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Richtig messen und Maxwells Geheimnis erkennen

Nvidia GeForce GTX 980 und GTX 970: Maxwell mit maximaler Power?
Von , Don Woligroski, Gerald Strömer, Kai Tubbesing

Neues Test-Setup für die Leistungsaufnahme

Maxwell stellte uns erneut vor eine große Herausforderung: Will man pro Grafikkarte wirklich alle vier maximal auftretenden Versorgungsschienen sauber und exakt messen, um den Tricks der Stromsparmechanismen auf die Schliche zu kommen, benötigt man am Ende  acht analoge Kanäle am Oszilloskop.

Schließlich muss man ja für jede der vier einzelnen Schienen sowohl Spannung als auch Stromstärke in Echtzeit parallel messen und abspeichern können. Denn wenn man mit vorab ermittelten Festwerten für die Spannungen arbeitet, kann man nämlich nicht nur erneut gehörig daneben liegen, sondern man tut es auch. Doch wie ist so ein Problem zu lösen?

Deshalb haben gemeinsam mit unserem Messtechnik-Partner HAMEG (Rohde & Schwarz) nach einer praktikablen Lösung gesucht. Diese besteht nun darin, mit gleich zwei geeigneten Oszilloskopen parallel (Master-Slave, getriggert) zu messen und aufzuzeichnen. Damit können wir nun - je nach Aufgabenstellung - Ströme und Spannungen gleichzeitig in Auflösungen von bis zu einer Mikrosekunde sauber messen.

Diese Intervalle sollte man natürlich der konkreten Aufgabe besser anpassen, um nicht in der aufkommenden Datenflut zu ertrinken. Wenn wir beispielsweise bei Grafikkarten in den 1-Minuten-Diagrammen mit einer Millisekunde auflösen, werden die dazwischen im Mikrosekundenbereich anfallenden Messwerte bereits vorher im Oszilloskop als brauchbarer Mittelwert zusammengefasst.

Wir messen mit Hilfe einer speziellen Riser-Card direkt am Mainboard die Versorgung über den PCI-Slot (PEG) jeweils für die 3,3-Volt- und 12-Volt-Schiene:

Zusätzlich messen wir die beiden separaten PCIe-Stromanschlüsse ebenfalls einzeln für Spannung und Stromstärke:

Das komplette Test-Setup und den Weg dorthin haben wir ja bereits ausführlich in einem Grundlagenartikel ausführlich beschrieben.

Messverfahren:
berührungslose Gleichstrommessung am PCIe-Slot (Riser-Card)
berührungslose Gleichstrommessung an der externen PCIe-Stromversorgung
direkte Spannungsmessung am Netzteil
Infrarot-Überwachung in Echtzeit
Messgeräte:
2x HAMEG HMO 3054, 500 MHz Mehrkanal-Oszillograph mit Speicherfunktion
4x HAMEG HZO50 Stromzangenadapter (1 mA bis 30 A, 100 KHz, DC)
4x HAMEG HZ355 (10:1 Tastteiler, 500 MHz)
1x HAMEG HMC 8012 Digitalmultimeter mit Speicherfunktion
1x Optris PI450 80Hz Infrared Camera + PI Connect
Testsystem:
Intel Core i7-5960X @4.2 GHz + Raijintek Triton Water Cooler
16 GByte G.Skill Ripjaws DDR4 2666 (4x 4 GByte)
MSI X99 Gaming 7
2x Transcend SSD370 (System, Applikationen + Daten, Storage)
Be Quiet Dark Power Pro 1200W
Microcool Banchetto 101

Wie dies alles im Detail aussieht und was man aus solchen Werten noch so alles ableiten kann, das sehen wir nun.

Nvidias Boost in der Praxis: Maxwell ist schneller

Theoretisch is ja alles klar, aber wo holt Maxwell plötzlich so einen großen Effizienzschub her? Dass die Kernspannung der GPU je nach Lastszenario und Temperatur möglichst schnell und granulär angepasst werden kann, wissen wir ja schon von Nvidias Boost bei der Kepler-Generation und analog auch von AMDs Power Tune.

Maxwell legt bei dieser Spannungssteuerung noch einmal richtig nach, aber wie wir später noch sehen werden, ist bei voller Shader-Last kaum noch ein großer Vorteil zu Kepler sichtbar. Der hauptsächliche Zugewinn liegt im somit Umstand, dass Maxwell bedeutend besser mit den wechselnden Lasten umgehen und die Leistungsaufnahme noch gezielter an die tatsächliche Last anpassen kann. Je stärker und schneller die Anforderungen der Applikation schwanken, umso besser kann Maxwell also punkten.

