GPUs Graphics Practice Reviews

NVIDIA GeForce RTX 4090 and a design problem on the PCB – The 12VHPWR connector can be significantly cooler! | Pad Mod 2.0

In general, today’s review does affect all graphics cards that use external power connections, but the rather small 12VHPWR adapter and the ability to blow through a whopping 600 watts (and more) on some GeForce RTX 4090s obviously tightens things up a bit. Today, I’ll show how using just two pads can lower the connector temperatures in the 12VHPWR by up to 15 (!) Kelvin and also explain where the high temperatures primarily originate and why both the Founders Edition air cooler and all GPU waterblocks tested so far have some sort of design flaw. But you have to come up with it first…

Important preliminary remark about the project and the measurements

In order to be able to work out visible differences as well as possible, I did today’s test again with a GeForce RTX 4090 Founders Edition and a GPU waterblock (Watercool Heatkiller V Pro) at 600 watts load. Of course, I will then go into the topic of air cooling at the relevant points, but the measurements are simply more accurate with a constant temperature for the remaining components. The room and water are kept at 20 °C and I also make the radiometric videos at 30 FPS this time, which requires quite a lot of storage space since the originals have to be stored uncompressed. This still required a special SSD conversion in the lab.

Today’s tests and also my “tinkering instructions” show that it does not always have to be the user’s fault if the 12VHPWR connector heats up more clearly than expected. And no, it’s not the “evil” connector per se, but rather the board layout of the graphics card, NVIDIA’s control mania with the shunts and the insufficient or missing cooling of a very special area. Why engineering has so nonchalantly turned a blind eye here is hard to understand. I have already discussed today’s content together with some board partners and cooler manufacturers and I am also very sure that the whole thing will later find its way into current production just like my pad mod of the GeForce RTX 3080 FE back then.

The thermal map for the 600 Watt load and the critical areas on the board

NVIDIA had already given the board partners and cooler manufacturers a thermal map long before the launch of the AD102, which I would like to show you as a small excerpt. To protect my sources, I simply photographed the screen in the lab crooked, there should be gone even the last potential digital watermarks (Fast Fourier). You never know… Depending on the graphics card model and manufacturer, certain uncooled components are located in the affected area of the 12VHPWR connector. If you add up the individual items (yellow frame), then around 5 to 6 watts of waste heat are generated there in the smallest space, which are not cooled in any form!

That doesn’t sound like an extreme amount, but it is definitely relevant, especially since the multi-layer PCB (up to 12 layers) is so full of copper that even the hot tracks up to the voltage converters and its waste heat already form a certain basis for a thermal jam. These power losses are then added to this.

However, one knows that and still closes the eyes… Incomprehensible. The cooler of the NVIDIA GeForce RTX 4090 FE is unfortunately open at this point and it is simply impossible to at least thermally connect the hot coils to any cooling surface.

cooler of the RTX 4090 FE without cooling surface

Now you could think that the manufacturers of the GPU water blocks measured themselves in the run-up to the development. Wrong… But I’ll get to that in a moment.

 

Test system and setup

You already know the structure well enough. Nevertheless, for the sake of completeness, I will list the most important key points once again. As always, I rely on the central lab cooling with the chiller and another expansion tank (a total of almost 20 liters of water). Aqua Computer’s DP Ultra is used, which is filtered on a rotational basis. The water temperature is kept at a constant 20 °C, which greatly simplifies the determination of absolute temperatures and deltas. The internal GPU diode measures the chip temperature reliably from about 19 °C, but it quickly becomes inaccurate below that. Room temperature and water temperature are thus also approximately the same, which avoids dangerous condensate.

Temperatures are recorded using an engineering tool for the GPU diode and the substrate temperature of the GDDR6X (hotspot) and using a calibrated, high-resolution industrial camera for infrared measurements. Here, the PI640 from Optris with a normal focal length is used. The camera has a 640 x 480 pixel bolometer to capture thermal radiation. For the evaluation, I record a radiometric video, which I can also read out later at will.

