Grundlagen GPUs: Leistungsaufnahme, Netzteilkonflikte & andere Mythen

Grafikkarten und die Tricks mit der Leistungsaufnahme

Wechseljahre: Die Last mit den Spitzen

Grafikkarten sind leider nicht mehr die geduldigen "Verbraucher", die sie vor wenigen Jahren noch waren. Dabei geht es nicht um die Leistungsaufnahme als solche und deren Mittelwert, sondern um die Art und Weise, WIE die Chiphersteller versuchen, die Effizienz zu steigern und auf welche Kunstgriffe und Verrenkungen sie dabei zurückgreifen.

Womit wir direkt beim Thema wären. Um das alles nicht zu sehr zu verkomplizieren, habe ich uns als Beispiel AMD und Power Tune herausgegepickt - wobei Nvidias Boost am Ende die gleichen Probleme hat, da die Herangehensweise und die Folgen sehr ähnlich sind.

Worum aber geht es? Das Hauptanliegen besteht bei beiden Anbietern darin, die Kernspannung der GPU in Echtzeit möglichst so anzupassen, dass nur so viel Leistung zugeführt wird, wie man für die aktuelle Auslastung der GPU auch wirklich benötigt. Warum also ständig mit hohen Drehzahlen im dritten Gang durch die Stadt fahren, wenn es der vierte oder fünfte auch tun würden?

Sicher hinkt dieser Vergleich etwas, aber es kommt schon ungefähr hin. Mit PowerTune hat AMD - analog zu Nvidias Boost - ein sehr komplexes Ablaufgebilde mit vielen, sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren geschaffen. Doch wie zur Hölle funktioniert dies alles im Detail?

Telemetrie wie in der Formel 1

Zunächst schätzt PowerTune stets den Energieverbrauch in Echtzeit, fragt gleichzeitig die thermischen Sensoren ab und bezieht die Telemetrie-Daten des Spannungsreglers mit ein. Diese Werte werden an den vorprogrammierten digitalen Power-Management-Mittler übermittelt.

Dieser Mittler kennt die Power-, thermischen und Stromstärken-Limits der GPU (BIOS, Treiber). Innerhalb dieser Grenzen kontrolliert er nun also alle Spannungen, Taktfrequenzen sowie die Lüftergeschwindigkeiten und versucht dabei stets, die maximale Performance aus der Karte herauszuholen. Wenn auch nur eine der Eingangsgrößen überschritten wird, kann der Mittler Spannung oder Takt zurücknehmen.

Der Kerngedanke besteht also darin, dass man über geeignete VR-Schaltkreise (Voltage Regulation) wie den IR 3567B in der Lage ist, die Spannungen in sehr kurzen Intervallen - also faktisch in "Echtzeit" - den tatsächlichen Erfordernissen anzupassen. Hier greift nun auch AMDs Protokoll der zweiten Generation SVI2 , das mittlerweile von allen gängigen ICs beherrscht wird und auch für APUs genutzt wird, bei denen dann zusätzlich der Prozessorteil über die Northbridge mit gesteuert wird.

Doch wie kurz sind diese Intervalle wirklich? Früher gab es noch eine relativ große Verzögerung zwischen der Nachfrage nach einer höheren Spannung und der darauffolgenden Anpassung der Taktfrequenz. AMDs SVI2 der zweiten Generation ist aber nunmehr rund zwei Zehnerpotenzen schneller (also rund 10 µs anstelle 1 ms) und agiert mit 6,25-mV-Schritten wesentlich granulärer als noch die Vorgängerversion.

Betrachten wir uns dazu einmal eine einzige, kleine Millisekunde im Verlaufsprotokoll einer Radeon R9 285 unter Last:

Die Spikes sind los: Lastspitzen bis unter die Decke

Genau an dieser Stelle beginnt nun aber mit Sicherheit das große Zähneklappern bei denen, die die Problematik bis hierher nachvollziehen konnten. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme einer Grafikkarte ist ja am Ende auch nichts anderes als ein Durchschnittsverbrauch beim Auto. Und wer mal einen Blick auch die Echtzeitanzeige seines Autos geworfen hat, wird meist zunächst gar nicht glauben, was er da so sieht. Trotzdem zeigen die meisten Bordcomputer die Momentanverbräuche mittlerweile sehr realistisch an, denn es gibt diese Spitzen wirklich!

