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Grundlagen GPUs: Leistungsaufnahme, Netzteilkonflikte & andere Mythen | 2014 und 2020

Rüstungswettlauf und erste Gehversuche mit einem einzelnen Oszilloskop

Wenn die VR-Controller die Grafikkarten so schnell schalten lassen, was schlägt dann davon wirklich bis auf die Stromversorgungsanschlüsse der Grafikkarten durch? Wie hart wird die Versorgung über das Mainboard und wo sind die externen PCI-Express-Versorgungsanschlüsse wirklich gefordert?  Ich hatte das System für diese Messungen im Hinblick auf möglichst kleine Intervalle konzipiert, was allerdings den Einsatz eines sehr guten (und leider auch sehr teuren) Mehrkanal-Speicheroszillografen mit Speicherfunktion unabdingbar machte.

Als Basis diente ein 500 MHz Mehrkanal-Oszilloskop (HAMEG HMO 3054), das das gemeinsame Speichern von vier Kanälen und eine sinnvolle Fernsteuerung über Ethernet erlaubt. Dazu kommen noch mehrere hochauflösende AC/DC Stromzangenadapter (HZO 50), die für diese hohen Frequenzbereiche noch problemlos einsetzbar sind und die vor allem ohne Bereichsumschaltung genutzt werden können (Full-Range).

Erster Anlauf: brauchbar, aber mit viel Luft nach oben
Erster Anlauf: brauchbar, aber mit viel Luft nach oben

Ein weiteres, wichtiges Utensil ist eine spezielle Riser-Card mit Loops, die zudem extrem kurze Signalwege besitzen muss, damit auch moderne PCIe-Karten der dritten Generation problemlos damit laufen. Dieser Adapter steckt dann zwischen Mainboard und Grafikkarte. Wer jetzt glaubt, die beiden zu den Grafikkarten-Slot durchgeschleiften Spannungschienen einfach am 24-Pin-Anschluss des Mainboards messen zu können, wird enttäuscht werden. Denn das Mainboard bedient sich hier aus der gleichen Quelle. Ohne geeignete Riser-Card ging also nichts und so gab es wieder Bastelstunden und jede Menge Lehrgeld inklusive.

 

 

Nach der Lösung dieser kleinen Bastelaufgabe kommt nun die strategische Partnerschaft zur Industrie (HAMEG, Rohde & Schwarz) zum Zug, denn ohne brauchbare Labor-Technik und jahrelange Erfahrungen läuft man trotz aller Ambitionen schnell ins Leere. Das Zwischenergebnis, so wie wir es aus den Reviews der letzten Monate kennen, war da sicher schon ein erster, ermutigender Erfolg. Nur sind vier Kanäle zwar auf den ersten Blick noch purer Luxus, aber wenn man das Ganze mal aufdröselt, steht man gleich vor dem nächsten Problem und wundert sich.

 

Ungenauere Dreipunkt-Messung der Ströme mit einer zusätzlichen Spannung
Ungenauere Dreipunkt-Messung der Ströme mit einer zusätzlichen Spannung

Misst man nämlich die Stromstärken für die beiden Mainboard-Leitungen (3,3 und 12 Volt) und den externen PCIe-Stromanschluss, so bleibt nur noch ein Kanal übrig, um wenigstens eine der Spannungen zu messen. Da auf dem PCI-Express-Anschluss unter Last das meiste passiert, habe ich dort die Spannung der 12-Volt-Schiene gemessen, die Werte für 3,3 mittels Multimeter bestimmt und später als Festwert eingesetzt. 

Spätestens aber bei Grafikkarten wie der Radeon R9 295X2 und einigen Board-Partner-Eigendesigns merkt man jedoch, dass auch dies alles nur ein fauler Kompromiss ist: Man kann die PCIe-Anschlüsse doch nicht so einfach zu einem einzigen Kanal zusammenfassen, wenn an den jeweiligen Anschlüssen unterschiedliche Phasen der Grafkikkartenversorgung hängen. Teilweise fließen die Ströme in sehr kurzen Spikes nämlich auch schon mal in umgekehrter Richtug, was ich so nicht vermutet hätte.

Die Messung mit einem einzigen Vierkanal-Speicheroszilloskop, drei geeigneten Stromzangenadaptern und einem Tastkopf  ist zumindest um Welten besser als Dinge wie Steckdosenmessung, Zangenamperemeter oder Stromzangenadapter und Multimeter, aber leider immer noch reichlich ungenau. Und nun?

4-Punkt-Messung und ein doppeltes Lottchen

Schrieb ich oben Wettrüsten? Das Ganze artet nämlich – wenn man es wirklich ernsthaft betreiben will – schon ein wenig arg aus. Will man pro Grafikkarte wirklich alle vier maximal auftretenden Versorgungsschienen messen, bräuchte man nämlich acht analoge Kanäle am Oszilloskop. Man muss ja für jede der vier einzelnen Schienen sowohl Spannung als auch Stromstärke in Echtzeit parallel messen und auch abspeichern können! Arbeitet man mit vorermittelten Festwerten für die Spannungen, kann man nämlich nicht nur erneut gehörig daneben liegen, sondern tut es auch, wie wir gleich noch sehen werden.

2015 – zwei Oszilligrafen sind besser als einer

Genau an dieser Stelle habe ich dann ansetzen müssen und gemeinsam mit unserem Messtechnik-Partner nach einer praktikablen Lösung gesucht. Diese wiederum besteht nun darin, mit gleich zwei solchen Oszilloskopen parallel (Master-Slave) zu messen und aufzuzeichnen. Das funktionert mittelweile schon recht perfekt, so dass ich in der Lage bin, nahezu jeden Atemaussetzer oder Hustenanfall der Grafikkarten (und anderer Messobjekte wie z.B. Mainboards) plausibel und belastbar zu erfassen.

Das heißt im Endergebnis: Ich kann damit nun je nach Aufgabenstellung Ströme und Spannungen gleichzeitig in Auflösungen von bis zu einer Mikrosekunde messen. Diese Intervalle sollte man natürlich der konkreten Aufgabe besser anpassen, um nicht in der aufkommenden Datenflut zu ertrinken. Wenn ich beispielsweise bei Grafikkarten in den 1-Minuten-Diagrammen mit einer Millisekunde auflöse, werden die dazwischen im Mikrosekundenbereich anfallenden Messwerte bereits als brauchbarer Mittelwert im Oszilloskop zusammengefasst.

2020 – MCU-basierte Messstation

Das aktuelle System für die Leistungsaunahmemessung und Grafikkarten-Analyse hatte ich ja auf Seite 1 bereits als weiteres Bild mit den Oszilligrafengezeigt, hier ist noch einmal die Beschreibung der Komponenten in Tabelleform

Power Consumption:

Scope measuring:
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

MCU-based measuring
Up to 12 channels with shunts and logging at once
Special test bench build for the complete eco system
Custom riser card

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

Wie dies alles im Detail aussieht und was man aus solchen Werten noch so alles ableiten kann, das sehen wir nun auf der nächsten Seite. Durchhalten Freunde, denn jetzt wird es erstmals richtig spannend!

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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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