AMD Ryzen 5 1600X und 1500X – Licht und Schatten im Duett

1 - Einführung und Testsystem 2 - AotS: Escalation, Battlefield 1 3 - GTA V, Hitman (2016) 4 - Middle-Earth: Shadow of Mordor, Project Cars 5 - Rise of Tomb Raider, The Division, Time Spy 6 - Workstation-Benchmarks 7 - Temperaturen und viele Deltas 8 - Leistungsaufnahme im Detail 9 - Zusammenfassung und Fazit 10 -

Tctl-Sensorwerte und viele neue Fragen

Dass die Anzeige der Temperaturwerte bei den aktuellen Ryzen CPUs zumindest nicht ganz unproblematisch ist, das wissen wir ja bereits seit dem Launch der größeren Ryzen 7 CPUs. Bei einigen Modellen hatte AMD einfach 20 Grad mehr ausgeben lassen, um die Kühlung sicherzustellen – warum auch immer.

Wir haben diese Umstände erst einmal als gegeben hingenommen und für diesen Launch einen sehr aufwändigen Testaufbau erstellt, dessen Kühlung auf einem industriellen Kompressorkühler basiert. Alphacool hat das Original etwas abgewandelt und bietet es als „Eiszeit 2000 Chiller“ mit den üblichen 1/4″-Gewinden und einer leistungsstarken Pumpe auch für interessierte Endkunden wie uns an.

Die Kühlung der CPU erfolgt über einen Alphacool Eiszeit XPX, den wir direkt am Chiller angeschlossen haben. Da der Vorratsbehälter im Kompressorkühler knapp 8 Liter Kühlflüssigkeit fasst und gleichzeitig auch als Ausgleichsbehälter fungiert, ist gleichermaßen ein relativ großer Temperaturpuffer vorhanden. Mit ca. 40 Litern pro Minute ist zudem der Durchlauf im System ausreichend hoch.

Die eigentliche Besonderheit des „Alphacool Eiszeit 2000 Chiller“ ist jedoch die programmierbare Temperaturregelung, die die Kühlflüssigkeit mit nur geringen Toleranzen exakt auf der eingestellten Temperaturvorgabe hält. Das funktioniert bei den von uns gewählten 20°C auch unterhalb der Raumtemperatur noch perfekt.

Bis hierhin war es eigentlich nur eine Art Machbarkeitsstudie, weil wir wissen wollten, wie sich AMD’s XFR unter optimalen Voraussetzungen verhält und welche Unterschiede wir im Gegensatz zu anderen Kühlungen bei den Leckströmen messen können. Doch bereits nach dem ersten Probelauf erlebten wir eine größere Überraschung:

Mit knapp 17°C lagen die ausgegebenen Tctl-Temperaturwerte des Ryzen 5 1500X bei ca. 19 Watt Gesamtleistungsaufnahme der CPU (Package) um satte 3 Kelvin unter der Temperatur der Kühlflüssigkeit von konstanten 20°C!

Dass dies totaler Unfug ist, muss an dieser Stelle sicher nicht weiter ausgeführt werden, denn es ist einfach nicht plausibel. Wir haben deshalb aus unseren Beständen eine sehr dünne Metallfolie genutzt (Liquid Metal Pad), die eigentlich als Wärmeleitpastenersatz entwickelt wurde. Da wir aber einen extrem guten Kühler nutzen, wird der Schmelzpunkt dieser Folie deutlich unterschritten, so dass sie sich nicht mit Heatspreader und Heatsink komplett verbindet. Wir haben einen dünnen Streifen zwischen den Wasserblock sowie den Heatspreader geschoben und ihn so schmal gehalten, dass es zu keinen messbaren Verschlechterungen bei der jeweiligen Kühlung kam. Beim Boxed-Kühler musste es dann ein sehr dünn gewalztes Kupferplättchen richten.

