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Entfesseltes Einhorn auf Höhenflug – Shunt-Mod für die NVIDIA GeForce RTX 3090 FE samt Alphacool Eisblock GPX-N

Wie bereits letzte Woche angedroht, bleibt der Alphacool Eisblock GPX-N nicht die einzige Modifikation an meiner RTX 3090 Founders Edition. Heute geht es an die Shunt-Widerstände, also die, mit denen die GPU misst, wie viel Strom sie gerade verbraucht und sich ggf. herunter taktet, falls NVIDIAs Limits von 350 bzw. 400 W erreicht werden. Dabei sehen wir uns auch nochmal die Montage des Wasserblocks an, denn obwohl die 19 °C Delta zwischen Wasser und GPU nicht schlecht waren, könnte es zugegebenermaßen besser sein.

Disclaimer

Im folgenden wird darauf eingegangen, wie die SMD-Komponenten der RTX 3090 Founders Edition Grafikkarte physisch so modifiziert werden können, dass interne Messvorrichtungen der GPU zur Bestimmung der Stromstärke und Leistungsaufnahme ausgehebelt werden. Entsprechend erlischt hierbei durch die physische Modifikation der PCB die Garantie. Zudem bin ich kein ausgebildeter Feinelektroniker und alle beschrieben Vorgehensweisen sind selbst erlernt. Daher sollte dieser Artikel keinesfalls als Anleitung oder Empfehlung verstanden werden, maximal als Experiment oder Inspiration.

Shunt-Modding in der Theorie

Ich will euch mit Elektrotechnik nicht langweilen, die einen wissen es wahrscheinlich schon und die anderen hat es in der Schule nie interessiert, aber dennoch darf ein kurzer Abriss zur Theorie nicht fehlen, um zu verstehen was im Hintergrund eigentlich geschieht und wieso der Mod funktionieren kann.

Shunt oder auch im deutschen Nebenwiderstand ist wie der Name schon sagt ein Widerstand, der in Reihe zum eigentlichen Verbraucher und parallel zur Spannungsmessung in einer Schaltung verbaut wird. Dieser Widerstand hat einen festen Wert, wie in diesem Fall 5 mOhm und dient der GPU als Referenz zur Berechnung der Stromstärke und Leistung. Was die GPU ebenfalls weiß, ist die Spannung, die vor dem Widerstand anliegt, z.B. 12 V an den PCI-Express Anschlüssen bzw. in diesem Fall dem NVIDIA 12-pin Microfit-Connector. Diese wird vor dem Shunt-Widerstand einfach gemessen.

Der Widerstand bewirkt nun, dass die anliegende Spannung abfällt, und zwar linear mit der fließenden Stromstärke in der Schaltung. Verbraucht also der eigentliche Verbraucher mehr Strom, fällt auch die Spannung am Shunt stärker ab.Hinter dem Shunt wird nun die Spannung wieder gemessen und aus dem vorher-nachher ergibt sich ein Delta, der Spannungsfall. Da dieser wie gesagt linear und proportional zur Stromstärke des parallelen Verbrauchers ist, lässt sich nun direkt auf dessen Leistungsaufnahme schließen.

Ein Beispiel: Es liegen exakt 12,0 V vor dem Shunt an, dieser hat einen Widerstand von 5 mOhm und die gemessene Spannung nach dem Shunt ist 11,8 V. Daraus ergibt sich ein Spannungsfall von 0,2 V und damit zusammen mit dem 5 mOhm gemäß Ohmschem Gesetz eine Stromstärke von 40 A (I = V / R), Multipliziert man dies nun mit der anliegenden Spannung von 12,0 V, erhält man die Leistungsaufnahme von 480 W (P = I * V). Das war wie gesagt nur ein Beispiel, aber es macht die wenigen Formeln und Naturgesetze sichtbar, die dem ganzen zugrunde liegen.

