Grundlagen GPUs: Leistungsaufnahme, Netzteilkonflikte & andere Mythen

Leistungsaufnahme-Messung: Praktische Umsetzung

Was passiert eigentlich am Mainboard-Slot?

Fangen wir bescheiden und klein an. Nicht jede Grafikkarte besitzt ja zusätzliche Versorgungsanschlüsse und es gab sogar Zeiten, wo Grafikkarten überhaupt keine benötigten. Je nach Gesamtleistungsaufnahme kann eine Grafikkarte nämlich bis zu einer Obergrenze von 75 Watt auch nur über den Slot des Mainboards versorgt werden.

Hier handelt es sich um mehrere Spannungsschienen, nämlich 3,3 und 12 Volt. Ich schrieb ja bereits, dass diese Spannungen über das Mainboard durchgeschleift werden, so dass man diese - da es keine von Mainboard mit beeinflussten Ströme sind - auch bequem am 24-Pin-Anschluss messen kann.

Spannungsmessung für 3.3 und 12 VoltSpannungsmessung für 3.3 und 12 Volt

Die anfallenden Ströme auf der 3,3- und 12-Volt-Leitung vom Mainboard messe ich dann wieder - so wie es sich gehört - zwischen Grafikkarte und Mainboard und nutze dafür die beiden herausgeführten Loops der Riser-Karte:

Lastspitzen am Mainboard: Gefährlich oder nicht?

Ich habe im Verlauf der letzten Monate unterschiedliche Hersteller-Lösungen bei der Versorgung der Grafikkarten messen können. Zunächst waren es kleinere Karten wie verschiedene Modelle der GeForce GTX 750 Ti, deren Leistungsaufnahme die 60 Watt im Durchschnitt nicht wirklich überscheiten, aber je nach Modell und Takt sehr gehörige Leistungsspitzen erzeugen können. Dann fällt auch schon mal die 75-Watt-Grenze für Sekundenbruchteile recht deutlich, wie es uns die Grafik anschaulich darstellt:

Ich habe für einzelne Karten stellenweise bis zu 120 Watt gemessen, was deutlich über den Spezifikationen liegt! Da es sich nur um kurzzeitige Spitzen handelt, wird dem Mainboard erst einmal physikalisch nichts passieren, denn die Anschlüsse führen ja direkt zum 24-pin-Anschluss des Netzteils am Mainboard mit mindestens zwei 12-Volt-Zuleitungen.

Was aber durchaus kritisch werden kann, ist die Tatsache, dass es sich am Ende schon um echte Hochfrequenz handelt, die zusammen mit anderen Mainboardkomponenten durchaus Probleme bereiten könnte.

Bei preiswerteren Mainboards "hört" man dann auch schon einmal die Grafikkarte über den Onboard-Sound. Das zirpende Scroll-Geräusch dürfte so ziemlich jedem hinlänglich bekannt sein und nun kennen wir auch die Ursache.

Nicht der Onboard-Chip ist demnach Müll oder das Mainboard per se Mist - nein, hier jodeln die Spikes ihr einsames und unerwünschtes Lied und die Grafikkarte ist der wirkliche Täter.

Je nach Modell versorgen sich auch Grafikkarten mit höheren Leistungsaufnahmewerten trotz separaten Stromversorgungskabeln noch mit über den Mainboard-Slot. Deshalb besitzen diese Karten auch zwei getrennte Spannungswandlerbereiche und die Lastverteilung zwischen Idle und Last wandert zwischen den 12-Volt-Schienen je nach Bedarf hin und her.

Andere Karten - beispielsweise die R9 295X2 und diverse Board-Partner-Designs - nutzen die teilweise Versorgung über das Mainboard hingegen (fast) überhaupt nicht mehr.

Dauer-Power und Achterbahn am PCI-Express-Stecker

Kommen wir nun abschließend zum Schaulaufen, denn jetzt kann es schon mal so richtig heftig werden. Die hier gemessene Karte ist so eine Kandidatin, die das Mainboard kaum noch nutzt, dafür aber in den Spitzen bis weit über 400 Watt aufnimmt, um gleich darauf auch mal auf unter 40 Watt zu fallen:

Wir messen fair und sauber wie es sich gehört jeden PCIe-Stromanschluss getrennt. Die Gründe kennen wir ja bereits und vor allem bei Karten wie der Radeon R9 295X2, auf die wir im nächsten Kapitel mit Freude zurückkommen werden, ist es schlichtweg unvermeidbar, da jeder Anschluss jeweils eine der beiden GPUs getrennt versorgen muss.

Saubere Lösung: getrennte Messung beider PCI-E-Anschlüsse mit Spannung und StromSaubere Lösung: getrennte Messung beider PCI-E-Anschlüsse mit Spannung und Strom

Doch zurück zur wassergekühlten Radeon R9 290X aus dem Diagramm. Deren TDP ist auf 250 Watt festgelegt, die aber selbst beim Stresstest nicht ganz erreicht werden. Werfen wir zum Abschluss noch einmal einen Blick auf die Tabelle mit dem Soll- und Haben-Konto fürs Gaming und sehen auch, dass die zwei PCIe-Anschlüsse sehr wohl unterschiedliche Lasten stemmen müssen.

  Minimum Maximum Average
PCIe  Total:38 Watt
(17 + 21 Watt)
428 Watt
(205 + 223 Watt)
239 Watt
(109 + 118 Watt)
Mainboard 3,3V:0 Watt
3 Watt
0 Watt
Mainboard 12V:0 Watt
20 Watt
4 Watt
Mainboard Total:0 Watt
20 Watt
4 Watt
VGA Card Total:40 Watt
433 Watt
243 Watt

Eindrucksvoll, nicht wahr? Doch es gibt auch noch viel schlimmere Extremfälle, wie wir auf der nächsten Seite gleich sehen werden.

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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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