Eigentlich wollten wir ja nun nichts anderes tun, als mit der Infrarot-Kamera das Delta zwischen der Wassertemperatur und dem Heatspreader messen. Allerdings mussten wir aber feststellen, dass auch hier der tatsächliche Temperaturverlauf am Heatspreader der CPU und die ausgegebenen Temperaturwerte der Sensoren widersprüchlicher nicht sein könnten. Wir haben insgesamt zwei Punkte feststellen können, bei der sich die Kurve des jeweiligen Temperaturverlaufes jeder CPU deutlich änderte. Linear geht jedoch komplett anders.

Zuerst haben wir vermutet, dass sich das Verhalten der Sensorwerte temperaturabhängig bei bestimmten Schwellenwerten ändert, so dass man im Umkehrschluss auf einen bestimmten Bereich hätte schließen können, innerhalb dessen die Sensoren ein ganz bestimmtes Verhalten aufweisen. Das hätte es uns wiederum auch ermöglicht, für diese jeweiligen Temperatur-Teilbereiche eine Art zusätzliches Delta zu ermitteln, mit dem wir die Temperaturwerte dann hätten nochmals korrigieren können.

Temperatur vs. Leistungsaufnahme

Da die verwendete Kühlung bei allen Messungen absolut unabhängig von der zugeführten, tatsächlichen Abwärme agiert, haben wir im zweiten Durchlauf interessehalber einmal die Tctl-Werte und die tatsächliche Leistungsaufnahme gegengeübergestellt. Um diverse Sprünge und Zeitverzögerungen möglichst gut ausgleichen zu können, haben wir mit einem selbst programmierten Tool stufenweise über einen längeren Zeitraum unterschiedliche Lasten erzeugt, die wir dann paritätisch auf die möglichen Threads aufgeteilt haben (bzw. dies so erhofft hatten). Das so erhaltene Ergebnis bestätigt dann auch, was wir schon vermutet haben:

Unterhalb von ca. 20 bis 25 Watt sind die ausgegebenen Temperaturwerte somit glatter Unfug. Wir sehen aber auch, dass zwischen Ryzen 5 und Ryzen 7 noch einmal ein deutlicher Unterschied in der AMD-eigenen Interpretation der Tctl-Werte besteht!

Generell konnten wir feststellen, dass beim verwendeten Messaufbau mit konstanten Kühltemperaturen ab einer Leistungsaufnahme von ca. 20-22 Watt aufwärts generell ein zusätzliches, festes Delta von ca. vier bis sechs Kelvin zwischen beiden Prozessorfamilien existiert! Die Sensoren der Ryzen 5 CPUs zeigen bei gleicher Leistungsaufnahme somit konstant höhere Werte an als die CPUs der Ryzen 7 Serie!

Die zusätzlichen 20 Kelvin, die AMD für einige Prozessormodelle aufschlägt, haben wir hierbei bereits mit einbezogen.

Nimmt man dann noch die mutmaßlichen Differenzen beim Wärmeübergang zwischen den einzelnen Bereichen vom Die bis hin zur Kühlfüssigkeit und vergleicht diese üblichen Erfahrungswerte mit unseren Infrarot-Kontrollmessungen, dann ergäben sich für die drei Teilbereiche unter Berücksichtigung unserer Kühllösung folgende Werte:

Somit wäre der Unterschied der Ryzen 5 über die gesamte Leistungskurve immerhin bei ca. 8 Kelvin festzumachen, was wirklich keine Kleinigkeit ist. Wir haben mehrere Plausibilitätstests gemacht und konnten diese Werte jedes mal erneut reproduzieren.

Wer liegt richtig: Ryzen 5 oder Ryzen 7?

Was ist nun wahrscheinlicher? Zeigen die Ryzen 5 CPUs nun generell zu viel an oder werden die Ryzen 7 mit vier bis sechs Kelvin zu niedrig bewertet?

