NVIDIA GeForce RTX 5080 und mögliche Hotspot-Probleme auf der Platine – Ursachen und Workaround

1 - Ein Hotspot, den keiner braucht 2 - Beseitigen des Hotspots (Workaround) und Fazit

Es ist wichtig zu betonen, dass dieser Bericht keine Sensationsdarstellung anstrebt, sondern als Anregung für Hersteller verstanden werden soll, der thermischen Belastung von Platinen mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Namentliche Nennungen einzelner Boardpartner erfolgen nicht, da dieses Problem bei nahezu allen Einstiegskarten aller Hersteller in ähnlicher Form auftritt. Die Ausprägung des Hotspots kann durch ein gut abgestimmtes aktives Kühlsystem zwar abgemildert werden, lässt sich jedoch nicht vollständig eliminieren. Ziel ist es daher, aufzuzeigen, wie durch konstruktive Anpassungen die thermische Effizienz verbessert und die Belastung der Bauteile langfristig reduziert werden kann.

In diesem Artikel wird ein thermischer Hotspot thematisiert, der durch die kompakte Anordnung von zehn Spannungswandlern für NVVDD entsteht. Diese Spannungswandler sind auf der Platine sehr dicht beieinander positioniert, wodurch die Leiterbahnen mit der erzeugten Spannung auf engstem Raum zur GPU geführt werden müssen. Besonders betroffen sind Platinen, die stark an das Referenzdesign angelehnt sind und auf eine elfte Phase für NVVDD verzichten. In solchen Fällen kann eine nicht optimal ausgelegte Kühlung der Spannungswandler (VRM) sowie der Verzicht auf eine passive Kühlung der Platinenrückseite zu einer unerwünschten thermischen Belastung führen. Der Fokus dieses Artikels liegt darauf, die technischen Hintergründe dieses Problems zu erläutern und mögliche Optimierungsansätze aufzuzeigen. Vor allem für die “günstigeren” Karten (wenn man von der Preisen der RTX 5080 ausgeht) bis hin zu den Karten, die die Hersteller auf Weisung NVIDIAs maximal zur UVP anbieten müssen.

Ausgangspunkt der Untersuchung

Betrachten wir nun eine Platine, die sich stark an das Referenzdesign anlehnt und mit insgesamt 17 Phasen ausgestattet ist: 10 Phasen für NVVDD, 4 Phasen für MSVDD und 3 Phasen für FBVDD. Ein Großteil des maximalen Power Limits von 400 Watt entfällt dabei auf die 10 Phasen für NVVDD. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhalts zeige ich eine Projektion des gemessenen Hotspots samt Topologie. Diese wird im weiteren Verlauf durch Superpositions-Bilder der Thermografie der Platinenrückseite ergänzt, um die gemessenen Daten zu belegen. Diese Einführung ist wichtig, um das thermische Verhalten und die zugrunde liegenden Ursachen besser zu verstehen.

NVVDD ist die Spannungsversorgung für die GPU-Kerne selbst und stellt somit den Hauptstromverbraucher dar. MSVDD versorgt die Speicherchips der GPU, während FBVDD für die Versorgung der Framebuffer (Videospeicher) verantwortlich ist. Da NVVDD den größten Anteil der Leistungsaufnahme hat, ist dieser Bereich besonders anfällig für thermische Probleme. Eng zusammenliegende Leiterbahnen (Tracks) in der Platine können zu erhöhten Temperaturen führen, insbesondere wenn hohe Ströme fließen. Der elektrische Widerstand der Leiterbahnen erzeugt Wärme, wenn Strom hindurchfließt. In kompakten Designs, in denen wenig Platz für eine ausreichende Verteilung der Ströme vorhanden ist, kann sich diese Wärme an bestimmten Punkten konzentrieren und zu Hotspots führen. Diese Hotspots beeinträchtigen nicht nur die Effizienz der Spannungswandler, sondern können auch langfristig die Lebensdauer der Komponenten negativ beeinflussen. Eine optimierte Verteilung der Leiterbahnen und eine verbesserte Kühlung sind daher entscheidend, um solche thermischen Probleme zu minimieren.

