Höher, schneller, weiter: Grafikkarten können nie schnell genug sein, schon gar nicht für Besitzer eines Ultra-HD-Bildschirms. Während die Leistungssprünge in den frühen Jahren der 3D-Beschleuniger rasant waren, müssen wir mittlerweile zwei Jahre auf die nächste Top-GPU warten und freuen uns trotz steigender Preise anschließend, wenn das Plus 50 Prozent beträgt. Ursächlich dafür sind physikalische Limits, welche die Verkleinerung der Strukturbreite von Mikrochips immer diffiziler machen. Bleibt dieser Schritt aus, führt eine höhere Leistung unweigerlich zu einer höheren Leistungsaufnahme, landläufig Stromverbrauch genannt.
Prozessoren jeder Art sind programmierbar und können somit (mehr oder minder gut) alles berechnen, was man ihnen vorschreibt. Absolut meisterhaft sind sie bei einer anderen Disziplin: elektrische Energie in Wärme(-Energie) umzuwandeln. Jedes Watt, das beispielsweise in eine GPU fließt, wird in Hitze umgewandelt, was einen potenten Gaming-PC zu einer effektiven Elektroheizung macht. Eine höhere Leistungsaufnahme bedeutet somit immer eine größere Wärmeentwicklung, die Not einer besseren Kühlung, somit einen größeren Lärmfaktor und nicht zuletzt größere Zahlen auf der jährlichen Stromabrechnung. Hochgezüchtete Grafikkarten gehören mit Abstand zu den Topverbrauchern im Gaming-PC, die 300-Watt-Marke ist längst gefallen (wenngleich allerorten versucht wird, darunter zu bleiben). Die Leistungsaufnahme ist somit ein wichtiger Faktor beim Grafikkartenkauf, wobei klar ist: weniger ist besser! Doch wie misst man die Leistungsaufnahme einer Grafikkarte richtig?
Leistungsaufnahmemessung 2009-2020
PC Games Hardware setzt seit mehr als einer Dekade auf einen speziellen Messaufbau, der die Leistungsaufnahme der Grafikkarte getrennt von den restlichen Verbrauchern im PC erfassen kann. Nur das ist genau, während das Ablesen des Gesamtverbrauchs und das grobe Subtrahieren der übrigen Komponenten aus einer Vielzahl von Gründen nicht funktioniert. Die bis heute von PCGH verwendete Hardware besteht aus einem Konglomerat aus einem PCI-E-Extender, einem Multimeter sowie einem Zangenamperemeter, mit dem wir zur Laufzeit die fließenden Ströme und Spannungen aller Zuleitungen abgreifen und anhand derer valide Watt-Werte aller PCI-Express-Grafikkarten ermitteln. Während die Grafikkarten des Jahres 2009 noch unter der 200-Watt-Marke blieben, ging es in den Jahren danach in Richtung der 300 - mit wenigen Ausnahmen darüber.
PCGH-Leistungsaufnahmemessung 2009–2020: Ein PCI-E-Extender mit Spannungsmesspunkten und Schleifen zur Bestimmung der Stromstärke ... Quelle: PC Games Hardware Je neuer die GPU, desto ausgeklügelter wurden auch die Maßnahmen, um die Leistungsaufnahme der Transistormonster im Zaum zu halten. Mittlerweile regeln Grafikchips so schnell ihren Takt und die korrespondierende Spannung, dass kein externes Tool wirklich genau sagen kann, was wann exakt anliegt. So auch unser Messaufbau, welcher zwar jedem Vergleich mit API-Werten und anderen Messungen standhielt, aber nicht in der Lage ist, bei besonders wankelmütigen Grafikkarten exakt das auszugeben, was pro Nanosekunde tatsächlich fließt. Das muss auch nicht zwingend sein, denn für Gaming-Zwecke genügt eine leicht reduzierte Präzision für den Durchschnittsverbrauch. Doch genauer ist natürlich besser und das Bessere kann das Gute ablösen.
