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Hungerkur für die Radeon R9 Fury: Weniger Spannung, bessere Effizienz

Hungerkur für die Radeon R9 Fury: Weniger Spannung, bessere Effizienz
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Heizziegel, Kochplatte und andere, wenig schmeichelhafte Spitznamen wurden AMDs R9 Fury bereits verpasst. Doch das ist nicht nur unpassend, sondern schlicht unzutreffend - zumindest wenn man wie wir via Spannungsabsenkung die Effizienz deutlich steigert.

Nachdem uns Sapphire mit der Radeon R9 Fury Nitro endlich ein Eigen-Design der Platine präsentieren konnte und vor einigen Wochen seitens AMD auch die Spannungsvorgabe freigeben wurde, lag nichts näher, als diese neue Feature sofort für eine tiefere Analyse zu nutzen.

Allerdings gehen wir nicht in Richtung Übertaktung, denn dafür fischt die Karte bereits zu sehr in den Grenzregionen des Zumutbaren. Nein: Wir wollen der Fury endlich die Trinkmanieren beibringen, die sich für so eine Karte eigentlich gehören!

Spannungsabsenkung mit dem MSI Afterburner

Das Tool von MSI, das bis heute auf dem Riva Tuner basiert, gibt seit einigen Wochen für eine ganze Reihe von AMD-Karten die Spannungsanpassung frei. Das kann im positiven sowie im negativen Bereich geschehen, wobei uns die Absenkung natürlich brennend interessiert.

Wie weit können wir gehen, um das Ganze stabil zu betreiben? Bleibt die Performance erhalten und - wenn alles glatt läuft - wie groß ist die tatsächliche Ersparnis?

Die relative Spannungsabsenkung wird landläufig gern auch als Untervolten oder Undervolting bezeichnet, doch wir bleiben beim exakten Begriff. Letztendlich ändern wir ja nicht die Spannung selbst, sondern geben der Firmware eine Art Delta bzw. Offset mit auf den Weg. Dass die Spannungen nicht generell um diesen festen Wert gesenkt werden, sondern die Telemetrie die Spannungen lediglich modifiziert bereitstellt, werden wir auf der zweiten Seite noch genauer betrachten. Doch zurück zur Absenkung der Spannungsvorgabe.

Dazu vergleichen wir im weiteren Verlauf unsere Radeon R9 Fury Nitro von Sapphire mit einer in etwa gleich schnellen MSI GTX 980 Gaming 4G. Doch bevor wir dies tun können, sollten wir uns zunächst die aktuellste Version des MSI Afterburner herunterladen und installieren. Nach dem Programmstart stellt sich der MSI Afterburner so dar:

Gleich der erste Regler ist das Ziel unserer Begierde, mit dem wir die Spannungsänderung festlegen können. Übrigens: Wer diesen Wert ändert, der sollte sich nicht wundern, dass viele Zahlenwerte nach der Übernahme angepasst werden, denn der Wert muss ein Vielfaches von sechs sein. Und so gehen auch keine -100 mV sondern eben die -96 mV (16x 6 mV).

Jeder Grafikchip ist ein Unikat - die stabilen Grenzwerte, bis zu denen eine Absenkung auch fehlerfrei läuft, können von Karte zu Karte sehr deutlich differieren. Nicht immer sind Fehler sofort erkennbar, so dass man bei der Spannungsabsenkung alle Features der Karte auch über längere Zeit auf Stabilität testen sollte.

Besonders ältere Karten aus den ersten Produktionszyklen, die sich meist auf Umwegen noch zur Fury X freischalten ließen, können durch die Absenkung sehr schnell Darstellungsfehler zeigen.

Spätere Chips sind aufgrund des fortgeschrittenen Fertigungsprozesses wesentlich einfacher zu "untervolten". Aber auch hier gibt es keine Garantie, wie tief man diese Vorgabe bei der eigenen Karte setzen kann.

Unsere Karte schaffte sogar die -96 mV mit Bravour, auch wenn es ab und zu bei extremer Last bereits einige wenige Drops gab. Werte zwischen -48 und -72 mV sollten aber bei jeder neueren Karte möglich sein.

Deutlich ältere Karten, die wir zusammen mit Forenmitgliedern unseres und anderer Foren testen ließen bzw. auf deren Feedback wir vertrauen, schafften diese niedrigen Werte nicht alle. Darunter befanden sich vor allem Karten, die fast direkt nach dem Launch gekauft wurden und die sich hätten freischalten lassen.

