How-to-Guide: Grafikkartenkühlung und Wärmeleitpaste optimieren

Messungen und interessante Wechselwirkungen

Testaufbau und Messmethoden

Um einen wirklich vergleichbaren Zustand (Umgebungstemperatur, Airflow) zwischen den einzelnen Messungen zu garantieren, verwenden wir im Messraum einen ganz leichten, indirekten Airflow, der die Abwärme am Kartenende und der Slot-Blende konstant zu entsorgen hilft, indem wir die Luft im Raum faktisch "kreisen" lassen. Dazu dient eine Windmaschine am anderen Raumende, die die Luft entlang der Wände zirkulieren lässt und so auch die konstante Tempertur der umgebenden Luft garantiert und eine "Glockenbildung" unterbindet.

Wir messen dabei zwischen 18°C und 24°C jeweils in 2°C-Schritten, so dass wir auch vergleichen können, wie sich die Umgebungstemperatur auf die Temperaturentwicklung der Karte einschließlich der Komponenten auswirkt. Die GPU ist ja nur ein Problemkind von vielen - allerdings werden die anderen Komponenten fast immer (und völlig zu Unrecht) nonchalant übergangen.

Außerdem ist es notwendig, auch den Takt, die Lüfterdrehzahlen und - falls möglich - die Leistungsaufnahme zu erfassen, um ein wirklich objektives Ergebnis zu erhalten.

Merkzettel #8
• Temperaturunterschiede können nur unter gleichen Bedingungen exakt ermittelt werden
• Es sind alle Komponenten der Karte in die Messung einzubeziehen, nicht nur die GPU
• Man muss alle Sensoren überwachen und protokollieren (Lüfterdrehzahlen, Takt, usw.)

Achtung - Zieltemperaturen im BIOS!

Nehmen wir unser sehr gut geeignetes Testobjekt und lassen der Karte freien Lauf. Auf den ersten Blick werden uns die Temperaturen der GPU natürlich enttäuschen, denn wir sehen kaum einen wirklich verwertbaren Unterschied. Originale Matschepampe und teures Edelstöffchen liegen faktisch gleichauf!

Nehmen wir nun unsere Protokolle und werfen einen Blick auf die Lüfterdrehzahlen! Der Aha-Effekt, der eben noch ausblieb, überrennt uns nun umso heftiger! Über 300 U/min zwischen dem Originalzustand und der Kryonaut sind natürlich schon eine halbe Galaxie und die Ohren freuen sich wie Bolle.

Doch stopp! Während die Sensationsliebhaber noch tanzen, wollen wir auch die Kehrseite dieser Operation betrachten, denn eine Lüfterkurve ist ja vom Hersteller stets als ganzheitliches Medikament gegen das Abwärmefieber gedacht. Und so kommt es, wie es kommen muss: Einzelne Stellen sind nun mangels starkem Lüftchen doch etwas heißer.

Das beweist im Übrigen auch, dass die Lüfterprofile bei den Drehzahlen eben nicht nur auf die korrespondierenden GPU-Temperaturen zurückgreifen, sondern diese Drehzahlen von vielen weiteren Faktoren abhängen, wie zum Beispiel einer vorab ebenfalls hinterlegten Zieltemperatur, die diese Lüfterkurve dann mit Priorität außer Kraft setzt.

Während die Spannungswandler und der GPU-Sockel noch ungefähr gleich heiß bleiben, hat der ungekühlte, dringend auf den Luftzug angewiesene Speicher bereits ein thermisches Problem, denn er wird nun bereits zwei Kelvin über den in den Specs angegebenen Maximaltemperaturen betrieben.

Wir möchten an dieser Stelle auch noch einmal darauf hinweisen, dass die in manchen Tools als VRM bzw. VRM1 und VRM2 ausgegeben Temperaturwerte absolute Fantasiezahlen sind, da auf keiner aktuellen Karte MOSFETs verbaut wurden und werden, die überhaupt Temperatursensoren enthalten!

Bestenfalls erhält man die Aux-Temperatur, die vom PWM-Controller-Chip für sich selbst ausgegeben wird - nur dass dieser Chip einerseits selbst recht heiß wird und sich andererseits oft meilenweit von den VRMs entfernt befindet!