Die durch die schnellen Spannungswechsel entstehenden Lastspitzen stellt die Stromversorgung leistungsstarker Grafikkarten vor völlig neue Herausforderungen. Der Einfluss auf das zweckmäßige Design der passenden Netzteile ist kein geringer und wird im Folgenden auch Gegenstand unserer Betrachtungen sein.

Diese kurze Einleitung zeigt bereits deutlich, dass beide Hersteller durchaus in der Lage sind, die selbst gesteckten TDP-Grenzen ziemlich genau einzuhalten. Sollten die Messwerte bei einer Grafikkarte dann einmal deutlich darüber liegen, hat man entweder durch unzureichende Technik den sprichwörtlichen Mist gemessen, oder die Grafikkarte hat einen Defekt.

Manchmal trickst aber auch der Board-Partner (siehe Schaltung unten) mit einem eingebauten "Fehler" (das hatten wir ja auch schon mal). Suchen wir uns jetzt aus, was im Alltag wohl am wahrscheinlichsten ist...


Absichtliche Fehlbeschaltung einer MSI GTX 660 Ti Power EditionAbsichtliche Fehlbeschaltung einer MSI GTX 660 Ti Power Edition

Doch zunächst wollen wir erst einmal gemeinsam überlegen, wie man solch alternierende Leistungsaufnahmen wirklich exakt messen und bewerten kann. Denn auch an uns Redakteure und die genutzte Technik werden völlig neue Anforderungen gestellt: Mit den meisten herkömmlichen Methoden wird man nämlich immer nur eine gewisse Momentaufnahme erhalten, die mit etwas Pech dermaßen weit neben der Realität liegen kann, dass es schon eine echte Fehleinschätzung und Falschaussage wird.

Lösungsvorschläge und Ideen? Begeben wir uns nun auf die Suche.

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31 Kommentare
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    Dein Kommentar
  • Tesetilaro
    vielen vielen Dank, etwas das ich schon lange vermutet hatte, wurde endliche "bewiesen" - es kann durchaus das Mainboard sein, was hier abschaltet.

    Wir sind an dem Punkt angekommen wo klar wird, man kann einfach einen selbstgebauten Rechner nicht nur nach den Komponentenpreise zusammenstellen, sondern sollte sehr genau schaun welche Qualität dahinter steckt.

    Eine Mammutaufgabe für den Nutzer, was für mich persönlich zum Urteil führt:
    1. Netzteil - nur noch aus TH tests - und dort das mit den glattesten Ripple Kurven!
    2. Mainboard - auch hier nur noch gut getestet (im Hinblick auf guten Energiehaushalt)
    3. Graka ausschließlich noch von euren Tests...

    Das ganze dann mit einer passenden CPU (in Sachen Leistung) und einem RAM von der QVL garnieren, mit einem wertigen Gehäuse und ausreichend Belüftung verzieren und fertig ist der gemischte Salat ähm, Rechner *g*
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  • Big-K
    Das war ja mal sehr interessant. Aber für den Endkunden gestaltet es sich schwirig die Kondensator Bestückung vor dem kauf zu klären. Und die Einzelhändler werden da auch wenig weiterhefen können.
    Auch die rippel noise werte der un oder ohmsch belasteten nt werden wenig darüber aussagen wie es sich verhält wenn die graka kurzzeitig hohe Last fordert.
    Von da her bleibt trotz aller Theorie wohl trotzdem nur der Praxistest am besten mit einer oder zwei 295.
    Und gerade der fehlte z.b. gestern beim nt test mal wieder. Gut ich hab keine x2 sondern zwei 290. aber kann ich die gestern getesteten Netzteile verwenden? Was nutzt das ganze Fachwissen und die teure Ausrüstung wenn man sie nicht nutzt.
    Ich will mich nicht beschweren das soll nur konstruktive Kritik sein ;-)

    ps. Das E10 video war nur drin um MICH zu ärgern? *egozentrisch*
    Ne aber würde mich freuen wenn dazu ein test käme sobald freigegeben
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  • Diluvian
    Wow, interessanter Artikel, vielen Dank.
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  • quixx
    Früher war es üblich, bei Stromspitzen keramische Kondensatoren den Elkos beizustellen. Keramische haben eine viel niedrigere ESR. Damit bot man den Spitzen gut Paroli. Ab hundert Megahertz sogar nur 10nF (noch lower). Das ist wohl aus der Mode gekommen.
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  • Michalito
    Hoffe dieser Artikel wird vor allem von den Kollegen der anderen Redaktionen auch gelesen, damit die Wissen wo der Hammer hängt..;-)

    Danke Igor

    P.S. Bin ebenso wie Big K dafür das der Herr Afschar seine NT's mal mit dem Labor mal so richtig auf den Zahn fühlt. Oder scheitert das aufgrund von raümlicher Distanz?
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  • miki4
    Lange nicht einen derart geilen Artikel gelesen. Wahrlich ein Genuss.