Stellt man die einzelnen Stufen numehr der MSI GTX 980 Gaming 4G gegenüber, indem wir beispielsweise Metro Last Light im 4K-Loop nutzen, dann sehen wir sehr deutlich die Auswirkung unserer Spannungsabsenkung: Bei gleicher Gaming-Performance sinkt die Leistungsaufnahme von 279 Watt auf sehr moderate 213 Watt!

Die Spannungsabsenkung lohnt sich also - vorausgesetzt natürlich, die eigene Fury non-X spielt mit.

Wer sich jetzt ärgert und Gleiches auch von der GeForce-Karte verlangt, wird leider enttäuscht zurückgelassen. Eine Spannungsabsenkung ist derzeit nicht vorgesehen, denn dies geschieht nur intern über die Absenkung des Power Targets. Da Boost ein sehr fragiles Mikrosystem ist, ist jede Absenkung auch mit den Einschränkungen beim tatsächlich erreichbaren Boost-Takt verbunden, was zum Teil erhebliche Performance-Einbußen mit sich bringt.

Traurig muss man deshalb natürlich nicht sein, denn dieses System ist bereits so filigran ausbalanciert, dass es eh kaum Optimierungsspielraum gibt. Deshalb ist diese Option im Afterburner auch nicht vorhanden, da nur eine Anhebung angeboten werden kann:

Leistungsaufnahme in verschiedenen Spielen

Als Testsystem nutzten wir unser altbekanntes VGA-Testsystem für die Leistungsaufnahme, so dass wir uns an dieser Stelle die ausführliche Beschreibung sparen können und die wichtigsten Daten lediglich tabellarisch auflisten:

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 Rohde & Schwarz HMO 3054, 500 MHz Mehrkanal-Oszillograph mit Speicherfunktion
4x Rohde & Schwarz Stromzangenadapter (1 mA bis 30 A, 100 KHz, DC)
4x Rohde & Schwarz HZ355, Tastteiler (10:1, 500 MHz)
1x Rohde & Schwarz HMC 8012, Digitalmultimeter mit Speicherfunktion
1x Optris PI640, Infrarotkamera (80 Hz) + PI Connect
Testsystem:
Intel Core i7-5930K @4,2 GHz, wassergekühlt
Crucial Ballistix Sport, 4x 4 GByte DDR4-2400
MSI X99S XPower AC
1x Crucial MX200, 500-GByte-SSD (System)
1x Corsair Force LS 960-GByte-SSD (Anwendungen, Daten)
Be Quiet Dark Power Pro, 850W-Netzteil
Windows 10 Pro (alle Updates)
Wasserkühlung:
Alphacool VPP655 Pumpe (abgeregelt)
Alphacool NexXxos-CPU-Kühler
Phobya Balancer
Alphacool 24-cm-Radiator
2x 12 cm Noiseblocker eLoop-Lüfter @400 U/min
Treiber:
AMD: Crimson Edition 16.1
Nvidia: ForceWare 361.43 WHQL

Da die oben schon als erste Grafik veranschaulichte Kurve über den Rückgang der Leistungsaufnahme bei den jeweiligen Spannungsschritten eine sehr ausführliche Auskunft gegeben hat, beschränken wir uns nun auf den Maximalschritt von -96 mV, den Mittelwert von -48 mV, den Ausgangswert ab Werk und die Leistungsaufnahme, die wir bei der GeForce GTX 980 gemessen haben. Insgesamt neun verschiedene Spiele mit zum Teil sehr unterschiedlichen Anforderungen haben wir so getestet.

Gaming-Performance

Vergleichen wir nun die beiden Karten aus dem roten und grünen Lager. Wir sehen, dass beide Karten in Ultra-HD sehr eng zusammen liegen - mit leichten Vorteilen für die Radeon R9 Fury Nitro. Doch die Unterschiede sind bis auf Witcher 3, Shadow of Mordor und Thief letztlich eher marginaler Art.

Effizienzbetrachtung in benötigten Watt pro FPS

Diese Rechnung ist am Ende recht einfach, auch wenn das Erstellen der ganzen Zahlenreihen erst einmal ein ziemlich großer Aufwand war. Vergleichen wir nun die drei Spannungsvarianten der Radeon R9 Fury mit der GeForce GTX 980: Unsere Variante mit den -96 mV ist fast so effizient wie die Nvidia-Karte und in zwei Spielen (Witcher 3 und Thief) sogar hauchdünn besser!

