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Total Board Power (TBP) vs. real power consumption and the inadequacy of software tools vs. real measurements

Why do AMD’s actually measured values at the pcie connectors deviate so extremely from the results read out via software and why is the error rate in short-term measurements on NVIDIA graphics cards still so high? Where do the values read out by the tools actually come from, and what is the fundamental difference between the two graphics card manufacturers in the end? Today’s article is intended to show you where the respective pitfalls lie with the free tools and what is really sufficient for accurate estimation of power consumption (and what is not).

Because there are really huge differences between AMD and NVIDIA, which I would like to explain to you as understandably as possible based on the board design and the approach of both manufacturers. In addition, I will give you some hints on how you can or must supplement or extrapolate the data read out by the tool. Because already at this point we have to separate and distinguish properly between real measurement and simple readout via software interfaces. That’s because those are actually not comparable, at least with the Radeons. Therefore, I will briefly start with the measurements again (for a better understanding of the task), since the necessary basics have to be talked about first.

Why a measurement is irreplaceable and yet not everyone needs it every day

For the normal user, the measurements, as I make them in the laboratory, are important as a pure source of information and also an essential basis for understanding. Above all, the data on the load peaks, the load change behavior and the estimation of the appropriate dimensioning of the power supply are findings that can only be generated in a suitable laboratory with the necessary technical and financial effort. As a customer, however, you don’t have to make this effort at all, because you already get everything delivered free of charge by third parties (like me).

You can measure it (like me) with two coupled oscillographs, current clamps and probes for the respective voltages (up to 8 channels in total) to measure, record and evaluate even the finest load peak at intervals far below one millisecond. Of course, this allows deep insights into the behavior of the graphics cards at different loads, but is almost useless for individuals without a professional evaluation and summary due to the sheer amount of data. I, too, first have to simplify everything and also prepare it graphically in such a way that you can understand anything at all. For various reasons, I won’t go into all the details, not even the current setup in the lab, because I too have one or two trade secrets. But at the end I have a collection of links for you, where I describe such things in more detail. Here that would be too confusing.

What must be determined for all measurements, however, are the currents flowing on the 12-volt lines and the corresponding voltages at each of the terminals (since these values also fluctuate extremely). However, the smaller the measurement intervals, the more you have to adapt technically. This is because the current clamps also have built-in electronics, which leads to a certain time delay, while the voltages are, after all, recorded directly at the input of the oscilloscope. So here a complex calibration and the entry of these delays in the firmware menus for the voltage inputs are mandatory.

There is nothing worse than when time-shifted values are then multiplied together (voltage times current)! This is because a current peak does not always fall on a high or at least average voltage. What is applied to the 12V rails is anything but a clean DC voltage! So you can also measure a lot of mischief (up to the dreaded aliasing) if you don’t pay close attention to what you are actually doing.

Of course, it is also possible to measure all this using a very elaborate MCU-based shunt measurement setup for all current-carrying lines, but this loses some of the resolution. There are currently hardly any solutions that can still measure below one millisecond, since everything is usually connected via USB. The polling rate already limits the flow of information considerably. The advantage, however, is that you don’t have to make a medium-high, five-figure investment, but can be happy with up to 1000 euros, depending on your requirements and effort.

ElmorsLAB’s PMD and NVIDIA’s PDAT also fall into this cateory of cheaper shunt solutions. The resolution is not particularly high, but for the daily recording of the relevant power consumption and a good momentary checks, these hardware solutions are definitely enough. Those who want to invest some money here will certainly not be disappointed. And since such solutions monitor the incoming 12V lines externally, everything works equally well for AMD and NVIDIA graphics cards, as does my Oscilloscope solution.

Currents also flow on the 3.3-volt rail!