Und genau hier können wir jetzt ansetzen, denn den Widerstand des Shunts misst die GPU nicht, sondern den weiß sie nur, wurde ihr quasi von NVIDIA so ins Gedächtnis eingebrannt. Wenn wir es jetzt irgendwie schaffen den Widerstand zu verringern, sinkt auch der Spannungsfall, aber als Berechnungsgrundlagen werden noch immer die 5 mOhm verwendet und somit denkt die GPU, sie verbrauche weniger Strom und damit Leistung als in der Realität.

Noch ein Beispiel: Wir verwenden die Daten aus dem obigen Beispiel und wissen, dass 40 A Stromstärke tatsächlich fließen. Wenn wir nun den Shunt-Widerstand auf 2,5 mOhm reduzieren und die Formel von oben umstellen, ergibt sich daraus ein Spannungsfall von nur noch 0,1 V, also gemessenen 11,9 V nach dem Shunt (V = I * R). Das ist die Realität, aber die GPU denkt noch immer, der Widerstand wäre 5 mOhm und mit den tatsächlichen 0,1 V Spannungsfall errechnet sie sich eine Stromstärke von 20 A und damit eine Leistungsaufnahme von 240 W.

Also ihr seht schon, halbiert man den Shunt-Widerstand, darf sich die Schaltung die doppelte Stromstärke und damit Leistung genehmigen. Zugegebenermaßen für Laien ist das etwas befremdlicher Gehirnsport, aber wenn man diese beiden Formeln einmal verstanden und ungefähr im Kopf hat, kann man sich bereits vieles in der Elektrotechnik erschließen. Und im Internet gibt’s dazu natürlich genügend Kalkulatoren und Ressourcen, wo man jederzeit nachschlagen kann, z.B. dieser hier von Digi-Key

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Blubbie

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Respekt vor dem Mut an einem Stück Hardware für aktuell ca. 2800 euro rumzubasteln :cool:

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Doubleyou

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Ein Shunt wird in Reihe zum Verbraucher eingesetzt, wenn man parallel zum Verbraucher den Shunt einsetzen würde hätte man einen satten Kurzschluss.
Richtig ist das der Shunt parallel zur Spannungsmessung eingesetzt wird.
Über den Spannungsabfall am Widerstand wird dann der fließende Strom berechnet.
Häufig werden Shunts eingesetzt bei denen die abfallende Spannung in Millivolt dem fließenden Strom entspricht, dann kann man sich das Umrechnen sparen.
Schöner und mutiger Artikel, ist ja nicht ganz billig die Karte :)

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S
Seb

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47 Kommentare 18 Likes

Toller Bericht, hat Spaß gemacht zu lesen!

Eine Frage wegen des krummen Chips - die Wärmeleitpaste sieht doch in Richtung PCIe-Slot wesentlich dünner aus (die GPU scheint dort viel mehr durch) und nach oben hin dicker. Das spricht doch dafür dass der Kühler unten eher mehr Kontakt zum Chip hatte und oben die Wärmeleitpaste mehr Abstand überbrücken muss. In deinem Text habe ich es genau anders herum verstanden. Kannst du das für mich nochmal klarstellen?

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skullbringer

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243 Kommentare 225 Likes

Danke für das Feedback, gefixt. :D

Mittig hat die GPU am meisten Kontakt, dort wo die Textur im Abdruck am feinsten ist. Wenn man genau hinsieht, erkennt man sogar die Gravur im Chip in der Wärmeleitpaste, dort war der Druck also am höchsten und der Kontakt zum Block am flachsten. Nach außen hin wird die Textur grober und damit der Kontakt schwächer.

Wenn man das Druckbild auf dem Block sieht, erkennt man es vielleicht besser. Dort hat sich sogar die Gravur vom Chip im Block durch den Druck leicht verewigt ;)

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SKYNET

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585 Kommentare 89 Likes

silberleitlack ist einfacher.... und die garantie bleibt :sneaky:

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b
butch111

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26 Kommentare 10 Likes

Von wegen Schwachsinn....Hab bei Cyberpunk auf 3840x1080 RTX DLSS OC Watercooled grade ma brauchbare 55-60FPS.....das Spiel verliert extrem wenn man Grafik runterregelt. Möchte nicht wissen wies auf DLSS-lose Highendgrafikkarten so rumruckelt.