Ein kurzes Vorwort zur Kühlung der Spannungswandler und der betroffenen Flächen

Die effiziente Kühlung von Spannungswandlern (VRM) und Spulen ist ein zentraler Aspekt im Design moderner Platinen, insbesondere bei Hochleistungs-Grafikkarten, vor allem dann, wenn man wie bei NVIDIA versucht, alles auf engstem Raum zusammen zu quetschen. Mir gefällt dieser Trend übrigens überhaupt nicht und es ist schade, dass sich die Boardpartner hier so hündisch unterwerfen. VRMs sind dafür verantwortlich, die Spannung aus der Stromquelle in die für die GPU oder CPU erforderlichen Werte umzuwandeln. Diese Spannungswandlung erzeugt durch ihre Verluste natürlich auch Wärme, die, wenn sie nicht effektiv abgeführt wird, im Gegenzug wiederum die Effizienz der Bauteile beeinträchtigt (und für noch mehr Wärme sorgt) und die Lebensdauer der Komponenten (auch im direkten räumlichen Umfeld) verkürzen kann. Spulen, die als Teil der VRM-Schaltung fungieren, sind ebenfalls von thermischen Belastungen betroffen, da sie bei hohen Strömen ebenfalls erhebliche Wärmemengen erzeugen.

Ein häufig verwendetes Mittel zur Kühlung dieser Bauteile sind Wärmeleitpads, die die Wärme von den VRMs und Spulen auf die Kühlkörper übertragen. Aber nicht nur die Wahl des richtigen Wärmeleitpads ist hierbei entscheidend, sondern in erster Linie die Spaltmaße. Wärmeleitpads mit einer Stärke von 3 mm werden oft und gern verwendet, können jedoch aufgrund ihres erhöhten Wärmewiderstands kontraproduktiv sein. Der Wärmewiderstand eines Wärmeleitmaterials hängt ja nicht nur von der thermischen Leitfähigkeit des Materials selbst ab, sondern eben auch von der Dicke des Pads. Dickere Pads führen zu einem längeren Weg, den die Wärme zur Ableitung zurücklegen muss, was die Effizienz der Wärmeübertragung erheblich reduziert.

Ein weiterer Faktor, den ich gerade ansprach, ist das Design der Kühlung selbst. Hersteller verwenden oft große Spaltmaße zwischen den Bauteilen und den Kühlkörpern, auch um die Produktion kostengünstiger zu gestalten. Diese größeren Abstände ermöglichen es den Herstellern neben einer großzügigen Toleranzgrenze zudem, bei Bedarf flexibel auf andere Modelle von Kondensatoren oder Spulen auszuweichen, ohne das Design grundlegend ändern zu müssen. Dies kann zwar die Fertigungskosten senken und die Flexibilität erhöhen, führt jedoch zu suboptimalen thermischen Bedingungen. Und dann kommt dazu noch die Wahl unzweckmäßiger Pads. Betrachten wir hierfür einmal die exemplarische Messung so eines 3-mm-Pads:

Weiche Wärmeleitpads erreichen ihre optimale Performance erst, wenn sie beim Zusammenpressen auf mindestens zwei Drittel ihrer ursprünglichen Ausgangsstärke verdichtet werden. Im Beispiel oben sind es sogar weniger als 60 Prozent! Der Grund dafür liegt in der physikalischen Struktur dieser Pads, die aus einem weichen, kompressiblen Material bestehen, das sich an die Oberflächenunregelmäßigkeiten der Bauteile und Kühlkörper anpasst. Durch das Zusammendrücken wird der Kontaktwiderstand zwischen den Flächen reduziert, da Lufttaschen und Unebenheiten minimiert werden. Diese Verdichtung fördert eine bessere Wärmeleitung, da das Material dichter wird und der direkte Kontakt zwischen den Oberflächen verbessert wird.