Schauen wir uns dazu einmal an, was Maxwell innerhalb von nur einer einzigen, kurzen Millisekunde macht und wie sich die Leistungsaufnahme ändert. Diese schwankt zwischen 100 und satten 290 Watt hin und her, was unterm Strich in diesem Interval nur einen tatsächlichen Mittelwert von ca. 176 Watt ergibt. Trotzdem können bis fast 300 Watt umgesetzt werden, wenn es wirklich notwendig ist. Ansonsten tritt die GPU auf die Bremse.

Schauen wir nun, wie sich die Stromstärke und die Spannung des Netzteils unter diesen Bedingungen auf den wichtigen 12-Volt-Schienen in der Summe zueinander verhalten:

Wir sehen, dass auch das Netzteil keine konstante Versorgungsspannung von 12 Volt liefert. Denn sowohl die Spikes, die die Sekundärkondesatoren entleeren, als auch das wesentlich niedriger taktende Netzteil, welches wiederum versucht, diese Elkos wieder aufzuladen, sorgen für leichte Spannungswechsel, mit denen dann allerdings die fünf Phasen auf der Grafikkarte klarkommen müssen.

Allein schon anhand dieser ganzen Wechselwirkungen ist die Messung also nicht ganz so einfach, wie man es vielleicht denken möchte und wir verweisen in diesem Zusammenhang erneut auf den weiterführenden Grundlagenartikel.

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Alle 60 Kommentare anzeigen.
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  • Derfnam , 19. September 2014 16:10
    Ich möchte, da ich den Test schon auf der Amiseite gelesen hatte, den dort 1. Kommentator zitieren: Wow. Ohne Ausrufezeichen, weil ich die Leistungsaufnahmeproblematik unter GPGPU-Volllast sehr ärgerlich finde.
  • zeedy , 19. September 2014 16:20
    Vielen Dank für den Test. Ich glaub es gibt einen Fehler in der Gesamtübersicht Leistungsaufnahme Gaming:
    die GTX980 zieht in der Detailbetrachtung 185W und keine 200W. Oder?
  • zeedy , 19. September 2014 16:24
    Vielen Dank für den Test. Ich glaub es gibt einen Fehler in der Gesamtübersicht Leistungsaufnahme Gaming:
    die GTX980 zieht in der Detailbetrachtung 185W und keine 200W. Oder?
  • Tesetilaro , 19. September 2014 16:27
    hmpf, wo kann ich meine 290X gegen eine 970 eintauschen? ;) 
  • morchel , 19. September 2014 18:24
    Die 320€ für eine GTX 970 kann ich mir beim besten Willen nicht vorstellen. NVidia ist nicht gerade dafür bekannt, eine gleichwertige karte (r9 290x) 60€ billiger anzubieten als die Konkurrenz. Wenn die wirklich so kommt, werden die AMD Preise purzeln: R9 290 dann für 260€ und 280x für 199€?
  • alterSack66 , 19. September 2014 18:47
    Die GTX 970 ist so gut wie gekauft :) 
  • diem_ , 19. September 2014 18:47
    Vielen Dank für den tollen Test.
    Ich habe mich schon den halben Tag gewundert, warum auf anderen Seiten bereits die neuen Artikel veröffentlicht wurden, während die Seite mit dem liebevollsten Grafikparcours sich brav zurück hält. Aber jetzt ist ja alles da. :-)
  • alterSack66 , 19. September 2014 19:32
    Weiß jemand was an der Evga ACX 2.0 gegenüber der ACX außer der Stromversorgung anders ist? https://geizhals.de/?cmp=1168341&cmp=1168428#xf_top
  • Myrkvidr , 19. September 2014 19:46
    Jetzt schon ab 309 Euro lieferbar? Cool!
  • FormatC , 19. September 2014 21:14
    Ich schätze einen Straßenpreis von deutlich unter 300 Euro in 2-3 Wochen
  • alterSack66 , 19. September 2014 21:20
    Meinst du wirklich? Dann muss AMD die Preise aber auch stark senken.
  • FormatC , 19. September 2014 21:42
    Ja, das wird wohl so kommen (müssen)
  • PULARITHA , 19. September 2014 23:32
    @alterSack66
    Ist ein überarbeiteter Kühler verbaut. Angeblich gab es vom Neuen nicht genug (Produktion), deshalb werden beide Varianten angeboten.
  • Michalito , 19. September 2014 23:56
    So, danke für den schönen Test. Kommen doch die Shots der Infracam? Ich weiß, die Zeit..
    Tatsächlich ist für mich auch die 970 die Karte die ich wählen würde zur Zeit. Allerdings fühle ich mit meiner 7870 (1080p Moni) noch keinen Aufrüstdruck. Vlt. beim Witcher? Mal sehen. Und das ist auch für mich das Problem aller aktuellen Performance / High End Karten zu stark für 1080p und zu schwach für 4k. Angesichts dessen was so in ca. 2 Jahren in Monitormarkt ansteht (Oled 4K) finde ich den kauf eines neuen Monitors auch blöd, und damit auch den Kauf einer GK zur Zeit. Na, kommt Zeit, kommt Rat.
  • Jolly91 , 20. September 2014 00:09
    Rein vom Gaming könnte man eine GTX 780Ti gegen eine GTX 970 wechseln, aber wenn die Karte unter Vollast rendern darf und keine Möglichkeiten der Lastanpassung zur Stromaufnahme hat, kann auch Maxwell weit mehr verbrauchen als eine GTX 780Ti.