Würde aber tatsächlich nicht ohne Anleitung von explizit meiner Referenzkarte daran rumlöten.

Gibts n Grund warum Du nicht der Einfachheit Ohm Widerstände genommen hast?

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M
Michael20

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6 Kommentare 0 Likes

Interessant wäre wie sich die FrameTimes verhalten.

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Hans Yolo

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112 Kommentare 23 Likes

Vielen Dank für den Bericht.
3 Bildschirme hier, Karte taktet selten bis nie runter. Manchmal klappt es seltsamerweise mit 210Mhz, ansonsten bleibt sie bei 1860 Mhz und 120W verbrauch... ich lös das mit dem Afterburner im idle indem ich power target auf 30% stelle...

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Alkbert

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627 Kommentare 358 Likes

@skullbringer
"[...] Der Grund für diesen Fehler ist anscheinend ein Bug im Grafiktreiber bei Topologien mit mehr als einem angeschlossenen Monitor, wobei die Grafikkarte niemals aus dem 3D-Modus in den 2D-Modus wechselt und deswegen nie den wirklichen Idle-Betrieb erreicht. [...]"

Das hat mich jetzt doch interessiert.
Das ist meine Bildschirmsituation mit 2x 4k an 60 Hz (identische Samsung 28 " Schirme) im "Clone" Modus

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mit HWI habe ich mal bei den Sensoren den aktuellen Status abgerufen:

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Ist eine Asus TUF OC 3090 "out of the box" aus 11/2020 ohne Mods, Firmwareupdates oder irgendwas mit der Treiberversion

View image at the forums

Tja, weiß ich jetzt auch nicht ??

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G
Guest

Interessanter Artikel @skullbringer

Auch wenn ich eigentlich denke, dass es doch in die andere Richtung, also weniger Stromverbrauch gehen sollte. Da braucht man ja bald ein extra Netzteil nur für die Graka. Wenn man auch sagen muss, dass es schon zu hart ist, was man da alles raus kitzeln kann. Aber wird das jetzt so gelassen oder wird es wieder "zurück gebaut"?

Aber ein bisschen kaltblütig muss man da ja schon sein :eek:
Selbst bei einer hohen Verfügbarkeit und nur der Hälfte des momentan aufgerufenen Preises wäre das schon etwas, was mir den Schweiß auf die Stirn treiben würde.
Aber jetzt gerade? Hut ab!

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skullbringer

Veteran

243 Kommentare 225 Likes

Ahh cool, das ist interessant, dass es bei dir korrekt zu funktionieren scheint. Die Beiträge, die ich so finden konnte, hatten die Monitore immer im "Extended" Modus und mindestens einer hatte eine Auflösung > 1080p.

Die vorherrschende Theorie ist, dass das Problem entsteht wenn die virtuelle Auflösung, die die Grafikkarte auf dem Desktop darstellen muss, einen gewissen Schwellwert in der Größe überschreitet. Es gibt auch Berichte, dass die Bildwiederholrate der Monitore ebenfalls Einfluss auf das Problem haben kann.

Meine Topologie ist z.B. ein 1440p 144Hz Monitor und ein 2160p 60 Hz Monitor, im "Extended" Modus, also nebeneinander.

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m
majoplinka

Mitglied

14 Kommentare 1 Likes

Grafikkarte niemals aus dem 3D-Modus in den 2D-Modus wechselt.

Das hat Nvidia schon seit Jahren nicht im Griff.
Sobald 2 Monitore angeschlossen sind, besonders ausfällig, wenn es 2 Unterschiedliche sind.

Ist es vorbei mit 2D Modus.

