So testen wir Grafikkarten, Stand Februar 2017

Leistungsaufnahme und Geräuschemission

Messung der Leistungsaufnahme

Wir verfolgen die Problematik bereits seit Jahren und haben uns kontinuierlich auch den Anforderungen moderner Grafikkarten gestellt. Der hierfür betriebene Aufwand ist sicher immens, lohnt sich aber durchaus. Wer unseren Artikel Grundlagen GPUs: Leistungsaufnahme, Netzteilkonflikte & andere Mythen (Englisch The Math Behind GPU Power Consumption And PSUs) gelesen hat, der weiß auch weshalb. Den anderen Lesern sei diese Lektüre für das bessere Verständnis wirklich empfohlen.

Fangen wir bescheiden und klein an: Nicht jede Grafikkarte besitzt zusätzliche Versorgungsanschlüsse und es gab sogar Zeiten, wo Grafikkarten überhaupt keine benötigten und generell über das Mainboard versorgt wurden. Hier handelt es sich um zwei verschiedene Spannungsschienen, nämlich 3,3 und 12 Volt. Diese messe ich zwischen Grafikkarte und Mainboard und nutze dafür die beiden herausgeführten Loops der Riser-Karte:

Die Spannungen für diese beiden Schienen werden parallel dazu am 24-Pin-Anschluss des Mainboards gemessen, da sie ja von dort zu den Grafikkarten-Slots durchgeschleift werden.

Die Werte an den externen PCIe-Anschlüssen (6- oder 8-polig) werden ausschließlich an den Kabeln direkt am jeweiligen Versorgungsanschluss der Karte ermittelt. Da bei manchen Karten mit mehreren Anschlüssen noch eine getrennte Aufteilung auf verschiedene Spannungswandlerzüge erfolgt, können es dann auch schon einmal zwei Stromzangenadapter und Tastköpfe werden, so dass insgesamt acht analoge Kanäle gleichzeitig zu überwachen und zu protokollieren sind.

Das alles realisiere ich mit zwei getriggerten Speicheroszillographen (Master/Slave), die somit quasi als 8-Kanal-Oszillograph fungieren können. Gemessen wird seit Beginn mit aktiviertem Low-Pass-Filter und maximaler Sampling-Rate, um mögliche Aliasing-Effekte und verfälschendes Rauschen ("Noise") weitestgehend auszuschließen.

Wie viele Details benötigt man?

Gute Frage - aber die Antwort ist leider gar nicht so einfach. Ich bin oft von Lesern (und auch so manchen Kollegen) bezüglich der Messungen sowie der grafischen Darstellung der Messergebnisse kritisiert worden. Letzteres vielleicht sogar zu Recht, denn wer nicht tief in der Materie steckt, wird vielleicht das eine oder andere Detail schnell übersehen und dann unter Umständen sogar aus den ganzen auftretenden Spikes die falschen Schlüsse ziehen.

Um auch für den Normalanwender verständlicher zu bleiben, habe ich für viele Artikel die Messintervalle vergößert und setze zusätzlich eine neue Auswertungssoftware ein, die sehr kurzeitige Lastspitzen und Lastabfälle in ihrem zeitlichen Aufeinanderfolgen bewerten und auf Plausibilität testen kann.

Der so entstehende Kurvenverlauf ist im Ergebnis deutlich flacher, wird aber die meisten Leser weniger irritieren. Nichtsdestotrotz ist das Wissen um das Auftreten von echten Spikes wichtig, gehört aber definitiv nicht zum aktuellen Beitrag. An dieser Stelle möchte ich gern wieder auf den oben verlinkten Grundlagenartikel verweisen.

Setup Leistungsaufnahme
Messverfahren:
berührungslose Gleichstrommessung am PCIe-Slot (Riser-Card)
berührungslose Gleichstrommessung an der externen PCIe-Stromversorgung
direkte Spannungsmessung an den jeweiligen Zuführungen und am Netzteil
Messgeräte:
2x Rohde & Schwarz HMO 3054, 500 MHz Mehrkanal-Oszillograph mit Speicherfunktion
4x Rohde & Schwarz HZO50, 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

Messung der Geräuschemission

Hierfür steht mir außerhalb des eigentlichen Labors ein weiterer Messraum zur Verfügung, den ich 2016 fertig stellen konnte und der neben den Messungen der Grafikkarten auch für die PC-Audio-Tests und viele andere relevante Dinge genutzt wird. Das Raum-im-Raum Konzept hilft dabei, störende Umwelteinflüsse bis hin zu Vibrationen und Körperschall (Tiefton über den Boden) weitgehend zu vermeiden.