Drehen wir nun den Spieß um und erzwingen auch bei der guten Paste die gleichen Lüfterdrehzahlen wie bei der Originalkarte. Alle Temperaturen sinken sehr deutlich, wobei uns nun auch die Komponenten deutlich ruhiger schlafen lassen.

Merkzettel #9
• Zieltemperauren vom BIOS können Messergebnisse extrem beeinflussen
• Zu niedrige Lüfterdrehzahlen können zur Überhitzung von Komponenten führen
• Es gibt keine Software, die die VRM-Temperaturen auslesen kann.

Wir setzen die Zieltemperatur aufs Maximum

Was nun passiert ist wesentlich eindeutiger, denn die Lüfterkurve besitzt am Ende wieder über fast den kompletten Temperaturbereich die Oberhand. Die Temperaturdifferenzen fallen eher gewohnt aus und man sieht, wo man sein Geld investiert hat (oder auch nicht). Wir lernen auch, dass die Unterschiede mit steigender Raumtemperatur wieder etwas kleiner werden und die Karte im Auslieferungszustand so schlecht assembiert wurde, dass sie selbst noch bei 90°C ins Limit läuft.

Der Zugewinn mit der teuersten Paste ist am größten, fällt aber mit maximal einem Kelvin gegenüber der etwas zäheren Gelid GC Extreme doch eher überschaubar aus, während man die Arctic MX-2 und auch die richtig aufgetragene Hersteller-Paste mit bis zu vier Kelvin im oberen Temperaturbereich abhängen kann. Die Arctic MX-2 ist somit sogar schlechter als die Industrie-Paste des Herstellers und für Grafikkarten ungeeignet.

Man kann den Anwendern und Kollegen nur mit auf den Weg geben, diese Paste endlich im Abfallhaufen der Geschichte zu versenken, denn sie ist nicht nur unzeitgemäß, sondern auch denkbar ungeeignet. Was bei großflächigeren CPUs und Verlustleistungen bis zu 100 Watt noch funktionieren mag, hat auf aktuellen GPUs einfach nichts mehr zu suchen.

Unterm Strich kann es sich also sogar bei einer Butter-und-Brot-Karte wie der Radeon RX 470 von XFX lohnen, die Paste zu ersetzen, zumal die mit maximal 150 Watt gemessener Maximalleistungsaufnahme im Stresstest ja noch keine echte Thermo-Bombe hervorbringt.

Je höher die abgegebene Verlustleistung und um so höher das Delta zum Kühlmedium (Luft oder Wasser) ausfällt, um so höher ist auch der mögliche Zugewinn an Kühlperformance durch einen geringeren Wärmewiderstand. Jedoch sind die so oft kolportierten Abstände von sieben Kelvin und mehr zwischen Herstellerpaste und Ersatz wohl eher die Summe mehrerer zusammenkommender Umstände und kein Indiz für eine Wunderpaste. 

Wir wollen dem Leser an dieser Stelle bewusst den ganzen Formelurwald zur Berechnung ersparen - der am Ende aber analog zum Ohmschen Gesetz sehr logisch ausfällt - und mit dieser Vereinfachung leben, denn es gibt keine Wunder-Pasten und physikalischen Sonderfälle, sondern nur ein konzentriertes Arbeiten und Auftragen eines etwas besseren Produktes, welches dem Idelafall zwar recht nahe kommen, jedoch nie alle allein Probleme lösen kann.

Eine überdurchschnittliche Paste macht deshalb aus einem unterdurchschnittlichen Kühler noch lange keine High-End-Lösung, sondern ist nur eine Art kosmetisches Pflaster auf einer tiefen Brandwunde.

Merkzettel #10
• Zieltemperauren kann man bei besseren Pasten auch flexibler handhaben
• Der Zugewinn steigt analog zum Delta von GPU-Heatspreader zum Kühlmedium
• Je höher die Abwärme, um so wichtiger kann eine gute Paste werden

Wir werden gleich noch sehen, dass man auch mit der Optimierung anderer heißer Stellen die Gesamtkühlleistung einer Karte recht gut steigern kann - es ist nicht nur die GPU, die man optimieren sollte.

