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Grafikkarte gegen Netzteil – Grundlagen, Fehlerursachen und richtige Netzteilbemessung

Das Thema ist fast so alt wie Braunkohle und ich habe in den letzten Jahren nicht nur einen Artikel dazu verfasst. Allerdings häuft sich immer wieder das Feedback derer, die Hilfe suchen und gern alles noch einmal übersichtlich zusammengefasst und aktualisiert sehen möchten. Dem werde ich mich natürlich nicht verschließen und die gesamte Thematik neu gliedern und auch allgemeinverständlicher überarbeiten. Etwas Theorie kann ich jedoch nicht vermeiden, auch wenn ich versuche, dies alles auf ein erträgliches Minimum zu reduzieren.

Natürlich werden hier und da auch einige Details verloren gehen, aber oft verwirrt vieles nur, von dem man selbst glaubt, dass es unabdingbar sei. Doch basierend auf all den Fragen, die mich per Mail und Messenger immer wieder von Lesern und YouTube-Konsumenten erreichen, habe ich nach einem gangbaren Kompromiss aus Tiefe und Verständlichkeit gesucht und hoffe, das einigermaßen gut getroffen zu haben.

Lastwechsel-Weltmeister: Kepler-Chips von Nvidia

Denn man kennt und hasst ihn, den geliebten Moment, wo ein Netzteil mitten im Spiel plötzlich abschaltet, obwohl es neu ist und auch sonst keine Auffälligkeiten zeigt. Der Ärger der Anwender wird dann noch umso größer, wenn man glaubt, die Netzteilgröße auch richtig berechnet zu haben. Doch reicht das, was die Hersteller von Grafikkarten oder Netzteilen als Leistungswert angeben? Bei Netzteilen kann man sich da schon relativ sicher sein, aber was ist eigentlich mit den Grafikkarten?

Schaltet deutlich verhaltener als Kepler und Pascal: Nvidias aktuelle Turing-Karten

Und man amüsiert sich im Gegenzug auch immer über die Netzteilrechner der Grafikkartenanbieter, die oft genug viel höhere Werte als das ausspucken, was man in den normalen Messungen so findet. Wer meine Grafikkarten-Tests kennt, der weiß allerdings auch, dass ich immer auch die sogenannten Spikes (<20 ms) mit angebe, diese deutlich höheren Werte aber auch gern relativiere. Denn moderne Netzteile sollten solche sehr kurzen Lastspitzen eigentlich locker wegstecken können. Sollten.  Doch können sie das wirklich?

AMDs Navi-Karten- wie die Sapphire RX 5700 XT Nitro Plus- erzeugen ebenfalls dicke, fette Spikes

Und vor allem berührt uns ja eine Frage: wie lange ? Und was bitte unterscheidet jetzt ein Spiel von einer Dauerlast wie z.B. Berechnungen oder ein Stresstest? Genau dieser Frage gehe ich jetzt nach, da sich scheinbar und leider sonst niemand wirklich im Detail darum kümmert. Und was ist eigentlich mit den in den Netzteilen verbauten Schutzschaltungen?

Die Telemetrie aktueller Grafikkarten

Nvidias Boost und AMDs Power Tune sind hochkomplexe Gebilde, die es ermöglichen sollen, die maximale Grafikperformance bei möglichst minimaler Leistungsaufnahme und der entstehenden Nebenwirkungen wie z.B. die Abwärme zu erreichen. Auch wenn es bei den Details und der technischen Umsetzung zum Teil doch erhebliche Unterschiede gibt, sind sich beide Mechanismen doch im schematischen Aufbau doch recht ähnlich. Denn die Grafikkarten sind leider nicht mehr die geduldigen “Verbraucher”, die sie vor wenigen Jahren noch waren.