Damit kann man leben, denn aus dem ursprünglichen, enthemmten Trinkgelage wird plötzlich ein vornehmes Nippen mit gespitzen Lippen:

Zwischenfazit

Natürlich ist die Radeon R9 Fury in Full-HD gegenüber der GeForce GTX 980 leicht gehandicapt - nur wird wohl kaum jemand, der so eine potente Karte besitzt, mit schnöden 1920 x 1080 Pixeln spielen. Downsampling oder ein besserer Monitor sind wohl fast immer mit von der Partie. Dass die Radeon R9 Fury bereits ab QHD- und WQHD-Auflösungen ihre Stärken ausspielen kann demonstriert, dass unsere Messungen durchaus repräsentativen Charakter besitzen - auch wenn manches Spiel vielleicht noch mangels Treiberoptimierung etwas aus der Rolle fallen kann.

Die Spannungsabsenkung mit einem geeigneten Tool sollte auf jeden Fall in Betracht gezogen werden, denn die Gründe liegen auf der Hand, wie wir auf der nächsten Seite noch im Detail sehen werden. Dass AMD die Spannungen immer so übertrieben hoch ansetzt ist mittlerweile fast schon eine Standardeigenschaft der Radeon-Karten.

Natürlich garantiert dies vor allem am Anfang eines Herstellungszyklus, möglichst viele GPUs verwenden und damit auch die Yield-Rate etwas pushen zu können. Doch stellt sich dieser buchhalterisch so wertvoll erscheinende Kunstgriff am Ende immer und immer wieder als böse Image-Bremse heraus, die dem Endkunden absolut unnötig erscheint und nur schwer zu vermitteln ist.

Auf der Folgeseite beschäftigen wir uns nun mit der (vermeintlichen) Spannungsabsenkung im Detail und ihren Folgen - mit zum Teil recht interessanten Erkenntnissen. Auch dieser Teil sollte zum besseren Verständnis noch unbedingt gelesen werden, auch wenn wir die eigentlichen Ergebnisse bereits abgehandelt haben. Es lohnt sich in jedem Falle - also bitte weiterblättern, die Herrschaften!

Alle 15 Kommentare anzeigen.
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  • Mirage_DU , 11. Januar 2016 08:50
    Ich habe vor kurzem meiner 290X auch beizubringen versucht etwas weniger zu trinken. Jetzt habe ich natürlich nicht die gleichen Möglichkeiten zur Messung und habe mich hier auf Werte aus GPU-Z verlassen. Hier schien es jedenfalls so als wenn die Spannungsreduktion sich direkt auf die Spannung der Karte ausgewirkt hat. Wobei der ausgelesene Wert wahrscheinlich eher die Durchschnittsspannung einer Sekunde darstellt, kann es also nicht sicher sagen.
    Interessant fand ich dabei aber, dass ich im Benchmarkloop (Unigine Heaven & Furmark) die vollen -0,1 einstellen konnte ohne Bildfehler zu bekommen und es problemlos eine Stunde durch lief. Bei Rückgang der Last also z.B. auch auf dem Desktop aber kam es sofort zu einem Absturz. Auf dem Desktop lief es erst ab ungefähr -0,6 wieder stabil, weshalb ich es bei -0,5 belassen habe. Dazu habe ich im übrigen den Takt leicht zurück genommen. Von 1050 zurück auf 1025 MHz. Macht sich in der FPS quasi nicht bemerkbar, aber bei meiner Karte geht die Spannung ab 1030 MHz wieder ein gutes Stück nach oben es werden direkt diverse Watt mehr gezogen. Das Ergebnis wahren jedenfalls erfreuliche ~15% weniger Einergieaufnahme resultierend in einer geringeren Lautstärke.
    Bei -0,1 hatte ich im Benchmark ca. 23% weniger ausgegebene Leistungsaufnahme, aber das lies sich ja nicht stabil im Alltag betreiben.

    Noch ein interessanter Fakt. Im Furmark lief die Karte normalerweise immer so um die 950 MHz um ihr Powertarget zu halten. mit der reduzierten Spannung läuft sie dort nun auf konstanten 1025 MHz, hat also in diesem Szenario mehr Leistung. Jetzt hat Furmark natürlich keinen praktischen Nutzen, aber wer vielleicht beim GPU Computing ebenfalls Taktratendrops hat, der könnte mit undervolting vielleicht ebenfalls mehr Leistung raus bekommen.
  • FormatC , 11. Januar 2016 17:06
    Die 290X funktioniert anders ;) 
  • -iuno- , 11. Januar 2016 17:13
    Zitat :
    Interessant fand ich dabei aber, dass ich im Benchmarkloop (Unigine Heaven & Furmark) die vollen -0,1 einstellen konnte ohne Bildfehler zu bekommen und es problemlos eine Stunde durch lief. Bei Rückgang der Last also z.B. auch auf dem Desktop aber kam es sofort zu einem Absturz. Auf dem Desktop lief es erst ab ungefähr -0,6 wieder stabil, weshalb ich es bei -0,5 belassen habe.