However, the 3.3 volt line is still used by some cards (with up to 5 watts and more!), but it isn’t detected by any software tool and even by NVIDIA’s PCAT board, which can mean a coarser measurement error (and also software readout error) of a few watts. Reading the 3.3-volt rail via sensor is generally impossible, as we will see in a moment on the following pages. However, I can already spoil that NVIDIA’s board partners like to use this rail to take various low voltages out of the overall 12V line budget. This is nothing more than a cheat against NVIDIA’s control rage, but I’ll get to that in a moment.

The picture above shows the evaluation of the data for a rather smaller, but current NVIDIA graphics card, where sometimes 4.5 watts (and more) flow over the 3.3 volt connection and are not included in the total board power (TPB) of the graphics card as the to be respected power limit. This also explains why, for example, two cards from different manufacturers can clock at different speeds despite identical power consumption on 12 volts and similarly high-quality components. Especially with smaller graphics cards up to 150 watts TBP, something like this is definitely not only measurable.

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RX480

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Wow,
Soviel mehr hätte ich jetzt net erwartet.

Ansonsten mal schön zu sehen, wieviel mehr Watt die heisse Graka ggü. der Kalten verbraucht.
Da lohnt es sich bestimmt ab nem Punkt X gar net mehr so richtig, noch mehr W drauf zu braten.
(mal abgesehen davon, das ne Air6900 bei 95°C - Hotspot oder gar niedriger schon langsamer wird, dito NV
auch bei einigen Grakas den GPU-takt runterstept; ... sofern net vorher der Vram schon zu heiss war)

Außerdem gut, das die 3,3V mit erwähnt wurden, was manche Reviewer gerne unterschlagen.

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Igor Wallossek

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10,168 Kommentare 18,744 Likes

Hund-Schwanz-Prinzip. Richtig.

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RX480

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1,843 Kommentare 843 Likes

Das beste Bsp. Hierzu war bisher hier das Review zum UVen bei der 6800 von Gurdi. (oder das 300W-Review zur Ti letztens)
Ohne großen Leistungsverlust (fps) wurden 40W asic bzw. 20% bei der 6800 gespart!
(da war bestimmt das "kalt" halten sinnvoll)

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Falcon

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105 Kommentare 107 Likes

Solange ich noch am Durchtesten des Systems bin hab ich immer nen einfaches Energiemeßgerät an der Kiste hängen.

Schon erstaunlich wieviel W man mit ein bisschen Undervolten und Übertakten ohne Leistungsverlust an Grafikkarten so Einsparen kann.

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xlOrDsNaKex

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33 Kommentare 29 Likes

Danke dir Igor für die immer wieder sehr interessanten, tiefergehenden und sehr technischen Artikel. Schön zu sehen das du nicht einfach immer nur "nachplapperst" sondern den Sachen tatsächlich auf den Grund gehst und auch mal den Finger in die Wunde legst, wenn es sein muss!

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Göran

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154 Kommentare 63 Likes

Super Beitrag, auch für elektrotechnische Laien eine plausible Erklärung, Danke dafür Igor !

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grimm

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3,081 Kommentare 2,034 Likes

Der Aufbau sieht extrem aufwändig aus - Danke für den ausführlichen Test!

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Casi030

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11,923 Kommentare 2,337 Likes

Du hast aber nicht zufälligerweise Screens von HWINFO64 gemacht von NVIDIA und AMD um die Daten mal zu vergleichen?
Was Ich z.b. nicht verstehe ist wenn ich im AMD Treiber PPT 300Watt einstelle,dann zieht die GPU um 225Watt und der Rest zieht 75Watt damit es die 300Watt sind.Was verbaucht jetzt noch mal rund 30% mehr?

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Martin Gut

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Endlich verstehe ich, wie unterschiedlich die Hersteller die Leistungsaufnahme messen. Da ich noch keine AMD-Grafikkarte hatte, habe ich mich noch nicht so genau damit befasst.

Um die GPU immer mit einer bestimmten Leistung laufen zu lassen, macht die Messung von AMD natürlich Sinn. Für die Überwachung der Spannungswandler und der ganzen Leistungsaufnahme bringt das natürlich wenig.

