Schmorende Header an NVIDIAs GeForce RTX 4090 – Neue Erkenntnisse, Messungen und (un)bekannte Ursachen zum 12VHPWR und 12V-2×6 Problem | Update

Der heutige Artikel ist das Ergebnis von mehreren Monaten Laborarbeit, langen Messreihen, Entwicklungsarbeit und ständiger Gegenkontrolle. Die Materie der 12-Volt-Steckverbinder ist leider so komplex, dass ich zur Vervollständigung des Bildes einen neuen Lösungsansatz gesucht habe. Und nein, es gibts sie nicht, DIE eine Ursache, sondern es ist stets eine kausale Kette aus mehreren Faktoren. Das macht es am Ende ja so schwierig, aber es ist zugleich auch eine Herausforderung, mehr als nur wild zu spekulieren. Und interessanterweise fügen sie meine ersten Artikel zum Thema fast nahtlos in das ein, was ich heute neu dazugefügt habe.

Wichtiges Vorwort und Begriffserklärung

Ich habe es mir diesmal also nicht so einfach gemacht, denn es wäre komplett unfair, nur dem Benutzer allein die Schuld an zerstörter Hardware zuzuschieben. Wenn man die Möglichkeiten hat, auch die Änderungen der PCI SIG und den Wechsel vom 12VHPWR- zum 12V-2×6 Connector samt der gesamten detaillierten Anmerkungen nachzuverfolgen, Kontakte zu den Herstellern der Steckverbinder nutzen kann und zudem über eigene, recht genaue Messmöglichkeiten verfügt, dann ergibt sich ein sehr interessantes, völlig neues Bild. Denn es kristallisieren sich auch nicht beachtete Ursachen des Versagens dieser Steckverbindung heraus, bei denen der vermeintlich „dumme“ Anwender nur ein kleiner Teil der Wahrheit ist.

Fakt ist nämlich, dass Fertigungstoleranzen, das Material und die allgemeine Verarbeitungsqualität einen gewissen Schwerpunkt der Problematik bilden. Und es hat sich nach mittlerweile über 50 untersuchten Defekten hier im Labor herauskristallisiert, dass fast immer eine Verknüpfung mehrerer Ursachen zum Totalausfall geführt hat und nicht nur eine einzelne. Auch wenn die Geschichte mit den unfähigen Usern kurz vor NVIDIAs Verkündigung der Quartalszahlen dem Anbieter natürlich (ganz zufällig) gut passte: Es hilft niemandem weiter, noch nicht einmal NVIDIA, denn es war wohl ein voreiliger Schnellschuss.

Diese ganze Geschichte ist so komplex, dass man mit Schuldzuweisungen wirklich sehr vorsichtig sein muss. Und so untersuche ich seit Wochen auch ein Bauteil, über das merkwürdigerweise bisher kaum geschrieben und spekuliert wurde. Die vermeintliche „Buchse“, die auf der Grafikkarte sitzt, ist ja in Wahrheit (und technisch exakt gesehen) nämlich ein Stecker mit den männlichen Pins. Das, was wir dann dort reinstecken, ist eigentlich eine Buchse, weil die Federkontakte nun einmal die weiblichen Teile der Steckverbindung darstellen. Deshalb werde ich im Folgenden auch konsequent „Header“ schreiben, wenn das Teil mit den Pins auf der Grafikkarte gemeint ist und das einzusteckende Gegenstück, so wie die PCI SIG, als „Cable Plug“ bezeichnen. Und auch wenn beides zusammen genaugenommen eine Klemm-Steck-Verbidung darstellt, werde ich das alles vereinfacht nur noch „Steckverbindung“ nennen.

Unterschiede zwischen der CEM 5.0 und der CEM 5.1 und neue Details

Auch die PCI SIG und die dort Beteiligten scheinen einen permanenten „learning by doing“ Prozess durchlaufen zu haben, wenn es um bestimmte Details geht. Den User-Fehler umgeht man nun mit zurückgesetzten Sense-Pins und nach vorn verlängerten Strom-Pins, um mehr Kontaktfläche zu generieren. Das mag hilfreich sein, wenn der Anwender keine besonderen Skills fürs Reinstecken besitzt, aber das ist bekannt und heute NICHT das Thema. Diese anderen Dinge werde ich am Schluss noch einmal zusammenfassen, damit sich das Bild abrundet. Es wird heute somit vordergründig um die Pins am Header der Grafikkarte gehen und nicht um das, was der User dann genau dort ansteckt. Betrachten wir zunächst die ältere CEM 5.0 und den 12VHPWR-Header im Original:

Wir sehen, dass die 12 Pins (6 für 12 Volt und 6 für Masse) jeweils quadratisch mit 0.64 mm Außen-Länge bzw. -Höhe angegeben werden. Die Toleranzangaben für dieses Detail fehlen komplett (und nicht nur für dieses). Das kann sich schnell rächen, aber werfen wir nun einen Blick auf die aktuelle Version des Headers auf den Grafikkarten:

Na, so ein Zufall! jetzt hat man auch die (nicht nur von mir) ständig angemahnten Toleranzen festgelegt, die für die Abmessungen der Pins gelten! Allerdings fehlen immer noch wichtige Details wie die Verdrehung, die Radien der Kanten (die ja nicht rund sind) sowie die Positionstoleranz. Für letztere würden laut Zeichnung sehr großzügige 0,2 mm angesetzt, was definitiv eine Fehlerquelle sein kann. Doch dazu komme ich gleich noch. Wir sehen aber auch, dass nicht nur die Art der Federkontakte (egal ob Astron oder NTK) eine Rolle spielt, sondern die durch die Pins samt deren Größe sowie Positionierung resultierende tatsächliche Klemmfläche und ein möglicherweise nur unzureichender Anpressdruck! Unter Klemmfläche verstehen übrigens wir den Bereich, wo tatsächlich der vorgesehene Stromfluss stattfinden kann und genau diese Fläche fehlt leider immer noch in allen Dokumentationen, genauso wie der vorgeschriebene Anpressdruck. Hier kocht leider jeder Anbieter von Steckverbindern sein eigenes Süppchen und man läuft gegen eine Mauer des Schweigens.