Das Hauptanliegen besteht bei beiden Anbietern darin, die Kernspannung der GPU in Echtzeit möglichst so anzupassen, dass nur so viel Leistung zugeführt wird, wie man für die aktuelle Auslastung der GPU und das Erreichen der optimalen Taktrate auch wirklich benötigt. Nennen wir einfach einmal Spannungskurve. Bei Nvidias Boost haben wir die einzelnen Boost-Steps  samt Vorgabespannung hinterlegt, wobei der Takt der untersten Boost-Stufe durch einen sogenannten Offset verschoben bzw. festgelegt wird und sich der Rest dann aus den Berechnungen des Arbitrators ergibt. Bei AMD legt man die Taktraten und Spannungen für einige vorgegebene DPM-States fest, was deutlich ungenauer ist, aber am Ende so ähnlich funktioniert.

Die Firmware schätzt in sehr kurzen Intervallen ständig den Energieverbrauch (quasi in Echtzeit), fragt gleichzeitig die ganzen Sensoren sowie die GPU-Vorhersage ab und bezieht die Telemetrie-Daten des Spannungsreglers mit ein. Diese Werte werden an den vorprogrammierten DPM (digitales Power-Management) Arbitrator (Mittler) gesendet. Dieser Regelkomplex kennt auch die Power-, thermischen und Stromstärken-Limits der GPU (BIOS, Treiber), die er aus den jeweiligen Registern auslesen kann. Innerhalb dieser Grenzen kontrolliert er nun also alle Spannungen, Taktfrequenzen sowie die Lüftergeschwindigkeiten und versucht dabei stets, die maximale Performance aus der Karte herauszuholen. Wenn auch nur eine der Eingangsgrößen überschritten wird, kann der Mittler Spannung oder Takt zurücknehmen.

Dreh- und Angelpunkt: die Spannungswandler und deren Steuerung

Jetzt will ich mich natürlich nicht genüsslich in technischen Details festfressen, die die meisten wohl eh langweilen würden, aber ein wenig abtauchen müssen wir zum besseren Verständnis dann wohl doch. Aber keine Angst, es bleibt verständlich genug. Kommen wir deshalb jetzt direkt zu den so wichtigen Spannungswandlern (Schema oben, rechts)! Egal, wie viele Phasen erst einmal angesteuert und vielleicht auch intelligent ausbalanciert werden müssen, einen Wert braucht so ein PWM-Controller als Rückmeldung von jedem einzelnen Regelkreis (jeder Phase): den aktuellen Stromfluss (current).

Ein Schlagwort hatte ich mit Balancing schon angeteasert, das zweite kommt jetzt: DCR (Direct Current Resistance). Am Ende weist jedes Bauelement diesbezüglich ja ganz bestimmte Charakteristika auf. Um es aber einmal abzukürzen. DCR ist die Basis, um Temperaturen und Ströme zu kalkulieren. Doch wie erfährt der Controller nun genau, welche Ströme in welchem Regelkreis fließen? Das Monitoring kann unterschiedlich sein, denn es gibt – wen wundert es – verschiedene Methoden dafür. Da liest man auch oft etwas von den sogenannten Smart Power Stages (SPS) und der sogenannten MOSFET DCR.

Das Bild unten zeigt das typische Layout mit den intelligenten SPS, die für jeden einzelnen Regelkreis mit IMON den Wert für die Stromstärke (current) liefern, den man für das perfekte Balancing, also das Gleichgewicht zwischen den Phasen, so dringend braucht. Wie die SPS diesen Wert ermitteln? Es werden die Drain-Ströme der MOSFETS in Echtzeit gemessen und diese Werte sind zudem auch extrem genau (im Beispiel oben 5 μA/A Signal).

Diese sehr kostenintensive Lösung ersetzt die deutlich günstigere Inductor DCR, also eine Strommessung über den induktiven Widerstand der jeweiligen Filterspulen im Ausgangsbereich. So eine Lösung verwendet Nvidia zum Beispiel für preiswerte Karten (Symbolbild unten), wo es etwas gemächlicher beim Stromfluss zugeht. Die Genauigkeit dieser Lösung ist allerdings deutlich geringer und wird zusätzlich noch durch Schwankungen der Bauelemente-Güte sehr stark beeinflusst.