Nun übertakte ich meine Nvidia-Grafikkarte, indem ich die Lüfter über das Mainboard versorge. Dann bekommt die GPU schon ein paar Watt mehr. Interessante Denkweise. 😉

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Igor Wallossek

1

10,168 Kommentare 18,744 Likes

Du hast den Artikel nicht gelesen. Bei AMD stellst Du NIEMALS die gesamte Karte ein. Und wenn Du 300 Watt fürs Power Target vorgibst, dann müssen die gar nicht reale 300 Watt TGP am Stecker sein, weil Du im Wattman die TDC ja nicht mit anheben kannst und die Spannungsbegrenzung für eine Leistungsbegrenzung sorgt. Das ist schon etwas komplexer und AMD ist alles außer Chip und Speicher schnurzegal.

HWinfo liest NVIDIA auch richtig aus, nur AMD ist halt komplett beschnitten, weil das nur ein paar DCR-Werte sind. Da kann HWInfo nichts dafür. Die Werte decken sich mit denen von GPU-Z und dem Afterburner, weil alle die gleiche API nutzen. AMD kann man icht komplett auslesen. Nur hochrechnen, wenn man die Komponenten genau kennt. Über die gemessenen Temps und die Datenblattkurven der SPS kommt man schon recht ordentlich voran, wenn man die restlichen Verluste noch mit ausrechnen kann. Ich kann das, aber der Normalanwender nicht. Der muss dann grob schätzen, was fast immer schief geht.

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Gurdi

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1,370 Kommentare 900 Likes

Schöner Artikel, bei AMD brauch man schon ein digitales Netzteil um valide Werte zu berechnen von der TBP. Die Karten unterscheiden sich da teils gravierend. Meine 6800XT LC brauch schon 40-50 Watt extra trotz sehr guter Kühlung, die 6800 dagegen ist deutlich genügsamer mit 20-30Watt.

@Igor Wallossek Wie misst eine NV Karte den PEG? Sitzen da auch nochmal Shunts?

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Igor Wallossek

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10,168 Kommentare 18,744 Likes

Ja, das steht sogar im Artikel. Schau mal aufs Schema, den Bereich habe ich sogar eingezeichnet und beschrieben. Current Sense :)
Bei der abgebildeten Karte ist der Shunt auf der Rückseite.

Digitale Netzeile sind aber auch nur Schätzeisen, denn die Auflösung ist wirklich mies. Dann lieber das Teil von Elmor. Allen gemeinsam ist aber, dass man die 3.3 Volt nicht bekommt. :D

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Gurdi

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1,370 Kommentare 900 Likes

Die 3,3V kann ich ohne Probleme messen am Netzteil. Das Digifanless ist dabei auch recht genau, hast du sogar selbst gesagt (und hast es auch selbst verwendet wenn ich mich recht erinnere)

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Deridex

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2,212 Kommentare 846 Likes

Ich finde diese Werte bis auf 3 Stellen hinterm Komma immer wieder amüsant. Ich wäre sehr überascht, wenn so ein Netzteil das tatsächlich so genau messen kann, dass die 3te Stelle hinterm Komma noch ernsthaft aussagekräftig ist.

Ich lasse mich da gerne natürlich gerne positiv überraschen, bin da ber trotzdem eher pessimistisch.

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Furda

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663 Kommentare 370 Likes

@ Herr Wallossek
Schöner und sehr interessanter Artikel, vielen Dank. Fühle mich etwas in die 90er versetzt, als ich noch in der Elektrotechnik tätig war.

Bezgl. GPU Spannungen in Tools auslesen, bei Ampere z.B. soll es die Möglichkeit geben, die 'echte' NVVDD auszulesen, also die real anliegende Spannung der GPU, welche nicht mit der 'gewünschten' GPU Spannung (der Takt-Spannung-Kurve) übereinstimmen muss, welche die gängigen Tools anzeigen. Diese 'echte' NVVDD habe ich bisher nur in Ampere Tools gesehen. Ist für mich mittlerweile bei OC/UV ein wichtiger Punkt, genau wie GPU Clock vs. GPU Effective Clock, der einem etwas mehr darüber erzählen möchte/könnte, in welchen Betriebszuständen (Spannung vs. Clock) sich die GPU wohler fühlt, als in anderen Bereichen (Stichwort Sweet Spot(s)). Gibt es dazu Informationen, über welche Sie reden dürfen?