    Das ist voellig bekanntes Verhalten bei Hawaii. Das Problem ist, dass du die Spannung nicht absolut einstellst, sondern einen offset mitgibst. Sie liegt also immer um 100 mV niedriger. Nun gibt es aber nicht nur einen, sondern 7 PowerStates. Die legen unterschiedliche Taktraten und Spannungen fuer die unterschiedlichen Lastzustaende fest. Im Desktop ist der Takt bei 300 MHz und daher kann auch die Spannung viel niedriger sein als unter Last (um die 0.8 V iirc). Mit dem Offset geht es da dann aber insgesamt einfach zu weit runter.
    Abhilfe schafft bios modding. So kannst du fuer die einzelnen PowerStates individuelle Spannungen vergeben und die niedrigeren unangetastet lassen. Die beste Loesung, allerdings eben auch deutlich aufwendiger.

    Bei mir war es genauso wie bei dir. -100 mV waren scheinbar mit Last stabil, auf dem Desktop gab es schon bei -75 mV Probleme. Ich habe das bios angepasst, bin aber dennoch nicht bei -100 mV geblieben. Dort gab es Probleme mit der VCE und nach vielen Spielstunden ein paar wenige Abstuerze. Bin jetzt bei -75 mV, wobei ich das Limit zwischen 75 und 100 mV aus Zeitmangel noch nicht ganz ausgelotet habe.
  • ShieTar , 11. Januar 2016 21:54
    Der komplette erste Absatz unter der Überschrift "Zwischenfazit" auf der ersten Seite gibt für mich keinen Sinn. Da wird die Leistung in unterschiedlichen Auflösungen diskutiert, was vorher garnicht getestet wurde. Ist das eine Kopie aus einem völlig anderen Test?

    Außerdem
  • FormatC , 12. Januar 2016 14:32
    Nein, ist es nicht. Aber erstens haben wir exakt diese Benchmarks schon bei der Nano genutzt und dort exakt dieses Verhalten beobachtet und zweitens habe ich die Fury probehalber auch in anderen Auflösungen gemessen. Exemplarisch, weil die volle Dröhnung zu viel geworden wäre.
  • ShieTar , 12. Januar 2016 15:06
    Ah, ok. Das hätte ich an deiner Stelle dann aber auch gleich im Artikel erwähnt "Habe exemplarisch gemessen und in Full-HD ...".

    Hast du den Stromverbrauch dabei exemplarisch mitgemessen? Geht bei der undervolted Fury in Full-HD nur die Leistung bei immer noch guter Effizienz in die Knie, oder arbeitet sie da auch weniger effizient?
  • FormatC , 13. Januar 2016 07:34
    Die Leistungsaufnahme sinkt in einem geringeren Maße, weil auch die Last auf der Karte deutlich kleiner ist. Nur kauft man sich doch generell keine Karten solchen Kalibers, um auf nativen 1920 x 1080 rumzuschippern. Die Rücknahme der Spannung wirkt sich dbaei ja NIE auf die Gamingperformance aus, nur auf die Leistungsaufnahme. Auch hierbei steigt natürlich die Effizienz und sinkt nicht.
  • KalleWirsch , 14. Januar 2016 10:43
    Wie baue ich meine Fury zur Nano um - spannend, sehr interessant und gut recherchiert.

    213 Watt ist ja fast Nano-Niveau. Kommt man denn auf Nano Niveau, wenn man den Takt auch noch auf Nano Niveau runter nimmt? Dann hätte man vermutlich eine Nano die aufgrund der großzügigeren Lüfterauslegung leiser als die echte Nano ist.

    Wäre schön wenn AMD gleich ein Tool mitliefert in dem man durch einem Leistungsschieber die Karte zwischen ganz effizient und volle Leistung ganz easy einstellen kann.