Für die Interessierten gibt es vorab noch einmal das Messequipment, das mich täglich beim Messen begleitet:

Testsystem und Aufbau

Eleganter Übergang und auch ein Ausblick auf das Testsystem, das noch auf den Sockel 1151 samt Z390 setzt. So gesehen bleibt also alles beim Alten.

Symbolic Picture from igorsLAB: GPU, Motherboard and CPU Testing

Der Ausbau mit 32 GB ist neu und passt zum Gesamtsystem. Dieses habe ich tabellarisch noch einmal im Detail aufgelistet:

Test System and Equipment
Hardware:

Intel Core i9-9900 K
MSI MEG Z390 Godlike

4x 8GB G.Skill FlareX DDR4 3200
1x 2 TByte Aorus (NVMe System SSD, PCIe Gen. 4)
1x Seagate FastSSD Portable USB-C
Seasonic Prime 1200 Watt Titanium PSU

Cooling:
Alphacool Eisblock XPX (1151)
Alphacool Eiswolf (modified)
Thermal Grizzly Kryonaut
Case:
Lian Li T70, Raijintek Paean
Open Benchtable
Monitor: BenQ PD3220U
Power Consumption:

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, digital multimeter with memory function

Thermal Imager:
1x Optris PI640 + 2x Xi400 Thermal Imagers
Pix Connect Software
Type K Class 1 thermal sensors (up to 4 channels)
Acoustics:
NTI Audio M2211 (with calibration file)
Steinberg UR12 (with phantom power for the microphones)
Creative X7, Smaart v.7
Own anechoic chamber, 3.5 x 1.8 x 2.2 m (LxTxH)
Axial measurements, perpendicular to the centre of the sound source(s), measuring distance 50 cm
Noise emission in dBA (slow) as RTA measurement
Frequency spectrum as graphic
OS: Windows 10 Pro (1909, all Updates)

 

Kommentar

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Thy

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Seite 2: "Wenn dann würde ich mich am hier vorgestellten “Normal-Peak” orientieren, maximal noch am maximalen Intervall..."

Anders herum wird ein Schuh draus, wenn ich mir das darunter stehende Bild so ansehe.

Edit: Im Fazit auf Seite 4 steht die Formulierung noch einmal.

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Igor Wallossek

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Hach, ich habe gestern zu viel gearbeitet. Ist gefixt - danke! :)

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Casi030

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11,923 Kommentare 2,340 Likes

Mal wieder eine sehr gute Arbeit,Danke.
Jetzt fehlt nur noch zusammenhängend Teil 2 mit CPUs um dann ein Ausreichendes Netzteil fürs System zu haben.

Aber mit Alter HW wie nem FX 8XXX und ner HD7950 war die Sache doch noch ein wenig leichter da die schnellen Schaltungen fehlten , die TDP ein wenig genauer war.
Mein FX 8320 durfte aus dem BQ E9 450Watt z.b. auch nicht mehr als 330Watt (an der Dose) ziehen,sonst wurde nach 1 oder 2 Min abgeschaltet....aber 550Watt laut Dose für CPU und Grafikkarte war kein Problem.

Das war Idle um 75Watt + 125 CPU + 200 GPU und man kommt auf ein max von 400Watt.
Da im Idle schon ein kleiner Teil der TDP von CPU und GPU drinne steckt hatte man selbst für OC noch Reserven und man lastet in der Regel nicht CPU und GPU zu 100% aus.

Heute rechne ich auch ein wenig großzügiger,dabei bleib ich aber meist beim BQ PurePower.