    Wobei ich sehe, das eure GTX 780Ti mit Standardtakt arbeitete, und da zum einen noch viel Luft nach oben ist, und zum anderen könnte das den Maxwell Karten konkurrenz machen.

    Es wäre durchaus interessant die GTX 780Ti, die GTX 970 / GTX 980 und die R9-280X und R9-290X im moderat übertakteten Zustand auf Effizienz zu testen, dann könnte viel Licht ins Dunkel gebracht werden.

    Vor allem im GPGPU Bereich, wo die Maxwell Architektur punkten soll, könnte man noch einen Benchmark durchführen, um zu sehen wie sich die höhere Leistungsaufnahme auf die Geschwindigkeit auswirkt.
  • jjensson , 20. September 2014 00:35
    An die Experten hier: Habe zur Zeit eine GTX660Ti und einen alten Intel Core i5-2400. Mein Netzteil ist ein Be Quiet! Straight Power E9 400Watt (laut PC-Experience Test Leistungsreserven bis 546W!). Ist es OK, wenn ich eine referenzgetaktete GTX 970 dranhänge, oder könnte das Ärger machen? Die TDP ist bei beiden Karten gleich.
  • Big-K , 20. September 2014 00:58
    @jjensson
    Du kannst maximal 10% überlasten solltest das aber nicht darauf hin auslegen.
    Im Prinzip sollte es gehen im schlimmsten Fall schaltet das NT ab. Überlastschutz.
    Empfehlen würde ich es aber nicht, ein paar Watt mehr wären schon gut.
    Sinnvoll ist es nur bedingt da der Prozessor viel zu schwach ist zumindest für viele games.
  • jjensson , 20. September 2014 01:09
    Sorry wegen der Mehrfachpostings - jedesmal, wenn ich Refresh drücke, postet Tom's einen neuen Kommentar. Schlechtes Webdesign?

    Danke, Big-K. Das Netzteil habe ich mir letzten Winter geholt, extra-"schwach" wegen der Effizienz. Nun rächt sich das.

    CPU wahr hier noch nie der Flaschenhals (geht ja bis 3,1/3,4GHz und wirklich deutlich mehr bekommt man ohne übertakten heute sowieso noch nicht von der Intel-Stange).
  • Korner , 20. September 2014 01:14
    Moin zusammen, ich habe das mit der Lastaufnahme noch nicht ganz kapiert.
    Wenn ich jetzt v.a spielen will (1080p, Ultra Details) die GTX970 also richtig fordere, verbraucht sie dann also doch deutlich mehr als die angegebene TDP von ~165W? (Xeon E3 1231, Corsair CS 550W, 8GB Ram)
    Hintergrund ist einfach nur die Überlegung der Stromkosten wegen: Möchte meine HD6850 (TDP ~140W) upgraden und hatte an eine R9 280x gedacht (TDP~250W), und bei dem doch deutlich niedrigerem TDP der GTX970 hätte ich den Aufpreis von ~ 80€ nach ein paar Jahren wieder raus....dachte ich, aber wie muss ich die Spitzen der Lastaufnahmen denn jetzt interpretieren? Verbraucht die GTX970 dann am Ende doch soviel wie zB eine R9 280x bei hoher Gaming-Auslastung? Sind die 165W TDP also am Ende nur Augenwischerei?
  • Big-K , 20. September 2014 01:29
    Diese Forensoftware, schrecklich.
    Als angekündigt wurde das die 980 nur 16 sm haben wird dachte ich nicht das die so gut abschneidet aber der Takt machts wohl möglich.
    Was mir nur nicht ganz klar ist, wenn powertune schon mit 100 kHz arbeitet wie hochfrequent arbeitet nv boost?
    Da die Leistungsaufnahme in games nur etwa die Hälfte wie im GPGPU beträgt könnte man daraus schließen das die Hälfte der Zeit gar nichts berechnet wird? Vielleicht sollte man mal verschiedenen Spiele einzeln auf ihren Stromverbrauch untersuchen.
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