Selbstverständlich wurden wir hellhörig, als Nvidia bereits im August zu einem speziellen Call einlud, welcher nichts mit Grafikkarten zu tun hat. Zumindest nicht direkt. Anstelle von Lobpreisungen der Ampere-Architektur sprachen die verantwortlichen Nvidia-Mitarbeiter über Powerlimits, Energieeffizienz - und vor allem darüber, wie man diese spannenden Daten richtig erhebt. Selbstverständlich ist das Thema Energie für eine GPU-Schmiede von besonderer Wichtigkeit und das Toolset für Entwickler wesentlich ausgeklügelter, als es ein Endverbraucher jemals nachstellen könnte. Aber wäre es nicht schön, wenn man zumindest in die Nähe käme? Das fragten sich einige Nvidia-Mannen, gefolgt von vielen Monaten des Tüftelns. Herausgekommen ist PCAT, das Power Capture Analysis Tool.
Die Definitionen von "Power"
Die Frage, warum Nvidia an komfortablen Messtools forscht und damit externen Grafikkartentestern das Leben vereinfacht, ist naheliegend. Selbstverständlich beinhaltet das Engagement auch Eigennutz. Im Zentrum der Aufmerksamkeit steht der Wildwuchs an "Power"-Angaben, der Vergleiche zwischen AMD- und Nvidia-Grafikkarten (und auch künftigen Intel-Grafikkarten) schwierig macht. Die Unterscheidung zwischen verschiedenen Fachtermini und die schwammige Definition der Thermal Design Power, kurz TDP, liegt den Geforce-Machern am Herzen. Laut Nvidia beziehe sich die TDP - die maximale Verlustleistung und somit Abwärme einer Komponente - in der Industrie meist nur auf die Erfordernisse des Grafikchips, was jedoch keine Rückschlüsse auf das komplette Produkt zulasse. Huangs Mannen rücken daher ihren favorisierten Terminus der Total Graphics Power, kurz TGP, in den Fokus. Dabei handelt es sich per Definition um die maximale Leistungsaufnahme, die von der kompletten Grafikkarte bei anspruchsvollen "Real World"-Applikationen abgerufen werden kann. Netzteil und Kühlsystem müssen diesen Wert stemmen. Genauso verhält es sich bei der Total Board Power, kurz TBP, welche AMD in der Regel angibt. Wichtig: TGP und TBP sind prinzipiell vergleichbar, geben aber keine Auskunft über mögliche Spitzen (Peaks) jenseits der angegebenen Werte.
Der Grafikchip (GPU) ist der mit Abstand größte Verbraucher auf einer Grafikkarte, weshalb dieser einen eigenen Wert erhält: die GPU Power oder Core Power. Bei Radeon-Grafikkarten mit High Bandwidth Memory (HBM), welcher direkt auf dem GPU-Package sitzt, ist außerdem von einer ASIC Power die Rede, welche die Energiemenge von Grafikchip und -speicher zusammen definiert. In den allermeisten Fällen ist die Angabe der GPU Power zielführend, welche stets eine eine Untermenge der Board Power darstellt. Letztere beinhaltet alle übrigen Verbraucher, darunter Grafikspeicher, Spannungswandlung, Lüfter, Beleuchtung sowie generelle Verluste aufgrund von Widerständen.
Während eine Grafikkarte intern bestens im Bilde ist, welche Energie wo und in welcher Stärke fließt, bleibt der Anwender darüber im Dunkeln. Erste Anhaltspunkte liefern spezielle Schnittstellen (APIs), welche von AMD und Nvidia bereitgestellt werden und die sich mithilfe von Tools abgreifen lassen. Versierte Nutzer kennen GPU-Z, den MSI Afterburner, CapFrameX und Konsorten, welche in der Lage sind, Taktraten, Spannungen und Leistungsaufnahme auszulesen. Dabei handelt es sich jedoch nicht um die absolute Wahrheit, denn die Tools geben nur wieder, was ihnen die APIs servieren. Abhängig von der Implementierung sind die Angaben mehr oder weniger genau, in jedem Fall aber träger als das, was der Grafikchip intern tut. "Genau genug für alltägliche Zwecke", könnte man sagen, aber im Grunde handelt es sich nur um relativ präzises Schätzen. Messen ist besser als Schätzen. Hier kommt PCAT ins Spiel.