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11 Kommentare
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    Dein Kommentar
  • Ge0815
    Schöner Test. Sogar mal mit einem Custom-Modell einer aktuellen AMD-Karte. Und ein schöner Seitenhieb durch die Blumen an den Hersteller XD
    Ich fragte mich schon immer, warum die Backplates diverser Grafikkarten nie zur Kühlung, sondern eher zur Abschirmung verwendet werden.
    OT: Ein Traceroute auf tomshardware.de reizt alle 30 Sprünge aus, die auch noch häufig auf "Zeitüberschreitung der Anforderung" enden. Kurz gesagt: Das Laden der Seite dauert in letzter Zeit bei diversen Aufrufen relativ lange. (>10s)
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  • MyRunner
    Anonymous sagte:

    OT: Ein Traceroute auf tomshardware.de reizt alle 30 Sprünge aus, die auch noch häufig auf "Zeitüberschreitung der Anforderung" enden. Kurz gesagt: Das Laden der Seite dauert in letzter Zeit bei diversen Aufrufen relativ lange. (>10s)


    Haeng das Ergebnis doch einfach an so einen Report an. Dann hat man gleich die entsprechenden Daten. Zeitueberschreitungen liegen aber an den Hops dazwischen und da hat THG keinen Einfluss. Eventuell sind dort Gateways konfiguriert, dass sie ICMP Requests nicht beantworten oder es wird komisch geroutet.

    Hier mal von mir. Nach 12 Hops bin ich da und die ersten 3 sind intern.

    ---
    X:\>tracert www.tomshardware.de

    Tracing route to a345.f1.akamai.net.0.1.cn.akamaitech.net [95.101.80.168]
    over a maximum of 30 hops:

    1 <1 ms <1 ms <1 ms xxxx [10.0.29.253]
    2 1 ms 1 ms 1 ms 10.0.130.1
    3 * * * Request timed out.
    4 44 ms 34 ms 9 ms 82.140.xx.xx
    5 9 ms 9 ms 9 ms 62.214.35.17
    6 11 ms 10 ms 10 ms 62.214.110.46
    7 20 ms 19 ms 19 ms 62.214.106.102
    8 23 ms 22 ms 22 ms 62.214.110.50
    9 23 ms 23 ms 23 ms 87.128.232.57
    10 24 ms 23 ms 23 ms 217.239.48.90
    11 22 ms 21 ms 21 ms 87.128.234.118
    12 22 ms 22 ms 22 ms a95-101-80-168.deploy.akamaitechnologies.com [95.101.80.168]
    0
  • hellm
    Warum manche Backplates nicht zur Kühlung verwendet werden? Selber Grund wie bei anderen Verbesserungsmöglichkeiten, jeder Arbeitsschritt kostet Geld. Material sowieso.

    Sehr schöner Artikel. Nichts ausgelassen und ausführlich erklärt. Klasse!
    0
  • Ge0815
    Hellm, wie du schon sagst: Material kostet Geld. Wenn man die Backplate wegließe, würde man Geld sparen UND die Rückseite würde auch besser durch den vorhandenen Luftstrom im Tower gekühlt werden. Die Backplate hat (außer Stabilität, und bei solch einer kurzen Karte ist das nicht sonderlich nützlich) aber in diesem Fall gar keinen Nutzen und sogar zwei Nachteile.
    Edit: Ich komme aus dem O2-Netz (easybell), und nach dem 10. Hop lande ich von
    10 39 ms 38 ms 38 ms xe0-1-2-0-grtpareq1.net.telefonicaglobalsolutions.com [213.140.37.101]
    auf
    11 53 ms 42 ms 38 ms prs-b8-link.telia.net [62.115.148.170].
    Danach geht es mit hohen Pings los (>100) und eine Suche nach "telia.net" bringt schon interessante Ergebnisse. Erstaunlicherweise macht es einen Unterschied, ob ich "tracert tomshardware.de" oder "tracert www.tomshardware.de". Im zweiten Fall bin ich nach dem 9. Hop am Ziel.
    tracert www.tomshardware.de
    Routenverfolgung zu a345.f1.akamai.net [23.61.249.171] über maximal 30 Abschnitte:
    tracert tomshardware.de
    Routenverfolgung zu tomshardware.de [52.0.131.24] über maximal 30 Abschnitte:
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  • bonbon2k
    Danke für den Bericht, es ist schön, mal was unkonventionelles zu lesen :)
    Bei meiner MSi 980Ti Gaming OC hat der Wechsel auf die Kryonaut-Paste nichts gebracht, sie geht trotzdem noch hoch ins Temperaturlimit von 82° bei gleicher Lüfterdrehzahl. Scheint ein recht individuelles Thema zu sein :)
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  • Jolly91
    Ich sag es mal so, die Klecksmethode reicht nicht!

