GPUs für Mensch-Maschine-Schnittstellen Schreiben statt rechnen

Alltagsgeräte werden über immer hochauflösendere Touch-Displays mit grafischer Oberfläche bedient. Für Grafikprozessoren verschiebt sich daher der Fokus von der Rechenleistung zum schnelleren Schreiben von Pixeln in den Grafikspeicher.

Mensch-Maschine Schnittstellen (Human Machine Interfaces, HMI) haben eine lange Entwicklung hinter sich gebracht. Sie reicht von der Interaktion mit physischen Schaltern und Statusleuchten bis zu hochauflösenden berührungsempfindlichen Displays. Durch den technischen Fortschritt hat sich die Interaktion von Mensch und Maschinen stark verändert. Sie wurde für den Benutzer intuitiver und damit effizienter. Diese Veränderungen gehen zurück auf die Entwicklungen von Basistechnologien – in erster Linie Displays und Prozessoren.

GPUs (Graphics Processing Units) sind mit diesem schnellen Wandel eng verbunden. Früher spielten Grafikprozessoren nur für den Nischenmarkt der Computerspiele mit ihren Hochleistungs-PCs und Konsolen eine Rolle. Dagegen steuern GPUs heute die grafischen Benutzerschnittstellen (Graphical User Interfaces, GUIs) für Displays in einer breiten Palette von Anwendungen wie Bürodruckern, industriellen Steuerungskonsolen, Mikrowellenherden, Smartphones, Waschmaschinen und intelligenten Strom-, Gas- oder Wasserzählern.

Mehr Flops oder mehr Pixel?

Die Vielzahl an neuen Anwendungsfällen und die gestiegenen Anforderungen an die Grafikleistung der GPUs führten zur Prioritätenverschiebung bei der Entwicklung. Einige Typen von Grafikprozessoren wurden nicht mehr darauf ausgelegt, möglichst viele Gleitkommazahl-Operationen pro Sekunde auszuführen, sondern darauf, möglichst viele Pixel pro Sekunde zu berechnen und in den Grafikspeicher zu schreiben. Kurz ausgedrückt: Statt maximaler FLOPS (Floating Point Operations per Second) war nun eine möglichst hohe Füllrate das Ziel.

Früher waren die üblichen Bedienelemente einer Mensch-Maschine Schnittstelle mechanische Drehknöpfe und Drucktaster. Signalleuchten für einzelne, dedizierte Funktionen meldeten Reaktionen auf Befehle. Später folgten Weiterentwicklungen wie Segment-Displays. Die großen Sprünge kamen mit der Einführung von Computern, Software und der Anbindung an ein Netzwerk – zunächst noch lokal, später dann global. Damit wuchs die Anwenderbasis für GUIs.

Von elektromechanischen ­Bedienelementen zum GUI

Die ersten Mensch-Maschine-Schnittstellen für GUI-basierte Geräte waren Mäuse und Tastaturen für PCs. In Analogie dazu nutzten viele der damaligen Mobilgeräte ein Scrollrad zur Menü-Navigation. Mit Einführung des ersten iPhones änderte sich das. Die grafisch anspruchsvolle Darstellung und die Einführung einer Multi-Touch-Bedienung waren etwas gänzlich Neues in der Mensch-Maschine-Interaktion. Durch den Erfolg des iPhones gewöhnten sich Anwender – zunächst nur im Bereich der mobilen Endgeräte – an Multi-Touch-Bedienungen und Menüführungen mit mehreren Ebenen. Heute ist in vielen Geräten des Alltags ein Display mit anspruchsvoller grafischer Benutzeroberfläche als Bedienschnittstelle integriert.

Die Triebfeder hinter dieser Entwicklung war und ist die Erwartungshaltung des Anwenders. Hersteller nutzen daher zunehmend die GUI und nicht mehr die Hardware als Differenzierungsmerkmal. Damit sparen sie sich Entwicklungskosten und verkürzen den Zeitraum von der Entwicklung bis zur Markteinführung (Time-to-Market). Seit der Einführung von Multi-Touch-Bedienungen führte der technische Fortschritte bei den Displays, den Prozessoren und den integrierten Schaltungen (Integrated Circuits, ICs) zu Kostensenkungen und ermöglicht heute die Fertigung in Großserie, sodass grafische Benutzeroberflächen zur Gerätesteuerung in zunehmendem Maß genutzt werden.

Die Automobilindustrie liefert dafür ein gutes Beispiel: Armaturenbretter mit Analoginstrumenten sind nur noch selten zu finden. Stattdessen sind Displays und Touch-Bedienungen (etwa zur Bedienung des Infotainment-Systems) im Fahrzeug zum Standard geworden. Ein weiteres Beispiel sind Büromaschinen wie Drucker, Fotokopierer und Geldautomaten. Vor zehn Jahren hätte man auf derartigen Geräten wohl kaum ein GUI erwartet.