Ich habe meine 970 mit dem „nvidia inspector multi display power saver“ in den 2D Modus gebracht.
Spart auf dauer ne menge Geld

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S
SnailSoft

Neuling

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Aaahhh..., wenn schon eine Grundlagenerklärung dann bitte richtig, ich lese hier eigentlich immer nur gerne und still mit, aber das war einfach zu schlimm, da muss ich mich einfach melden.
Wie schon von jemand anderem bemerkt:
was aber auch nicht ganz richtig ist, der Shunt wird nicht parallel zur Spannungsmessung eingesetzt, da ist überhaupt nichts parallel!
Die Spannung wird nur parallel über den Shunt gemessen, da Spannungsmessungen immer parallel zu messen sind.
Z.B. beim Multimeter, eine Prüfspitze vor dem Messobjekt (Widerstand), eine dahinter, damit liegt der Stromkreis durch das Multimeter parallel zum Widerstand, das Multimeter ist aber so hochohmig, dass da kaum Strom durch fließt, sonst würde man ja eine komplett andere Schaltung messen, da man durch die Messung die ursprüngliche Schaltung signifikant verändert hätte, da jetzt einiges an Strom durch das Multimeter fließen würde und nicht alles wie vorher durch das Bauteil...

Wie angemerkt:
ist es nicht ganz, nur beim ersten mal, es steht noch ein zweites mal als "parallel" im Text:

"Verbraucht also der eigentliche Verbraucher, zu dem der Shunt parallel geschalten ist, mehr Strom,...."

Ich verstehe aber woher die Verwirrung kommt, hier ist der Wikipedia Artikel, woher auch das Schaltbild stammt, das bitte Löschen, das verwirrt nur und hat mit unserem Fall hier nichts zu tun, denn ich erklär das mal hier kurz:

Wikipedia beginnt so:
"Als Shunt (Aussprache: ʃʌnt), auch als Nebenwiderstand oder Nebenschlusswiderstand bezeichnet, wird ursprünglich ein elektrisch leitendes Bauelement bezeichnet, das zu einem Teil eines Stromkreises parallelgeschaltet ist, um einen elektrischen Strom von diesem Teil abzuleiten."
Da steht parallel, jawohl parallel, wie kann ich dann eben behaupten da ist überhaupt nichts parallel (außer der Spannungsmesser, der zu vernachlässigen ist), und daher kommt auch die Verwirrung, nur sollte man den Artikel komplett und aufmerksam lesen, dann löst sich der Widerspruch. (Ist aber zugegebenermaßen etwas unglücklich dort geschrieben...)

Wir haben einmal die Herleitung des Begriffes "Shunt" und eine mögliche Verwendung und im 2ten Teil, dieser Fall liegt hier bei uns vor, eine andere Verwendung, die aber Artverwandt ist, und man daher einfach den selben Begriff verwendet, die Schaltung aber anders aussieht!
"Der Begriff Shunt hat sich weiterentwickelt und bezeichnet auch einen Strommesswiderstand...", also unser Fall hier!

Zum ersten Fall, der parallel Fall im Messgerät, z.B. im Multimeter.
Man will sehr genau messen und die Schaltung durch die Messung so weit wie möglich nicht beeinflussen.
Oben habe ich kurz die Spannungsmessung angerissen, da habe ich einen möglichst hohen Widerstand über dem ich die Spannung messe, da ich bloß nicht zu viel Strom parallel abzweigen will.
Bei der Strommessung muss das Multimeter aber in Reihe geschaltet werden, der ganze Strom muss da durch, und damit ich die Schaltung nicht zu stark beeinflusse muss der Messwiderstand des Mutimeters, durch das der Strom fließt, möglichst klein sein, sehr klein, damit kein unnötig hoher Spannungsabfall über den Messwiderstand im Multimeter abfällt und ich mir so die Messung versaue, daher ist auch unser Widerstand hier im Shuntmod sehr klein, aber dazu später mehr....