    Ich hab meine 980Ti mit dem Morpheus
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  • Jolly91
    Ich hab die 980Ti mit dem Morpheus zig mal mit der Klecksmethode verheiratet und nie waren die Temperatur passend. Dann hab ich mal mit einer Karte die WLP über den ganzen Chip verstrichen und siehe da, ich hab bei einer Abwärme von gemessenen 360W noch 79°C in Cities Skylines: After Dark mit starkem DS.

    Der DIE ist genau so groß wie der HS, in so fern muss der komplette HS eingeschmiert und Kontakt zum Kühler haben.
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  • alterSack66
    Ich hops auch 12-30 mal rum. Schöner Artikel, aber ich finde der Aufwand lohnt sich kaum.
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  • FormatC
    @Jolly91:
    Nicht die Anzahl der Versuche entscheidet über das Resultat, sondern die richtige Menge. Wie man schön auf den Bildern sehen kann, ist bei mir sogar ein wenig mehr als nur der Die mit Pampe benetzt, wenn man es richtig draufkleckst. :)
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  • derGhostrider
    @FormatC:
    Größerer Klecks, kleinerer Klecks...
    Das beste Ergebnis erhält man dann, wenn hinterher die minimalste Menge zwischen Kühler und GPU ist, die hinreichend ist, also die Fläche komplett bedeckt und soeben die Unebenheiten der beiden Oberflächen ausgleicht.
    Genau das ist die Aufgabe der WLP.
    Mir erscheint die von Dir genutzte Menge immer ein wenig viel zu sein, doch Bilder täuschen.
    Offenbar passt es ja ganz gut. ;)

    Wenn man also *genau* die gleiche Menge nutzt, wie Du, dann jedoch die Paste (den Klecks) durch das Aufsetzen nicht ordentlich verteilt bekommt, wird das Ergebnis halt schlechter sein.
    Dazu natürlich so einfache Basics wie: Lufteinschlüsse = schlechteres Ergebnis.
    Verstreichen der Paste scheitert meistens an den Lufteinschlüssen. Es wäre mal interessant einen Kühler im UHV aufzusetzen... OK, niemand wird Wärmeleitpaste in seiner Anlage, die UHV erreicht, haben wollen, aber es wäre interessant. Vielleicht würde das zu ganz anderen Methoden für den Auftrag führen und nochmal ein Kelvin einsparen.

    Noch besser fände ich es einen Kühler mal per Lapping (oder sonst wie) wirklich plan zu schleifen...
    Ja, alles fern der Realität. Schade, dass überhaupt soviele Übergänge beim Wärmetransport nötig sind: Silizium hat eine Wärmeleitfähigkeit, die weit über Wärmeleitpaste hinaus geht. Eine entsprechend aufgesetzte Struktur mit z.B. Kühlkanälen für Flüssigkeitskühlung wäre mal richtig interessant.
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  • FormatC
    Deshalb nehme ich für die Bilder immer etwas mehr Paste, damit die Nachbauer auch dann noch jubeln können, wenn sie vergessen, alle Schrauben diagonal alternierend festzuziehen, damit alles möglichst gerade festkommt. Bei 0,3 Nm ist aber so viel Druck da, dass es den nicht benötigten Rest locker rauspresst, wenn die Pampe nur dünnflüssig genug ist. Ansonsten hilft auch Aufheizen mit Furmark, abrupt abschalten und sofort noch einmal nachziehen ;)

    Im Prinzip ist aber fast nie die GPU das Problem, sondern die vergessenen Komponenten sind es. :)
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