    Aber das würde ja die Positionierung der Fury relativieren. AMD wollte mit der Fury ja die Performance Krone und mit der Nano die Effizienz auf-kleinstem-Raum-Krone. Mit dem Ergebnis das die Fury@stock halt Leistungssieger im doppelten Sinne ist.
  • BluppOfTheBlobb , 16. Januar 2016 14:01
    Toller Bericht. Immer wieder Interessant zu sehen, was sich machen lässt wenn an ein wenig an den Schräubchen in die andere Richtung dreht, als nur FPS, FPS über alles.
  • CompEx , 25. Januar 2016 17:47
    Sehr interessanter Artikel! :) 

    Bitte unbedingt auch mit anderen Karten testen: R9 390, R9 380 etc... !!!

    Aber so ganz zu Ende gedacht ist der Vergleich noch nicht. Die ATI wird mit der Spannungsabsenkung an der Grenze der Stabilität betrieben, die nVIDIA nicht. Seit Kepler kann man bei nVIDIA ja folgendermaßen undervolten: Takt rauf, PT runter. So kann man die gleiche Taktfrequenz mit weniger Spannung erzielen und betreibt sie dann ebenfalls an der Grenze der Stabilität. So würde sich die nVIDIA wiederum in der Effizienz verbessern. Wäre spannend zu erfahren, wie groß dann der Unterschied wird.

    LG

    CompEx
  • FormatC , 25. Januar 2016 18:30
    Zu Maxwell bitte drei Dinge lesen:

    1.) GTX 960 http://www.tomshardware.de/geforce-gtx-960-overclocking-efficiency,testberichte-241729.html
    2.) GTX 970 http://www.tomshardware.de/geforce-gtx-970-power-target-boost-analysis,testberichte-241652.html
    3.) Maxwell vs. Kepler http://www.tomshardware.de/maxwell-gtx-970-effizienz-benchmarks-power-target,testberichte-241648.html

    Zu Power Target, Boost & Co, habe ich mir mittlerweile die Finger wundgeschrieben - mehr muss nicht sein ;) 
  • zeedy , 31. Januar 2016 22:07
    Hallo Igor, durch Undervolting "sinkt" ja laut GPU-Z auch die Idle Spannung. Meine R9 390 läuft in Spielen problemlos @1GHz und -96mV. Beende ich aber das Spiel, hab ich kurz danach einen Blackscreen. Ich gehe davon aus, dass die Idle Spannung zu niedrig ist. Hattest du nicht solche Probleme?

    Und kann durch Undervolting in Spielen der ganze PC abstürzen bzw kann es zu fiesen Grafikfehlern kommen?
  • FormatC , 1. Februar 2016 06:51
    Man muss die Grenze der Stabilität sehr gut ausloten und es ist ja auch nicht endlos absenkbar. Wenn es zu Fehlern kommt, dann musst Du einen Schritt zurückgehen. Es geht mit Sicherheit nichts kaputt, aber es kann abstürzen.

    Es hängt wie immer vom Chip ab. Mit einer inoffiziellen Version vom AB komme ich sogar deutlich unter die 100mV-Grenze, aber irgendwann hatte ich dann die gleichen Fehler - vor allem im Idle. Es ist pures GPU-Lotto :) 
  • zeedy , 11. Februar 2016 21:58
    Hmmm so ganz verstehe ich das nicht. Also beim Undervolting mit diesem Offset Wert sinkt ja auch die Idle Spannung, aber wenn das so wäre, müsste auch die Leistungsaufnahme sinken. Was sie nicht tut. Ich verstehe nicht warum die GPU im Leerlauf so instabil wird.
    Als ich bei -96mV im Idle einen Blackscreen hatte, und den PC mit dem Startbutton herunterfuhr, konnte ich ihn nicht mehr starten, hatte beim Booten immer Blackscreens bzw kein Signal am Monitor. Musste dann mit einer anderen Grafikkarte erstmal den AB deinstallieren...

    Aber gut, wenn das auch bei der Fury so ist, dann ist das zumindest normal.
  • FormatC , 12. Februar 2016 06:35
    Bevor man nicht sicher ist, ob etwas stabil läuft, lässt man den Arschbrenner doch nicht automatisch starten... Das mache ich noch nicht mal beim Gaming-PC, wo die Fronten geklärt sind :) 

    Leerlauf ist so eine Sache. Das ist so ähnlich wie die Load Line bei CPUs. Die Spannungen werden doch intern noch entsprechend angepasst. Dass es abkackt liegt dann auch nicht an der zu niedrigen Leerlaufspannung, sondern der in der Summe zu niedrigen Leistung, die von den VR bereitgestellt wird. Ich habe bei einer Firma z.B. angeregt, die Spannungsvorgaben des Tools frequenzabhängig einstellbar zu machen. Die testen gerade die Umsetzbarkeit in ihrem Tool :)