Schauen wir uns die Schaltung an, da steht in der Wikipedia: "Messbereichserweiterung eines Drehspul-Strommessgeräts", (daher auch löschen, hat mit unserem Thema hier nur ganz entfernt was zu tun, aber dafür umso mehr hier in meinem Text!)
Ein Drehspulmessgerät funktioniert ganz kurz gesagt so: Da fließt ein Strom durch eine in einem Magnetfeld (durch Permanentmagnet) drehbar gelagerte Spule, fließt ein Strom, dann will sich die Spule, wo der Zeiger dran ist, durch ihr eigenes stromabhängiges Magnetfeld im äußeren Magnetfeld des Permanentmagneten ausrichten, nur gibt es da eine Feder die den Zeiger immer nach Null drückt, es stellt dich ein Kräftegleichgewicht ein, Feder zieht nach Null, Strom drückt Zeiger davon weg, und an der Skala kann man den Strom ablesen.

Es wird also ein Strom benötigt um den Zeiger zu bewegen!
Jetzt muss man nurnoch die Skala beschriftet und die Zugstärke der Feder ausgewählt werden und man ist glücklich oder?
Nehmen wir an unsere Skala geht von 0 bis 10, und zeigt im Normalfall Milliampere an, also 0mA bis 10 mA.
Und schon kommt jemand daher und schreit, das ist doch viel zu wenig! Ich will aber bis 100mA Messen oder sogar bis 10A!
Also muss ein anders dimensioniertes Messgerät her, eins für 0-100mA und noch eins von 0A bis 10A, und warum?
Der Schlaue nimmt doch das wo er alles mit messen kann, also das bis 10A und kann alles messen was sie anderen mit ihrem 100mA oder gar 10mA Dingern auch können, sind die schön blöd...
Naja, das wirklich blöde bei diesen alten Drehspulteilen ist, dass man nur einen Winkel für die Skala nutzen kann, nehmen wir einfach mal an 45 Grad Winkel, mein Messgerät ist recht groß, also ca 10cm für die Skala auf diesem 45° Bogen.
Und wenn ich auf diesen 10cm meinen Messbereich von 0 bis 10A verteile wird es ziemlich lustig und ungenau etwas im 100mA Bereich abzulesen, 1A sind ja 1cm und 100mA entsprechen dann 1mm, darüber können die anderen mit ihren feinen Messgeräten nur lachen, da die das noch ganz komfortabel ablesen können, also der mit dem 0-1A Messgerät, der mit dem Feineren guckt genauso in die Röhre da seine Skala stark überschritten wird, bzw. der hohe Strom sogar sein Messgerät zerstören könnte.
Man muss sich also zusammentun und hat für jeden Messbereich ein eigenes Messgerät.
Eines für kleine Ströme, eines für Mittlere und eines für Hohe, mit dem Nachteil, dass man bei den Hohen sowieso eine schlechte Auflösung hat, also z.B. bei 5A kann man nur noch schätzen wie genau das ist also ob es wirklich noch ein paar mA mehr oder weniger sind kann man nicht ablesen, aber das interessiert bei so hohen Strömen dann eh meist nicht, also damit kann man und muss man leben.

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S
SnailSoft

Neuling

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(Doppelpost wegen Zeichenlimit ;) )

Womit man aber nicht leben muss ist massig Messgeräte für jeden Messbereich mit sich rum zu schleppen, das kann man auch alles in eines Integrieren.
Wer jetzt noch nicht am schlafen ist und bis hierher gelesen hat der erlebt den fulminanten Auftritt des "Shunts".
Man nehme das Messgerät mit dem kleinsten Messbereich, jetzt füge man einen Schalter hinzu, der einen Widerstand parallel zu unserem alten Messgerät mit Messwiderstand (die Spule und das ganze Gedöns...) wahlweise hinzu oder aber auch abschalten kann.
Im nicht hinzugeschalteten Zustand fließt der ganze Strom durch unseren ursprünglichen Messapparat, wenn ich einen geschickt gewählten Widerstand parallel hinzuschalte, wird der Strom der jetzt möglicherweise zu groß für meinen alten Messapparat war aufgeteilt, bzw. ein Teil vorbei geleitet, über den Shunt parallel an meiner eigentlichen Messstelle vorbei.
Geschickt gewählt heißt, der Widerstand sollte so gewählt sein, dass ich einfach auf meinen Schalter mal 10 (x10) schreiben kann und alle Werte auf der Anzeige dann mit 10 multipliziert werden müssen, das weiß ich aber, da ich ja Anzeige und Schalterzustand gleichzeitig sehe, wenn ich auf das Gerät schaue, mir ist also bewusst, dass ich das eigentliche Messgerät bescheiße, wie bei der Grafikkarte und kann daher die richtigen Werte ablesen, obwohl nur ein kleiner Teil gemessen wird...