Mit herkömmlichen Schallpegelmessgeräten ist man (vor allem bei leisen Grafikkarten) nahezu dem Zufall ausgeliefert, denn die so gemessenen Werte sind eher eine optimistische Schätzung, jedoch definitiv keine verwertbare Messung. Je nach Tageszeit und Umgebung ist es jetzt in dieser Kammer möglich, Werte bis hinab zu 20 dB(A) sicher und reproduzierbar zu erfassen.

Wir nutzen im Akustikmessroum unser "altes" Testsystem im offenen Aufbau, das wir noch einmal leiser machen konnten und das ohne Grafikkarte und mit gedämmtem Netzteil im Abstand von 50 cm unter 23 dB(A) als "Grundpegel" erzeugt. Damit kann man jedoch bequem leben.

Im separaten Kontrollraum, dessen Geräte (wie auch der Rest in dieser Etage) ausschließlich aus dem Gleichstromnetz gespeist werden, kann der jeweilige Durchlauf am Bildschirm überwacht und aufgezeichent werden.

Wir werden immer wieder gefragt, warum wir die Messwerte als A-bewertete dB-Werte und nicht in Sone ausgeben. Der Grund liegt für uns auf der Hand: Die Definition der sogenannten Lautheit in Sone beruht auf der Definition des Lautstärkepegels. Ein Sinuston von einem Kilohertz Tonhöhe mit 40 dB (Dezibel) entspricht dabei einem Lautstärkepegel von 40 Phon, was wiederum als Basis für ein Sone gilt.

Empfindet man nun einen Schall als doppelt so laut, dann spricht man im Ergebnis von zwei Sone; bei einer empfundenen Halbierung logischerweise von 0,5 Sone. Was auf den ersten Blick praktisch, logisch und bequem aussieht, birgt in der Praxis aber haufenweise Probleme und mögliche Irritationen.

Die Lautheit in Sone gibt nämlich ebenfalls nur an, wie laut ein Schallereignis von einem normierten Durchschnittsmenschen rein subjektiv empfunden werden könnte - womit dieser Bereich ebenfalls zur höchst problematischen Psychoakustik gehört und damit auch nicht besser als die dB(A)-Angabe ist. Zwei Sone sollen doppelt so laut sein wie ein Sone? Diese in Zahlen verpackte Subjektivität entpuppt sich leider als ein übler Trugschluss, denn nichts ist nun mal ungenauer als der subjektive Eindruck. Warum das so ist, kann sogar jeder für sich selbst austesten:

  1. Nimm einfach Dein Radio und merke Dir den Skalenwert des Lautstärkereglers.
  2. Drehe es nun bitte auf gefühlt doppelt so laut - aber ohne auf die Skala zu achten.
  3. Drehe es jetzt bitte zurück auf halb so laut - natürlich wiederum, ohne auf den Drehregler zu sehen.
  4. Vergleiche nun die Endstellung des Knopfes mit der Ausgangsstellung von Punkt eins und Du wirst staunen!

Die einzige einigermaßen verlässliche Methode für die Ermittlung der Lautheit in Sone wäre die nach E. Zwicker (umgesetzt in der DIN 45631:1991-03). Dieses Verfahren ist jedoch einigermaßen kompliziert und für leisere Geräusche unter einem Phon (ca. 40 dB) trotzdem noch ziemlich ungenau. Die unbewertete dB-Messung hingegen misst den tatsächlichen Schalldruckpegel und wäre somit ein echter Messwert und kein mit Formeln bewertetes Ereignis (weshalb ihn die Industrie gern als Basiswert nutzt). Nur nutzt er uns so leider auch nichts.

Die letztendlich von uns verwendeten dB(A) Werte hingegen sind wiederum gefilterte dB-Ergebnisse, die das subjektive Empfinden hörphysiologisch nachstellen sollen. Womit wir lustigerweise beim ähnlichen Problem wie mit der Lautheit in Sone wären. Beides, Sone und dB(A) sind nachempfundene Aussagen, die keinen echten Messwert darstellen, sondern auf pauschalisierten Mutmaßungen und Unterstellungen basieren!