Idle 50Watt + R9 3900x mit 105 + 50 Watt + RX 5700XT 225 + 75 Watt und ich komme auf 505 Watt Spitze.
Damit reicht das 500Watt PP was Peak 550 Watt hat und 2 separate PCIe Stromkabel für den normalen Gebrauch mit normalen Komponenten locker aus.Nur wer noch viel Extra rein packt oder Übertaktet braucht was Richtung 600Watt.
Und das wäre nicht schlecht wenn man das dann einfach bei 2 Zusammenhängenden Artikeln ausrechnen könnte als User.

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Tesetilaro

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579 Kommentare 255 Likes

kannst Du halt nicht einfach so ausrechnen@Casi030

es hängt viel auch von der quali der Komponenten ab - grad das Netzteil ist immer so ne heikle Sache - 550 W Gold+ =|= 550 W Chinaböller

Spoilerinhalt versteckt.

Was ich sagen will, für Otto-Normalbürger ist es Pflicht zu lesen, oder Leute zu fragen die Ahnung haben - ersteres passiert selten, zweiteres erfolgt meist zu spät :p

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Casi030

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11,923 Kommentare 2,340 Likes

Deswegen beziehe ich mich in der Rechnung auf BQ PurePower.
Sehr gut und recht günstig.
Kommt es auf den EU an,dann sind die Systeme meist ehr schwächer ausgelegt und da kann man dann zum nächst größeren greifen.
Hatte Igor aber doch auch geschrieben das man auf die Qualität der Bauteile auch achten soll.

Am einfachsten ist es am Ende natürlich:
Ich hab 450Watt für mein XY System ausgerechnet und will mir XY Netzteil kaufen,gut oder schlecht....
Die Fachleute werden dann entsprechend Antworten.

Zum Spoiler
Deswegen bin ich auch der Lüfter Prediger. ;)

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D
Denniss

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1,727 Kommentare 656 Likes

Viele fragen aber gar nicht erst sondern kaufen sich das billigste 500-750W Netzteil das es bei Amazon/Ebay oder Mediamarkt/Saturn gibt.
Und später ist alle andere Hardware an instabilitäten/Abstürzen schuld nur nicht das Netzteil. Ein wenig Aufpreis ist manch einem aber RGB wert weil Blinken gibt ja extra FPS.

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v
vonXanten

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831 Kommentare 364 Likes

Gerade bei RGB schaltet bei manchen die Vernunft ab. Erst vor kurzem in einem Mediamarkt mitbekommen.
"Oh Mama schau mal Gaming PC, da kann man dann dies und jenes einstellen"
Einzige was da Gaming war, RGB blink blink... Und wenn das dann Gaming ist, vllt. ein weing Althardware mit bling bling aufmotzen und als Ultra Gaming schalgmichtot verkaufen ;)

Aber viele wollen sich nicht mit solchen Sachen beschäftigen, Hauptsache billig. Gerade beim Netzteil, das sieht ja eh keiner.

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D
Denniss

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1,727 Kommentare 656 Likes

Gibt's beim Auto auch - die billigsten Reifen werden aufgezogen. Das Auto fährt ja damit. Bis dann der Regen kommt und man bremsen möchte.

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ThreeM

Neuling

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Hmm ok, das macht mir nun ein bisschen angst wenn ich ehrlich bin.

Mein System ist folgendes:

View image at the forums

Betreiben tue ich dies mit einem Enermax Revolution 87+ welches iirc mit 520W daherkommt.

Ich habe zwar aktuell keine Probleme und gehe davon aus die Schutzschaltungen vom NT was taugen, aber sollte ich vielleicht doch über ein etwas kräftigeres Netzteil nachdenken?

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Igor Wallossek

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11,973 Kommentare 23,568 Likes

Vielleicht schaltet nichts ab, weil nichts schützt? ;)

Naja, Scherz beseite, bis 600 Watt wird es locker mitspielen.

