grafikkarte übernehmen, ein spezialisiertes Bauteil für Bildberechnungen. Genau das meint GPU-Rendering: Die Grafikkarte macht die Arbeit. Der englische Fachbegriff für Grafikkarte lautet Graphics Processing Unit, kurz GPU.
Warum Bilder auf der Grafikkarte so viel schneller entstehen
Ein Bild besteht aus Millionen einzelner Bildpunkte. Für jeden Punkt muss der Computer eine ähnliche Rechnung durchführen: Welche Farbe hat er, wie hell ist er, liegt er im Schatten? Ein Hauptprozessor hat vielleicht acht oder sechzehn Rechenkerne. Er arbeitet die Punkte also weitgehend nacheinander ab. Eine moderne Grafikkarte hat dagegen mehrere tausend kleine Recheneinheiten.
Das ist der entscheidende Unterschied. Der Hauptprozessor ist ein Universalgenie, das komplizierte Einzelaufgaben schnell löst. Die Grafikkarte ist eine riesige Kolonne einfacher Arbeiter, die alle dasselbe tun. Für Bildberechnung ist die Kolonne klar im Vorteil. Ein Bild, für das ein Prozessor eine Stunde braucht, kann auf einer Grafikkarte in wenigen Minuten fertig sein.
Das erklärt auch, warum ein Videospiel ohne Grafikkarte kaum flüssig läuft. Ein Spiel muss 60 Bilder pro Sekunde erzeugen. Pro Bild bleiben also nur etwa 16 Millisekunden Rechenzeit. Ohne massive Parallelarbeit ist diese Frist nicht einzuhalten.
Vom Dreieck zum fertigen Bild
Dreidimensionale Objekte werden im Computer aus lauter kleinen Dreiecken zusammengesetzt. Ein Autoscheinwerfer besteht so aus einigen tausend Dreiecken. Im ersten Schritt rechnet die Grafikkarte aus, wo diese Dreiecke auf dem Bildschirm landen. Dieser Schritt hängt von der Position der virtuellen Kamera ab. Anschließend wird bestimmt, welche Bildpunkte innerhalb welcher Dreiecke liegen.
Im zweiten Schritt bekommt jeder dieser Bildpunkte eine Farbe. Dafür laufen kleine Programme, sogenannte Shader, direkt auf der Grafikkarte. Ein Shader berücksichtigt zum Beispiel die Oberfläche des Objekts und die Richtung des Lichts. Tausende Shader-Aufrufe laufen gleichzeitig, jeder für einen anderen Bildpunkt. Am Ende steht das fertige Bild im Speicher der Grafikkarte.
Ein zweites Verfahren heißt Raytracing und arbeitet anders. Dabei verfolgt der Computer einzelne Lichtstrahlen durch die Szene und schaut, worauf sie treffen. Das liefert sehr realistische Spiegelungen und Schatten, kostet aber deutlich mehr Rechenzeit. Auch Raytracing profitiert stark von der Grafikkarte, weil sich Millionen Strahlen unabhängig voneinander berechnen lassen. Ein häufiger Irrtum ist, GPU-Rendering sei immer besser: Bei sehr großen Szenen reicht der Speicher der Grafikkarte manchmal nicht aus, und dann ist der Hauptprozessor die verlässlichere Wahl.
Von Animationsfilmen bis zu KI-Rechenzentren
Am offensichtlichsten begegnet GPU-Rendering einem in Videospielen. Auch Animationsfilme und Werbespots entstehen so, oft auf ganzen Serverfarmen voller Grafikkarten. Architekturbüros berechnen damit Bilder von Gebäuden, die es noch gar nicht gibt. Programme wie Blender, Cinema 4D oder Unreal Engine bieten dafür fertige GPU-Renderer an.
In den Wirtschaftsnachrichten taucht der Begriff meist im Zusammenhang mit dem Hersteller Nvidia auf. Dessen Grafikkarten wurden ursprünglich für Spiele entwickelt. Dann fiel auf, dass künstliche Intelligenz dieselbe Art von Parallelrechnung braucht wie Bildberechnung. Heute stecken in KI-Rechenzentren zehntausende dieser Karten. Der Weg vom Spielebild zum KI-Boom erklärt, warum Grafikkarten inzwischen ein börsenrelevantes Thema sind.