Grundlagen GPUs: Leistungsaufnahme, Netzteilkonflikte & andere Mythen

Leistungsaufnahme-Messung: Benötigte Technik

Rüstungswettlauf

Wenn die VR-Controller die Grafikkarten so schnell schalten lassen, was schlägt dann davon wirklich bis auf die Stromversorgungsanschlüsse der Grafikkarten durch? Wie hart wird die Versorgung über das Mainboard und wo sind die externen PCI-Express-Versorgungsanschlüsse wirklich gefordert?

Erste Gehversuche mit einem einzelnen Oszilloskop

Ich hatte das System für diese Messungen im Hinblick auf möglichst kleine Intervalle konzipiert, was allerdings den Einsatz eines sehr guten (und leider auch sehr teuren) Mehrkanal-Speicheroszillografen mit Speicherfunktion unabdingbar machte.

Als Basis diente ein 500 MHz Mehrkanal-Oszilloskop (HAMEG HMO 3054), das das gemeinsame Speichern von vier Kanälen und eine sinnvolle Fernsteuerung über Ethernet erlaubt.

Dazu kommen noch mehrere hochauflösende AC/DC Stromzangenadapter (HZO 50), die für diese hohen Frequenzbereiche noch problemlos einsetzbar sind und die vor allem ohne Bereichsumschaltung genutzt werden können (Full-Range).

Erster Anlauf: brauchbar, aber mit viel Luft nach obenErster Anlauf: brauchbar, aber mit viel Luft nach oben

Ein weiteres, wichtiges Utensil ist eine spezielle Riser-Card mit Loops, die zudem extrem kurze Signalwege besitzen muss, damit auch moderne PCIe-Karten der dritten Generation problemlos damit laufen. Dieser Adapter steckt dann zwischen Mainboard und Grafikkarte.

Wer jetzt glaubt, die beiden zu den Grafikkarten-Slot durchgeschleiften Spannungschienen einfach am 24-Pin-Anschluss des Mainboards messen zu können, wird enttäuscht werden. Denn das Mainboard bedient sich hier aus der gleichen Quelle. Ohne geeignete Riser-Card ging also nichts und so gab es wieder Bastelstunden und jede Menge Lehrgeld inklusive.

Nach der Lösung dieser kleinen Bastelaufgabe kommt nun die strategische Partnerschaft zur Industrie (HAMEG, Rohde & Schwarz) zum Zug, denn ohne brauchbare Labor-Technik und jahrelange Erfahrungen läuft man trotz aller Ambitionen schnell ins Leere.

Das Zwischenergebnis, so wie wir es aus den Reviews der letzten Monate kennen, war da sicher schon ein erster, ermutigender Erfolg. Nur sind vier Kanäle zwar auf den ersten Blick noch purer Luxus, aber wenn man das Ganze mal aufdröselt, steht man gleich vor dem nächsten Problem und wundert sich.

Ungenauere Dreipunkt-Messung der Ströme mit einer zusätzlichen SpannungUngenauere Dreipunkt-Messung der Ströme mit einer zusätzlichen Spannung

Misst man nämlich die Stromstärken für die beiden Mainboard-Leitungen (3,3 und 12 Volt) und den externen PCIe-Stromanschluss, so bleibt nur noch ein Kanal übrig, um wenigstens eine der Spannungen zu messen. Da auf dem PCI-Express-Anschluss unter Last das meiste passiert, habe ich dort die Spannung der 12-Volt-Schiene gemessen, die Werte für 3,3 mittels Multimeter bestimmt und später als Festwert eingesetzt.

Spätestens aber bei Grafikkarten wie der Radeon R9 295X2 und einigen Board-Partner-Eigendesigns merkt man jedoch, dass auch dies alles nur ein fauler Kompromiss ist: Man kann die PCIe-Anschlüsse doch nicht so einfach zu einem einzigen Kanal zusammenfassen, wenn an den jeweiligen Anschlüssen unterschiedliche Phasen der Grafkikkartenversorgung hängen. Teilweise fließen die Ströme in sehr kurzen Spikes nämlich auch schon mal in umgekehrter Richtung, was ich so nicht vermutet hätte.

Die Messung mit einem einzigen Vierkanal-Speicheroszilloskop, drei geeigneten Stromzangenadaptern und einem Tastkopf  ist zumindest um Welten besser als Dinge wie Steckdosenmessung, Zangenamperemeter oder Stromzangenadapter und Multimeter, aber leider immer noch reichlich ungenau. Und nun?

4-Punkt-Messung und ein doppeltes Lottchen

Schrieb ich oben Wettrüsten? Das Ganze artet nämlich - wenn man es wirklich ernsthaft betreiben will - schon ein wenig arg aus. Will man pro Grafikkarte wirklich alle vier maximal auftretenden Versorgungsschienen messen, bräuchte man nämlich acht analoge Kanäle am Oszilloskop. Man muss ja für jede der vier einzelnen Schienen sowohl Spannung als auch Stromstärke in Echtzeit parallel messen und auch abspeichern können! Arbeitet man mit vorermittelten Festwerten für die Spannungen, kann man nämlich nicht nur erneut gehörig daneben liegen, sondern tut es auch, wie wir gleich noch sehen werden.

Genau an dieser Stelle habe ich dann ansetzen müssen und gemeinsam mit unserem Messtechnik-Partner nach einer praktikablen Lösung gesucht. Diese wiederum besteht nun darin, mit gleich zwei solchen Oszilloskopen parallel (Master-Slave) zu messen und aufzuzeichnen.

Das funktionert mittelweile schon recht perfekt, so dass ich in der Lage bin, nahezu jeden Atemaussetzer oder Hustenanfall der Grafikkarten (und anderer Messobjekte wie z.B. Mainboards) plausibel und belastbar zu erfassen.

Das heißt im Endergebnis: Ich kann damit nun je nach Aufgabenstellung Ströme und Spannungen gleichzeitig in Auflösungen von bis zu einer Mikrosekunde messen. Diese Intervalle sollte man natürlich der konkreten Aufgabe besser anpassen, um nicht in der aufkommenden Datenflut zu ertrinken.

Wenn ich beispielsweise bei Grafikkarten in den 1-Minuten-Diagrammen mit einer Millisekunde auflöse, werden die dazwischen im Mikrosekundenbereich anfallenden Messwerte bereits als brauchbarer Mittelwert im Oszilloskop zusammengefasst.

Das komplette Test-Setup haben wir in unserem Grundlagenartikel ausführlich beschrieben, hier noch einmal schnell die Eckdaten:

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 512 GB (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 auf der nächsten Seite. Durchhalten Freunde, denn jetzt wird es erstmals richtig spannend!

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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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