Nvidia PCAT: Das steckt dahinter
Nicht nur die Ingenieure, sondern auch die technischen Mitarbeiter Nvidias messen die hauseigenen Grafikkarten (und die des Mitbewerbers). Dort sind valide Messwerte somit genauso wichtig für eine Einschätzung von Grafikkarten, doch die meisten verfügbaren Hardware-Lösungen sind relativ sperrig, sodass man das Tüfteln begann. Nach einiger, nicht genauer spezifizierter Zeit und einigen Revisionen ist es soweit: Das Power Capture Analysis Tool, kurz PCAT, ist ausgehfertig. Nvidia trat damit an die Presse heran, auf dass diese einige Testläufe durchführen konnte. PC Games Hardware ließ sich nicht zweimal bitten, schließlich sind noch bessere Leistungsaufnahmemessungen in jedermanns Interesse.
Der Aufbau des PCAT ist schnell erklärt: Mithilfe eines PCI-E-Risers, in den die Grafikkarte gesteckt wird, sowie einer speziellen Platine werden die fließenden Ströme in Echtzeit ermittelt. Das PCAT-Modul (rechts im Bild) ist mit Widerständen ausgestattet, welche (wie die Grafikkarten selbst) jede Änderung am Stromfluss registrieren. Das Mini-PCB bietet Platz für drei 8-Pol-Buchsen, welche eingangsseitig vom Netzteil und ausgangsseitig an die Grafikkarte kommen. Eine USB-Verbindung stellt sicher, dass sich alle Daten abgreifen und auf Wunsch in Protokolldateien schreiben lassen - sehr praktisch, um live abzulesen, welche Last sich wie auswirkt. Letzteres ist auch während der Action am Monitor möglich: Ein kleines OLED-Display auf dem PCAT-Modul zeigt abwechselnd entweder die Total Board Power oder die Lasten auf den (bis zu) drei 12-Volt-Kabelsträngen an.
Nvidia PCAT Power Capture Analysis Tool: Die komplette Hardware Quelle: PC Games Hardware Ist alles verkabelt, benötigt die PCAT-Hardware ein Software-Gegenstück, um wirklich hilfreich zu sein. Dafür hat Nvidia ein Zusatzprogramm für das hauseigene Frameview ins Leben gerufen: PCAT.exe. Hier finden sich alle relevanten, von der Messhardware ermittelten Daten in Echtzeit vor (Polling Rate 100 ms). Im Hauptfenster lassen sich entweder die TGP oder einzelne Versorgungsschienen, auch der kleine Posten 3,3V, grafisch anzeigen. Ein Bild sagt mehr als Tausend Worte:
PCAT-Hauptfenster: Hier lassen sich alle Versorgungsschienen einzeln oder zusammen in Echtzeit anzeigen. Quelle: PC Games Hardware Messprotokolle lassen sich mit dem PCAT-Tool derzeit nur relativ umständlich erstellen, indem man auf "Log Data" klickt, einen Dateinamen auswählt und nach der Messung wieder auf den Knopf drückt. Komfortabler wird es, wenn nach der PCAT.exe außerdem eine aktuelle Version von Frameview installiert ist. Dieses ebenfalls von Nvidia erschaffene Programm existiert schon etwas länger und hat daher einen erweiterten Funktionsumfang. Neu ist, dass Frameview die Daten von PCAT abgreifen kann, sofern das Tool mitläuft. Der Vorteil von Leistungsaufnahmemessungen mittels Frameview ist, dass man hier eine feste Messzeit einstellen kann, welche mittels Tastendruck gestartet wird. Auch hier fallen detaillierte Log-Files an, welche sich anschließend auswerten lassen. Künftige Updates sollen den Funktionsumfang der PCAT.exe in Frameview aufgehen lassen.
Zur Auswertung eignet sich prinzipiell alles, das CSV-Dateien öffnen kann, am ehesten Microsoft Excel. Doch auch hier hat Nvidia bereits intern vorgearbeitet und eine praktische Auswertungsdatei mitgeliefert. Dort findet sich alles, was der Herz begehrt: Total Board Power, Chip Power, Frameverläufe, Wattverläufe, Mittelwertberechnung inklusive Performance pro Watt und mehr. Wir haben bereits ausführlich damit herumgespielt und sie etwas angepasst. Die Ergebnisse finden Sie weiter unten.