    Vielen Dank!
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  • Mahlzeit
    mal rein interessehalber eine frage zu dem wasser in den kondensatoren. unpassiviertes aluminium würde so oder so mit wasser reagieren. deltaE^0 ist mit 0,852 V deutlich positiv soll heißen man hätte innerhalb kürzester zeit Al(OH)3 (sollte eigentlich nach unten gestellt sein steht im artikel aber hochgestellt) und wasserstoff. hab ich auch selbst schon eindrucksvoll beobachten können. amalgamiertes aluminium verabschiedet sich recht zügig. eine schicht Al2O3 bildet sich ja schon bei normaler alu-folie mit dem luftsauerstoff. ich schätze mal was gemeint ist, ist die allmähliche zersetzung der Al2O3 schicht. ich vermute mal durch Cl^-. würde das nur gerne genauer wissen.
    was ich mich irgendwie auch gefragt habe wenn die kondensatoren aufplatzen und dann zufälligerweise ein funke (durch einen kurzschluss z.B.) entsteht, könnte es da zu einer kleinen knallgasexplosion kommen oder ist die menge an wasserstoff die da so entsteht zu gering?
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  • alterSack66
    Ist halt echt schwierig für den Kunden. Da kaufst dir ein 200 Euro Netzteil und dann Satz mit X. Am Mainboard sollte man sowieso nicht so arg sparen find ich.
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  • FormatC
    @Mahzeit:
    Unser wertvolles CMS stellt leider alles hoch, da habe ich keinen Einfluss auf die Formtierung beim Importieren :( Normalerweise gehen die Caps ja an den Sollbruchstellen auf, da ist es nur ein leichtes pffff, beim Platzen jedoch ist die Gasmenge zu klein, um irgendiwe von Belang sein zu können. Es sei denn, es ist der fette Primärcap. Aber da habe ich auch noch nichts von gehört...
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  • FormatC
    Anonymous sagte:
    Früher war es üblich, bei Stromspitzen keramische Kondensatoren den Elkos beizustellen. Keramische haben eine viel niedrigere ESR. Damit bot man den Spitzen gut Paroli. Ab hundert Megahertz sogar nur 10nF (noch lower). Das ist wohl aus der Mode gekommen.


    Deshalb bauen ja ainige wieder parallel Solids ein. Bei 100 KHz reichen ja auch wenige Microfarad
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  • X-Ray
    Ein wirklich wahnsinnig guter Artikel. Allerdings wie die anderen schon bemerkt haben ist das für den Endnutzer sehr schwierig selber herauszufinden. Mein Vorschlag wäre: Wieso baut ihr nicht auch mal PCs verschiedener Leistungsklassen auf die dann von Händlern verkauft werden? So wie eure Kollegen der PCGH. Praktisch eine THDE Edition ;) da könnten dann eure Messergebnisse und eure ganze Erfahrung in ein Produkt einfließen!
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  • FormatC
    Ist in Arbeit. Aber es ist schwer, Händler zu finden, die nicht den eigenen Abverkauf unnützer Teile in den Vordergrund stellen ;)
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  • X-Ray
    Sehr gut:D bei mir steht langsam ein neuer PC an:D aber ich kann noch warten bis eure da sind.
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  • Niclas Kraus
    Wirklich guter Artikel, allerdings wohl nicht nur für mich zu viel Fachchinesisch, auch wenn sicherlich schon viel gekürtzt wurde :)
    Ich würde mich in Zukunft über viele, sehr ausführliche Netzteil-Tests freuen, denn so detailiert und tiefgehend wird selten eine Problematik behandelt. Auch wär eine Version des Artikels für Laien interessant :D
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  • doofeOhren
    Vielen Dank lieber Igor
    für diesen fundierten, fachlich und inhaltlich hervorragend geschriebenen Artikel. Es ist wertfreie und ohne eine "Hersteller Brille" erstellt. Journalistische Arbeit wie sie sein soll. (Wobei da auch mehr der Ingenieur raus kommt)
    Da kann man gerne und guten gewissens als Quelle drauf verweisen.
    Leider ist die Qualität der Fachbeiträge nicht überall gleich hoch, es werde Fotos von Platinen und Elkos gelistet das sich der halb technisch interessierte damit vor seinen Kumpels rühmen kann sich ist der informationswert gegen Null. Egal ob das ist Hardware zeitschriften ist oder in anderen Computerforen. viele haben gefährliches Halbwissen und verbreiten dann in der Beratung ahnungslos er user viele abstruse Meinungen.
    Danke für alles und ich freue mich auf mehr Artikeln in dieser Qualität.
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  • Hellsfoul
    Guter Artikel, sehr informativ!