@ Martin G
Ja genau, der PWM Wert für die Lüfterdrehzahl wird von der GPU auch ausgegeben, wenn kein Lüfter angeschlossen ist. Diesen Wert kann man dann per Software (z.B. FanControl) auf Lüfter kopieren resp. synchronisieren, welche anderswo (z.B. am Mainboard) angeschlossen sind. Wenn man es Software-unabhängig machen möchte, kann man ein Spezial-Kabel machen und das originale PWM Signal Hardware-seitig vom GPU Fan Stecker abzapfen, Energieversorgung über das Mainboard.

@ Deridex
Dito, habe deshalb alle Nachkommastellen in HWInfo ausgeschaltet, ausser dort, wo sie wirklich im relevanten Wertebereich liegen. Gibt zudem ein aufgeräumteres, weniger 'nervöses' Monitoring.

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Martin Gut

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7,751 Kommentare 3,558 Likes

Ich habe meine Lüfterregelung auf der Grundlage von Openhardwaremonitor selbst programmiert. Damit kann ich CPU- und GPU-Temperatur auslesen und die Lüfter so regeln, wie ich es haben möchte. Die Grafikkartenlüfter habe ich durch einen 14 cm-Silentlüfter ersetzt. Die Grafikkarte hat die Lüfter immer pulsierend laufen gelassen, was echt nervig war. Dazu hat der CPU-Lüfter bei jeder kurzen Lastspitze hörbar aufgedreht. Nun habe ich es so geglättet, dass die Lüfter eine etwa Minute brauchen bis sie sich angepasst haben. So lange braucht es so oder so, bis sich die Kühler richtig erwärmt haben und auch die Wärme abgeben können.

Dadurch ist mein PC praktisch lautlos geworden. Es hat einiges gebraucht, bis ich zu der Lösung gekommen bin. Aber es hat mir einfach keine Ruhe gelassen (wörtich gemeint), bis es richtig funktioniert hat.

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O
Oberst

Veteran

335 Kommentare 130 Likes

Naja, wie funktionieren denn die digitalen Netzteile? Ich habe ein etwas älteres Corsair AXi 760, das misst meiner Meinung nach viel Mist. Laut Netzteil braucht mein Rechner (R5 2600, B450 Pro4, 2x8GB Balistix 3200er DDR4, R9 Nano, Kingston A2000 512GB und Crucial P1 1TB) im Leerlauf um die 180W, mehrere Leistungsmessgeräte attestieren um die 50W. Das ist schon ne massive Differenz. Unter Volllast kommen ich etwas über 300W, da stimmt das Netzteil dann auch relativ ordentlich mit den Messgeräten überein.
Oder anders ausgedrückt: Die Netzteile helfen auch nur, wenn sie korrekt messen. ;)
@Igor Wallossek : Wie ist das eigentlich bei den Netzteilen? Da wird vermutlich in der Regel über Shunts gemessen, oder? Sorry für etwas OffTopic, aber irgendwie passt das doch auch halbwegs zum Thema.

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Gurdi

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1,370 Kommentare 900 Likes

Das Digifanless wirft sehr akkurate Messwerte aus, da gibts nichts dran zu bemängeln. Das ersetzt natürlich keine professionelle Messung, aber es ist der einzig gangbare Weg die TBP einer Radeon selbst zu messen und wenn man weiß wie, geht dass auch bis auf 5 Watt genau.

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F
Furda

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663 Kommentare 370 Likes

@ Martin G
Top aktuelles Thema und Garantie für interessante Gespräche, hier aber wohl off-topic...

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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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