Nvidia-Messtool, Nvidia-Software: Paranoiker ziehen nun womöglich eine Augenbraue hoch. Wie eingangs erwähnt, hat Nvidia ein Interesse daran, dass die Energieeffizienz von Grafikkarten fair ermittelt wird. Insbesondere das Problem, dass sich die Total Board Power bei AMD-Grafikkarten nicht zuverlässig mithilfe von Tools auslesen lässt - stattdessen gibt's die "effizient" aussehende GPU/Chip Power - Nvidia-Messtool, Nvidia-Software: Paranoiker ziehen nun womöglich eine Augenbraue hoch.
ist den Kaliforniern ein Dorn im Auge. PC Games Hardware verglich zwar nie Äpfel mit Birnen, legt jedoch seit Jahren Wert auf echte Messungen anstelle von Software-Daten und qualifizierte sich daher für den PCAT-Testlauf. Selbstverständlich haben wir PCAT genau auf die Finger gesehen, Quervergleiche angestellt und die Funktion in Kombination mit Radeon-Grafikkarten überprüft. Die Diagnose ist eindeutig: Hier geht alles mit rechten Dingen zu, denn Strom ist Strom - und den kann man objektiv messen. Demnach gibt es keinen Grund für Verschwörungstheorien. Stattdessen freuen wir uns, Ihnen künftig noch genauere Angaben der Leistungsaufnahme servieren zu können. Apropos, hier sehen Sie PCAT mit einer Radeon VII:
PCAT arbeitet selbstverständlich auch mit Radeon-Grafikkarten zusammen. Quelle: PC Games Hardware
Nvidia PCAT: Beispielmessungen
Wir haben zahlreiche Stichproben genommen, um die Funktionsweise sowie Auswertungsfähigkeit von PCAT zu testen. Interessant war vor allem der Punkt, inwiefern sich unser altes Messsystem und PCAT einig sind. Im Großen und Ganzen herrscht hier Harmonie, wobei PCAT erwartungsgemäß viel sensibler auf schnelle Lastwechsel reagiert, welche bei unseren vorherigen Messungen im Mittelwert untergehen. Im Folgenden sehen Sie ein paar beispielhafte Messungen anhand einer Geforce RTX 2070 Super und einer Radeon RX 5700 XT. Beide Grafikkarten rangieren unter Volllast im 220-Watt-Bereich und sind damit ideal vergleichbar. Wir haben mehrere Spiele getestet und durch die Frameview-Auswertung gescheucht - ausnahmsweise mit 60 statt nur 20 Sekunden Messdauer.
Die folgenden Bilder sagen alles. Nur einen Punkt möchten wir erläutern: Offenbar ist die GPU/Chip Power nicht zuverlässig - und das ausgerechnet bei der RTX 2070S, welche eigentlich fehlerfreie NVAPI-Werte liefern sollte. Die GPU Power der Radeon RX 5700 XT wird hingegen tadellos mit maximal 180 Watt angegeben. Sei's drum, uns geht es in erster Linie um das, was sprichwörtlich unter dem Strich steht: Die Total Board Power, denn eine Grafikkarte ist die Summe aller Verbraucher. Und diese Daten lassen sich nun feingranular auswerten, auch für jede Versorgungsleitung einzeln, was interessante Detailbetrachtungen sowie gezielte Netzteilempfehlungen ermöglicht. Die übrigen Daten haben wir spaßeshalber dazugepackt.
Nvidia PCAT: Zwischenfazit
Nvidia hilft der Presse beim Messen: Grundsätzliche Zweifel über die Ehrenhaftigkeit sind durchaus angebracht. Da Nvidia jedoch (wie oben ausgeführt) ein Interesse daran hat, dass die Energieeffizienz der hauseigenen Geforce-Grafikkarten korrekt ermittelt wird, haben beide Seiten etwas davon. Etwas kurios wirkt das Timing aber schon, denn die jüngst vorgestellten Ampere-Grafikkarten RTX 3080 und RTX 3090 werden gemäß offizieller Spezifikation keine Kostverächter. Doch der absolute Verbrauch ist nicht alles - fällt das Leistungsplus (in Fps) höher aus als die Leistung in Watt, geht die Effizienz nach oben. PCGH wird sich die Geforce RTX 3090, RTX 3080 und RTX 3070 selbstverständlich haargenau ansehen und auch mit PCAT konfrontieren. Freuen Sie sich auf einen heißen September mit Messungen, so weit das Auge reicht!
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September 08, 2020 at 11:00PM
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