    Ich frage mich aber, warum man die Lastspitzen nicht gleich auf dem Board der Grafikkarte abfängt. So sollte es doch eigentlich sein?! Warum muss sich dann das Netzteil um die ganzen Lastspitzen kümmern. Ich sehe es eher so, dass die Grafikkartenhersteller wieder mal sparen und damit die Stabilität des Systems aufs Spiel setzen.
    Man kann ja davon ausgehen, dass auch die CPU solche Lastspitzen hat. Wenn ich aber auf mein Mainboard schaue, dann sehe ich da viele Kondensatoren, die das hoffentlich abfangen. Wenn man bedenkt, dass die CPUs nur eine Verlustleistung von meist 100W haben, sind das sogar sehr viele.
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  • Tesetilaro
    das mainboad ist aber auch nen ticken komplexer als so ne graka, was die Stromversorgung angeht,

    es müssen ja neben der CPU noch dutzende andere (potentielle) verbraucher mit gesteuert und versorgt werden,
    erschwerend muß das mit 3,3 und 5 und 12 volt passieren, das sind zum einen die ganzen onboard chips, NB, SB,
    USB-Host, Soundchip, etc. pp, dann bekommen ja die anderen PCIe karten ihren saft von da, neben der graka, dann
    natürlich die peripherie und jeder hat seine lastspitzen und besonderheiten..

    Ich gebe dir Trotzdem recht, was die Hersteller der Graphikkarten da treiben ist, zumindest aus meiner Sicht, eine
    Frechheit und zwar zu lasten der Nutzer, die auch noch immer wieder brav die neusten Karten kaufen :-(
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  • FormatC
    Das größte Problem bei Grafikkarten ist ja der Kühler, der leider wenig Platz für mehr und größere Caps lässt. Wobei die Spikes von Hersteller zu Hersteller durchaus schwanken könne, es gibt auch bessere Beschaltungen, die da schon Abhilfe schaffen. Meist sind das aber dann auch die teureren Karten, so dass der Geiz hier sofort bestraft wird. Der Kunde möchte es ja immer so billig wie möglich
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  • Anonymous
    Wirklich gut, dass dieses Thema in diesem Ausmaß aufgegriffen wird.

    Ich hoffe du fühlst in Zukunft möglichst oft den Platinenlayouts von AMD, Nvidia und deren Boardpartnern auf den Zahn.

    An der Stelle ist es aber verdammt schade, dass du dich nicht mehr den Netzteilen widmen möchtest, wo du doch jetzt Messen kannst, was andere nicht können. Die R9 290X oder R9 295X (je nach Wattklasse) als Standardtestparcour wäre traumhaft, man sieht ja sehr gut, wie schief das gehen kann.

    Bitte mehr von solchen Tests, gerne auch komplexer.
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  • Maxxo
    Ein sehr hilfreicher und informativer Artikel, vielen Dank dafür!
    Aber nun mal eine "blöde Frage": wenn man so ein aufwändiges Equipment braucht um den eigentlichen Verbrauch zu messen, schafft das dann auch mein Stromzähler überhaupt noch oder misst der gemütlich und träge die ganzen Peaks sozusagen als Durchschnittswert?

    Unabhängig davon ob er exakt misst oder nicht (was ich nicht hoffe), könnte man bei euren Tests nicht zusätzlich noch einen Stromzähler dranhängen um wirklich schwarz auf weiß zu sehen wie sich die Effizienz usw. auf den Geldbeutel auswirkt? Z.B. im Durchschnitt oder gerne auch mit einem von euch vorgegebenem Strompreis als Richtwert.
    Das wäre natürlich bei sämtlichen Komponenten eine zusätzliche, nützliche Info, nicht nur bei Netzteilen und Grafikkarten.

    Mir ist natürlich klar, dass mein eigenes System auf jeden Fall einen anderen Verbrauch haben wird als euer Testsystem, aber schon alleine die Vergleichbarkeit innerhalb von THG wäre ausreichend.
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