Test System and Equipment
Benchtable:
Banchetto 101 (modified)
Cooler: Alphacool Ice Age 2000 Chiller, 20l additional reservoir
Power Consumption:
Oscilloscope-based system:
Non-contact direct current measurement on PCIe slot (riser card)
Non-contact direct current measurement at the external PCIe power supply
Direct voltage measurement at the respective connectors and at the power supply unit
2x Rohde & Schwarz HMO 3054, 500 MHz multichannel oscilloscope with memory function
4x Rohde & Schwarz HZO50, current clamp adapter (1 mA to 30 A, 100 KHz, DC)
4x Rohde & Schwarz HZ355, probe (10:1, 500 MHz)
1x Rohde & Schwarz HMC 8012, HiRes digital multimeter with memory function

MCU-based shunt measuring (own build, Powenetics software)
Up to 10 channels (max. 100 values per second)
Special riser card with shunts for the PCIe x16 Slot (PEG)

Thermal Imager:
1x Optris PI640
Pix Connect Software
Type K Class 1 thermal sensors (up to 4 channels)
OS: Windows 11 Pro (all updates)

So much for the introduction and my experiment. which I will show in detail on the next page. The GeForce RTX 4090 FE runs with a 133% power target and almost 600 watts TDP, which is currently the maximum

Symbol image of the measurements

 

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Derfnam

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Zockpalast, oder? Dschörman Engineering proudly presents...

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Deleportas

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Vielen Dank für den Beitrag!
Das werde ich die Tage beim Umbau meiner 4070Ti auf Wasser mal mit einbauen. :)

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Case39

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Danke igor für, wiedereinmal einen Padmod, den es, wenn wer bei NV mal richtig nachgeguckt hätte, nicht gebraucht hätte. Und nochmal: Werd Berater bei NV und AMD...für bessere Produkte.

p.s. Wie ist der Zustand bei den Customkarten?

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big-maec

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Wusste nicht das die FE ein Limit erst bei 600W hat, dachte immer, die hat auch ein 450W BIOS Limit. Mir reichen meine 450W von der Leistung her. Mal schauen, wie die Platine an dieser Stelle nach längerer Zeit aussieht, kann mir nicht vorstellen das da keine thermischen Langzeitschäden auftreten.

EDIT: Der eine Shunt RS11 ist aber nicht ganz in der Markierung, oder?
Wenn ich das mit meiner Gainward 4090 Phantom vergleiche, ist es ja ähnlich.

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Igor Wallossek

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Das ist eine 450-Watt-Referenzplatine. Die hat nur zwei Shunts. Aber das passt schon so

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echolot

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Die heutige Schnelllebigkeit. Heute gekauft, morgen dann neu. Highend ist ungleich ausgereift. Betrifft vor allem die Entwickler. Hauptsache teuer.

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ro///M3o

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342 Kommentare 239 Likes

Das sind aber riesen große, richtig fette Erbsen… In einem geschlossenen Gehäuse mit zuheizender CPU müssten die Temps wirklich auf Kante liegen. Im Hochsommer kommts dann bestimmt zur Überstrapazierung. Will garnicht wissen wieviele Stecker „inoffiziell“ bereits geschmolzen sind.
Kann mir auch nicht vorstellen, das das „nicht gewollt“ sein kann. Die (älteren) Karten halten einfach zu lange und man will (noch viel mehr) Geld verdienen…

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Saschman73

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465 Kommentare 274 Likes

Na da werden heute die Shops die 3mm Soft-Pads anbieten ganz aufgeregt ihre Lagerstände überprüfen! :sneaky:

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H
Headyman

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116 Kommentare 53 Likes

Die Temperaturen sind zwar hoch aber es scheint ja doch irgendwie gerade noch gutzugehen. Da wird halt hinter jeden Entwickler ein Controller gesetzt und dann jeder Cent eingespart wo nur geht. Da kann man oft den Entwicklern keinen Strick drehen, die müssen dann ans Limit gehen.
Stecker umpositionieren: müsste man evtl die Platine vergrößern, ist ja fast überall irgendwas was heizt. Größere Platine geht gar nicht, zu teuer.
Und Pads draufkleben, na die kosten doch auch, also nö.
Und die nächsten GPUs wollen doch auch verkauft werden, wo kommen wir denn da hin, wenn die derzeitigen GPUs nach 2 Jahren immer noch keine Hitzeschäden haben. Da käme ja noch einer auf die Idee, die mageren Performancegewinne der nächsten Gen durch nichtkaufen auszusitzen.