Ein normaler dB(A)-Wert ist somit ein bewerteter Schalldruckpegel, der auf die Hörschwelle von 0 dB = 20 Mikro-Pascal bezogen ist. Dazu gibt es noch Aspekte wie die Zeitbewertung (Fast oder Slow), die man nutzen kann, um sich etwas der Realität der jeweiligen Situation anzunähern. Und nun?

Somit bleibt die Frage im Raum stehen, was in der Praxis gemessen werden soll. Bewerteter Schalldruckpegel oder Lautheitsmessung? Ich habe mich - vor allem auch wegen der besseren Vergleich- und Reproduzierbarkeit - vorerst für Ersteres entschieden, denn beide Methoden haben ihre ganz speziellen Vor- und Nachteile.

Ergänzend sollte man auch erwähnen, dass die Geräte regelmäßig professionell kalibriert werden müssen, da die Abweichungen nach spätestens einem Jahr jegliches Ergebnis in Frage stellen würden.

Wer sich noch genauer mit dieser Problematik beschäftigen möchte, der sei auf unseren Grundlagenartikel Tom's Hardware intern: So testen wir Lautsprecher, Kopfhörer und Geräuschemissionen verwisen, der deutlich weiter in die Tiefe geht.

Einfache Kontrollmessungen

Diese Kontrollmessungen kann ich mit verschiedenen Abständen zum Messobjekt auch gleich vor Ort im Labor durchführen. Natürlich kann mir dies trotz des kalibrierten Mikrofons, einer guten Abschirmung und der gleichen Auswertungssoftware wie im Messraum die exakte Messung nicht ersetzen, aber einen ersten Anhaltspunkt erhalte ich auch so. Nebenbei sparen ich mir dann beispielsweise bei Umbauten auch den zeitintensiven Weg in den Messraum außerhalb des Stadtzentrums.

Setup für Messung der Geräuschemission
Mikrofon:
NTI Audio M2211 (mit Kalibrierungsdatei)
Hardware:
Steinberg UR12 (mit Phantomspeisung für die Mikrofone)
Creative X7
Software:
Smaart v.7
Messraum:
eigener reflexionsarmer Messraum, 3,5 x 1,8 x 2,2 m (LxTxH)
Kontrollmessungen:
Axialmessungen, lotrecht zur Mitte der Schallquelle(n), Messabstand 50 cm
Ausgabewerte:
Geräuschentwicklung in dBA (Slow) als RTA-Messung
Frequenzspektrum als Grafik
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5 Kommentare
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    Dein Kommentar
  • Ge0815
    "Was denkst Du?" Sehr clever! Gerade im Hinblick auf die kommenden Prozessoren und Grafikkarten ist das ein Schritt, der sehr vorausschauend ist. So wurde bspw. für den Ryzen angekündigt, dass dieser seinen Boost-Takt in sehr feinen Schritten drosselt, und dieser wiederum abhängig von der Temperatur bzw. aufgenommenen Leistung ist (bekanntlich ist diese bei Halbleitern auch abhängig von der Temperatur). Das wird bei den kommenden Grafikkarten von Nvidia und AMD ebenso der Fall sein, dass die erreichbaren Taktraten erheblich von der Temperatur abhängig sind.
    Also ist die ausführliche Aufzeichnung dieser Temperaturen und das gesamte Test-Setup wirklich gut geeignet, das Verhalten kommender Hardware zu analysieren und ein Otto Normal-Desktopsystem entsprechend anzupassen.
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  • FormatC
    Boost ist heute schon ein Thema und leider hat man offen ab und an dann auch viel zu hohe Benchmarkwerte.
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  • JPCM2014
    Danke FORMATC! Freue mich auf den Test der 1080 Nachfolger (1080ti¿) und die neuen AMD Karten.
    Falls du mal was ganz verrücktes testen möchtest, teste eine aktive Backplate sowas haben sich schon welche bauen lassen, finde aber nirgends Aussagen zur Temps oder bessere übertaktung.
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  • Aldidas
    Gibt es dann auch wieder Charts? Hab da immer sehr gerne reingeschaut und Grafikkarten verglichen.
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  • FormatC
    Die mache ich heute noch, nur dass sie nur Frankreich nutzt.

    Aber:
    Wir warten auf das Re-Design vom Front-End. Dann sollte das wieder klappen.
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