Die nachfolgende Kurve zeigt die Infrarot-Werte des Heatspreaders in °C über einen Zeitraum von ca. 30 Minuten und einer Verlustleistung des Ryzen 7 1800X von ca. 58 bis 60 Watt. Vergleicht man dies nun mit der Kurve in der Tabelle oben, dann kann es eigentlich nicht sein, dass Tctl und Heatspreader die gleichen Temperaturwerte aufweisen. Das an dieser Stelle erwartete Delta von ca. drei bis vier 4 Kelvin zwischen Tctl und Heatspreader wird jedoch vom Ryzen 5 1500X erreicht, was sich mit unserer eben aufgestellten Mutmaßung deckt. Dass diese Werte generell so klein ausfallen, liegt an der enormen Kühlleistung des Chillers.

Eine vorläufige Schlussfolgerung legt somit nahe, dass alle Ryzen 7 CPUs generell ca. vier bis sechs Kelvin zu niedrig bewertet werden, setzt man die beiden Ryzen 5 CPUs bei identischer Verlustleistung als plausibleren Vergleichwert an.

Auswirkungen auf die Luftkühlung

Warum uns der Knick der Kurve bei ca. 50 Watt so interessiert, werden wir gleich noch sehen, wenn es um die Leistungsaufnahme beim Gaming geht. Zumindest bei der kleineren CPU bleibt man nämlich in diesem Bereich und dann kann es schon interessant sein, seine individuellen Lüfterkurven so anzupassen, dass man unsere Erfahrungswerte mit einbezieht. Schließlich verfügt nicht jeder über einen Kompressorkühler. Und mit fallender Kühlleistung sind die Auswirkungen der sich ändernden Sensorcharakteristik dann umso wichtiger!

Um dies etwas anschaulicher zu belegen, haben wir den Ryzen 5 1500X noch einmal mit dem beiliegenden Luftkühler getestet und eine feste Drehzahl des Lüfters eingestellt, wie sie bei einem ersten Testdurchlauf bei Volllast benötigt wurde. Auch hierbei sehen wir die beiden Knicke im Kurvenverlauf noch sehr deutlich, auch wenn die Kurve natürlich insgesamt viel steiler ansteigt. Wer genauer hinsieht, wird auch die um ca. 5 Watt gestiegende Gesamtleistungsaufnahme bemerken, die durch zusätzliche Leckströme bei den nun deutlich höheren Temperaturen entstanden ist.

Doch wir bleiben zunächst bei den Temperaturen und vergleichen nun noch einmal alle Ryzen-CPUs bereinigt unter Einbeziehung des jeweiligen prognostizierten zusätzlichen Deltas für die drei Leistungsteilbereiche und die jeweilige Prozessorfamile:

Das Rechenbesipiel für den Ryzen 7 1800X im Torture-Test bei Volllast lautet somit:

67°C (Tctl, Sensor) – 20°C AMD Modell-Offset + 4°C Zusatzoffset für Ryzen 7 = 51°C

Reichlich verwirrend? Das finden wir auch und es kann eigentlich niemand wirklich logisch nachvollziehen, was AMD da geritten hat. Würde man unsere ermittelten Zugaben weglassen, wäre Ryzen 7 bei gleicher Verlustleistung deutlich kühler als Ryzen 5, was physikalisch kompletter Nonsens ist.

Wir möchten abschließend darauf hinweisen, dass sich diese Werte und festgestellten Deltas generell nur auf unseren Testaufbau beziehen und bei anderer Hardware durchaus wertmäßig noch etwas differieren könnten. Die Kernaussage ist jedoch übertragbar, so dass man eigentlich diese aufwändigen Messungen für viele andere Aufbauten wiederholen müsste, um eine wirklich abschließende Pauschalisierung treffen zu können.

Dieser Zeitaufwand war im Vorfeld dieses Launches jedoch leider nicht machbar, da allein die Temperaturmessungen eines einzigen Testaufbaus drei Tage in Anspruch genommen haben.