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ThreeM

Neuling

3 Kommentare 0 Likes

Ahh, auch hier nochmal Danke für die Rückmeldung ;)

Hab das Netzteil halt aus dem Vorgänger System übernommen, dachte mir das sollte noch tauglich sein.

Ich interpretiere deine Antwort also als: "Kann man so lassen, da ist ohne aktuelle Probleme kein austausch nötig"

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S
Sternengucker80

Veteran

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Naja, zum Teil ist heute gut und morgen eher Mittelmaß/ bis billig.
Netzteile tausche ich nicht all zu oft und hatte bisher ziemlich viel Glück.
Für meinen PH II X6 und HD 6970 CF hatte ich mir extra ein OCZ 750W gekauft. War damals nicht das schlechteste, Verfügbar und läuft heute noch.
Der Lüfter ist eine andere Sache :rolleyes:
Das BeQuiet, 500/550 war eigentlich nur für 1700x und RX480 gedacht. Mit einem RX480 CF + OC langt es mehr als ausreichend. (Test F@H unter Volllast, usw.)
2700x und VII OC Langweilt sich das Seasonic 750W Netzteil.
Am Anfang wird über vieles gescholten und am Ende ist die Hardware doch nicht so schlimm.
RX480 hatte nen schlechten Ruf am Anfang und auch die VII hatte ihr Fett wegbekommen auf vielen Seiten. Am Ende viel Panikmache um nichts.
Vega 56/64 wurden auch oft wegen ihren Lastspitzen nieder gemacht.
Da ist es echt schwer, den Schuldigen zu finden.
Ist der eine Hersteller zu doof, die richtigen Angaben zumachen, oder hat der Tester keinen Plan von den Materie, oder stimmt hinten und vorne nix.
Das ist hier das schöne, fällt was aus der Reihe, wird nach Ursache, Wirkung, Problemlösung gesucht.
Ist halt so, gibt es nicht. :ROFLMAO::unsure:
Dafür liebe ich die Seite!

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G
Guest

Ich finde den Artikel richtig klasse. :)

Endlich mal ne ordentliche deutsche Referenz wohin man die Jungs und Mädels schicken kann wenn man mal wieder ne Netzteildiskussion hat.

LG
Marti

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LurkingInShadows

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1,467 Kommentare 630 Likes

@Igor: Längsspule mag helfen, aber du misst doch zwischen Spule und PSU, oder?

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Igor Wallossek

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Ich messe nach der Spule, richtig. Deshalb schneiden die ohne Spule auch schlechter ab :D

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LurkingInShadows

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1,467 Kommentare 630 Likes

Eine Grafik oder so hast du als Vergleichshilfe nicht zufällig rumkugeln?

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Thy

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1,843 Kommentare 745 Likes

Hm, ich habe plötzlich Lust auf Süßes.

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Igor Wallossek

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11,973 Kommentare 23,568 Likes

Nö. Die meisten machen das mittlerweile so.

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Thy

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1,843 Kommentare 745 Likes

Sparen die mittlerweile wirklich die Spulen ein? Die sind ja schlimmer als einige unserer Kunden, die sich wundern, wenn ihnen ohne Filterkapazitäten die Leistungsschalter um die Ohren fliegen. Aber irgendein Marketing-Fuzzi wird seinen Bonus kriegen, weil er 20 cent eingespart hat.

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About the author

Igor Wallossek

Chefredakteur und Namensgeber von igor'sLAB als inhaltlichem Nachfolger von Tom's Hardware Deutschland, deren Lizenz im Juni 2019 zurückgegeben wurde, um den qualitativen Ansprüchen der Webinhalte und Herausforderungen der neuen Medien wie z.B. YouTube mit einem eigenen Kanal besser gerecht werden zu können.

Computer-Nerd seit 1983, Audio-Freak seit 1979 und seit über 50 Jahren so ziemlich offen für alles, was einen Stecker oder einen Akku hat.

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