Man hat also eine manuelle Messbereichswahl, die man zu oder abschalten kann!
Und das kann man jetzt so lange mit neuen Schaltern und Widerständen machen, bis man alle nötigen Bereiche abgedeckt hat.

(Wie das jetzt bei einem modernen manuellen Multimeter (die mit dem Drehrad wo lauter Messbereiche drauf stehen) aussieht habe ich jetzt keine lust mehr zu erklären, aber da schaltet man auch Shunts zu und ab je nach Messbereich, wie das bei den neuen Autorange-Dingern geht, die ich gerne verwende, keine Ahnung, darüber habe ich mich noch nicht schlau gemacht...)

Also Shunts werden zum Messen benötigt und bilden mit dem alten Widerstand wo sie parallel geschaltet werden einen neuen (Mess)Widerstand, sind aber nicht der Widerstand über dem wirklich gemessen wird, also bei den alten Drehspulteilen wo der Strom benötigt wird, bei den neuen Multimetern (die ich gerade unterschlagen habe) wo die Spannung gemessen wird und darüber auf den Strom geschlossen wird aber schon, aaahhhh... kompliziert das ganze, oder auch nicht egal...)

Und was ist unser Shunt auf der Grafikarte jetzt nun?
Gar kein echter Shunt, da er ja nicht parallel zu einem anderen Messwiderstand liegt.
Er ist der Messwiderstand selber!
Aber da man bei den Messgeräten und so immer mit Shunts und so zu tun hat und man vor lauter Shunts garnicht mehr klar kam, hat man einfach jeden Messwiderstand irgendwann mal Shunt genannt, da die Anforderungen die gleichen sind.
Hat was mit Messen zu tun und muss sehr genau sein, also in einem engen Toleranzbereich auch den gewünschten Wert wie geplant haben, da man von diesem Wert, den man meint zu wissen, auf den Messwert schließt.

Durch diesen Messwiderstand muss der gesamte Strom, nichts von parallel, (den hat man schon so gewählt, dass der Messbereich stimmt),
die Spannung wird gemessen und über das ohmsche Gesetzt mit Hilfe des bekannten Widerstandes dann der Strom bestimmt.
Und wenn man dann einfach einen anderen Widerstand nimmt, hat man den Messapparat verarscht, was beim Multimeter ja sogar sehr gewollt ist, bzw. es durch die Einstellung am Drehrad auch selber mitbekommt und die Anzeige ggf. anpasst.

Da aber bei der Grafikkarte hier der alte Widerstand drin bleibt und ein weiterer Parallel dazu kommt, könnte man den neuen als Shunt bezeichnen oder ist der alte der Shunt zum neuen? Also keiner oder beide oder nur einer von beiden ist der Shunt, alles eine frage der Betrachtungsweise.
Aber zusammen in der neuen Parallelschaltung sind sie der neue Messwiderstand, und da man einfach jeden Messwiderstand als Shunt bezeichnen kann löst dich dadurch das Problem, wenn auch auf sehr "interessante" Weise ;)

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SKYNET

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585 Kommentare 89 Likes

RT auf CP sieht extremst kacke aus, eins der games wo weniger mehr wäre.

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About the author

Xaver Amberger (skullbringer)

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