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Gregor Kacknoob

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524 Kommentare 442 Likes

Mir war so, als ob mit der Kühlerdemontage/-wechsel bei nVidia die Garantie flöten ginge. Spontan nichts aktuelles gefunden. Natürlich kann bei der Demontage auch etwas schiefgehen. Murphy’s law.
Das Senken des Powertargets dürfte mit einem geringeren Risiko einhergehen und dabei wird sogar die gesamte Karte kühler

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Steckermobbing (TM) :D

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D
Deridex

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2,213 Kommentare 846 Likes

<Sarkasmus>
Wer hätte den gedacht, dass Schaltregler nicht nur aus einem MosFET bestehen.
</Sarkasmus>

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P
Phelan

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190 Kommentare 172 Likes

Wenn man für die Autoindustrie was konstruiert ist es nicht unüblich das neben einer Mindesthaltbarkeit auch auch eine maximale Haltbarkeit im Lastenheft steht. Also z.b. mindestens 10 Jahre, maximal 15 Jahre.
Auf die Frage warum maximal ? War die Antwort , weil sie sonst offensichtlich zuviel Material einsetzen und ihre Lösung teurer ist als nötig.

Als Techniker argumentiert man ja so: die 20 cent zu sparen , sorgt dafür das es nur noch die Hälte der Nutzungsdauer hat! Das ist dann so eine Sollbruchstelle, die 100% kaput gehen wird... also scheiß auf die 20 cent... Das gibt böse Blicke....

Deswegen ist es wirklich nett , wenn sich Leute gedanken machen , wie man es nachher wenigstens selber fixen kann um lange freude an seiner Technik zu haben.

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Igor Wallossek

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10,184 Kommentare 18,777 Likes

Keine Siegel, das Abnehmen der Backplate auf der FE ist sowas von easy... Haltemagnete, mehr nicht. Allerdings ist es dann wirklich der Anpressdruck, der zu gering ausfällt, wenn die Pads zu hart und dünn sind. Also ultra-soft, dick und schön fest andrücken.

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Pascal TM-Custom

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1,122 Kommentare 1,361 Likes

Mich würde mal Interessieren was passiert wenn man diesen blöden Stecker ablötet und rechts 2x8 Pin auflötet.

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A
Arcbound

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138 Kommentare 105 Likes
Igor Wallossek

1

10,184 Kommentare 18,777 Likes

Nichts. Dann musst Du noch einen der Sense-Pins manuell grounden. Sonst geht die Karte nicht an.

Die zwei 8-Pin sind aber keine zwei 6+2-Stecker, sondern EPS x8. Also 4x 12V + 4x Masse

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big-maec

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827 Kommentare 475 Likes

Soweit war ich auch schon mit meinen Gedanken. Wenn, es den Core Block endlich gibt und ich die Karte auf Wasser umbaue, werde ich mir das alles noch mal anschauen. Dachte eher daran, an den 12VPHWR nur die Sense-Leitungen anschließen und an den noch nicht vorhandenen Steckern die Karte mit Strom zu versorgen. Das hängt aber davon ab, ob die parallel zum 12VPHWR angebunden sind.

Also wie der Stecker oben.

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grimm

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3,082 Kommentare 2,035 Likes

Ich sehe das aber doch richtig, dass es um Karten geht, bei denen man 500-600 Watt durchjagt? Und dass zum Beispiel die 4080 aufgrund der geringeren Leistungsaufnahme garnicht betroffen wäre (weil oben jemand eine 4070 TI umbauen wollte)?
Otto, also ich, würde so eine Karte ja @stock betreiben, vielleicht sogar ein Framelimit setzen. Dann zieht das Teil so um die 300-350 Watt. Das sollte doch kein Problem sein.
Bei all der explodierenden Visualistik wünsche ich mir eine sachliche Aussage, für wen das Design überhaupt zum Problem werden könnte. Denn wie du @Igor Wallossek im Fazit zutreffend sagst: "Generell kann man sagen, dass bei Verlustleistungen bis 450 Watt keine thermische Gefährdung des 12VHPWR-Anschlusses durch die Platine auftreten dürfte."

Aktuell hab ich nur das Gefühl, dass sämtliche 40XXer Besitzer verunsichert sind.

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Case39

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2,500 Kommentare 928 Likes

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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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