Oftmals werden jedoch Wärmeleitpads verwendet, die für geringere Anpressdrücke nicht geeignet sind. Diese Pads entfalten bei unzureichendem Druck nicht ihre volle Leitfähigkeit, was zu einem deutlich erhöhten Wärmewiderstand führt. In vielen Messungen zeigt sich, dass der Wärmewiderstand bei zu wenig Druck stark ansteigt, was die Kühlleistung erheblich beeinträchtigt. Dies ist besonders problematisch, wenn Hersteller Pads einsetzen, die zwar eine hohe nominelle Wärmeleitfähigkeit aufweisen, jedoch nicht für die tatsächlichen mechanischen Gegebenheiten geeignet sind. Die Auswahl des richtigen Pads muss daher nicht nur die Materialeigenschaften, sondern auch die Anpressbedingungen berücksichtigen, um eine effektive Wärmeübertragung sicherzustellen. Genau da sind aber die Hersteller gefragt, die sich nicht vom OEM solcher Materialien das Ohr abkauen lassen dürfen, sondern zielgereichtet und gnadenlos selektieren müssen, was einen Sinn ergibt.

Ein Hotspot, der eigentlich überflüssig ist

In vielen Fällen wären deutlich dünnere Pads oder Wärmeleitpasten, die einen dann geringeren Spalt zwischen Bauteil und Kühlkörper füllen, eine effektivere Lösung. Eine unzureichende Wärmeableitung kann zu Überhitzung, Drosselung der Leistung (Thermal Throttling) und letztlich zu einem frühzeitigen Ausfall der Bauteile führen. Daher ist es für Hersteller und Endnutzer gleichermaßen wichtig, die Kühlung der VRMs und Spulen nicht nur hinsichtlich der Materialqualität, sondern auch der physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Kühllösungen zu optimieren. Macht man das nicht, dann passiert genau das hier:

Jetzt sind 80 °C natürlich noch nicht der Weltuntergang, deshalb auch meine bewusste Relativierung in der Einleitung des heutigen Artikels, aber: Ich habe das in einem vollklimatisieren Raum (21 °C) im offenen Aufbau gemessen und NICHT im geschlossenen Gehäuse. Genau das habe ich mittels einen angeklebten K-Widerstandes in einem kleinerem Gehäuse in Form des Thermaltake Tower 300  kurz überprüft. Mal abgesehen davon, das hängend montierte Grafikkarten in so einem Gehäuse eh schon mit der Materie und sich selbst zu kämpfen haben, sind dann rund 100 °C auf Dauer bereits deutlich zu viel und kein positiver Faktor für das Erreichen der gewünschten Lebenserwartung der Komponenten. Das darf einfach nicht sein!

Dass viele Hersteller thermisch scheinbar keinen richtigen Plan haben, wo es heiß wird, zeigt das nächste Beispiel einer unlängst getesteten GeForce RTX 5080 aus dem teureren Regal, deren VRMs dann natürlich perfekt gekühlt werden, aber wo man das Pad ohne echte Tests einfach dorthin positioniert hat, wo man es seit Jahren schon hinklebt. Hinterfragt hat das offensichtlich niemand, auch wenn es bei der aktuellen Karte im wahrsten Sinne des Wortes deplatziert wirkt (denn dann hätte man es auch gleich weglassen können):

Zwischenfazit

In vielen Fällen lassen sich thermische Hotspots weiter entzerren und abmildern, wenn die betroffenen Bereiche zusätzlich passiv über die Platinenrückseite mitgekühlt werden. Durch das Anbringen von Wärmeleitpads auf der Rückseite kann die Wärme gleichmäßiger verteilt und auch effizienter über die Backplate abgeführt werden. Diese Methode nutzt somit die zusätzliche Fläche der Platinenrückseite, um die Wärmeableitung zu verbessern und die Temperaturbelastung der VRMs und Spulen zu reduzieren. Insbesondere bei kompakten Designs, in denen die Vorderseite der Platine bereits stark ausgelastet ist, kann die Rückseitenkühlung einen entscheidenden Beitrag zur thermischen Stabilität leisten. Genau das wird dann heute auch noch einmal thematisiert und Teil meiner Untersuchungen sein. Nach dem Umblättern!