Man darf eines nicht vergessen: Mit dem jetzt festgelegten Toleranzbereich für die Pins dürfen diese bei einer Vorgabe von 0,64 mm eine Seitenlänge zwischen jeweils 0,62 und 0,66 mm aufweisen. Das inkludiert aber den absoluten Idealfall, dass dieses Pins absolut rechteckig sind und zudem immer exakt rechtwinklig sowie mittig an der ausgewiesenen Position sitzen. Dass sie das nicht sind und tun, werde ich gleich noch beweisen und wir lernen auch gleich, warum gecrimpte Kontakte in der Summe weniger anfällig sind. Auch der Cable Plug hat eine eigene Zeichnung samt Toleranzen erhalten, die allerdings ebenfalls noch Fragen aufwirft bzw. offenlässt.

Update und technische Anmerkung für Außenstehende

Eine Positionstoleranz von 0,2 mm in Bezug auf 2 Achsen bedeutet, dass man pro Achse maximal 0,07 mm abweichen darf. Warum das so ist? Solche Toleranzen werden je Achse quadriert. Nur stellt sich dann die Frage, wie die Steckerhersteller das umsetzen können: Können die prozessfähig wirklich so exakt arbeiten? Das kann man glauben, muss es aber nicht. Auf den Zeichnung der PCI SIG fehlen eigentlich folgende Maße:

1. Die Rechtwinkligkeit der Pins zum Bezug C
2. Die Parallelität der Pin-Flächen zu A und B (Thema Verdrehung)
3. Die Ebenheit oder Flächeform der Pin-Klemmflächen (Thema Balligkeit)
4. Kantenbruchvorgaben (Radien an den Pins)
5. Die Mindest-Klemmfläche für den Cable Plug (Öffnungsmaß min. im ungeklemmten Zustand), Sicherstellung der Klemmung bzw. Kontaktfläche für den Stromfluss

Den Rest hatte ich bereits geschrieben. Desweiteren sollte man sich wirklich überlegen, ob man von dem klassischen ABC-Bezugssystem auf eine symmetrische Vermaßung wechseln kann. Dass man die Abmessungen des einzusteckenden Teils enger fasst, geht durchaus in Ordnung, dann verklemmt sich auch nichts. Aber man hat generell alles, was die Federkontakte betrifft, wieder komplett ausgespart. Das halte ich persönlich für gefährlich, weil es durchaus Raum für neue Fehlerquellen geben kann. Ich habe viele Messreihen gemacht und auch die Materialien und Oberflächen kontrolliert. Dass es dann einige Hersteller mit den Toleranzen nicht so genau nehmen oder sich permanent am untersten Bereich des Erlaubten bewegen, ist einigermaßen deprimierend. Nimmt man nämlich 3rd-Party-Produkte wie den CableMod-Adapter oder auch den Header, der von KrisFix auf die defekten Karten gelötet wird, dann liegen sowohl Cable-Plug als auch die jeweiligen Header genau auf den Vorgabewerten der CEM 5.1, OHNE die Toleranzen maximal nach unten hin auszunutzen.

Update (2)  und Positionstoleranzen

Danke an Fritz Hunter für die schnelle Grafik, die den Irrsin mit diesen Positionstoleranzen noch einmal beleuchtet und vorrechnet, dass mit solchen Vorgaben sogar klemmende Stecker keine Unmöglichkeit sein können (Klicken zum Vergrößern):

Testsystem und Testobjekte für die Messung

Es war bisher immer so, dass sich alle Tester überwiegend auf die äußeren verbrannten Kontakte gestürzt haben, wenn es um Defekte und harsche Kritik ging. Doch spätestens mit der Sensibilisierung der Anwender beim Einstecken und auch Abwinkeln der Kabel hat sich das Bild ein klein wenig geändert. Ich habe für den folgenden Vergleich insgesamt vier verschiedene Typen gefunden, aus denen ich mit den mir vorliegenden defekten Headern quasi Häufchen bilden konnte. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch das Fehlerbild am Boden der Header und der Rückseite. Die meisten Header meiner „Leichen“-Sammlung sind sogenannte Invers-Header, so wie sie Asus verwendet (aber nicht nur). Bei dieser Variante zeigen die Arretierungsnase und die 4 Sense-Pins von der Platine weg, also de facto nach oben. Und genau diese Header nehme ich für die folgenden Untersuchungen, weil ich am meisten davon habe. Ein bisschen Statistik und Reproduzierbarkeit können ja nie schaden.

Das eingesetzte Keyence VHX-7000 System mit gekoppelter AE-300 aus meinem eigenen Labor ist ein vielseitiges 3D-Profilometer und das leistungsstarke Mikroskop (max. x2000) lässt sich zudem mit HDR-Funktion, automatisierten Beleuchtungsszenarien und riesiger Tiefenschärfe perfekt für solche Untersuchungen einsetzen. Außerdem dient es auch zur Materialanalyse, für die ich nicht aufwändig ein REM + EDX nutzen muss. Vakuum? Brauche ich nicht mehr und man spart ordentlich Zeit. Solange man weiß, worauf man sich einlässt und wo die Grenzen des genutzten Verfahrens liegen, geht das wirklich gut. Genau so etwas brauchen wir heute auch.