Testplattform für Grafikkarten: Des Golems Zauberwürfel

Wir haben uns eine neue Testplattform für Grafikkarten gebaut. Dafür haben wir mittels Nebelmaschine ein eigenes Lüftungskonzept entwickelt. Der Zauberwürfel ermöglicht Messungen unter gleichbleibenden thermischen Bedingungen – und kann auch nachgebaut werden.

28. Januar 2015 um 12:19 Uhr / Nico Ernst

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Der Zauberwürfel im Nebel (Bild: Nico Ernst/Golem.de) — Der Zauberwürfel im Nebel Bild: Nico Ernst/Golem.de

Spätestens seit dem spannenden Duell zwischen AMDs R9 290X und Nvidias GTX 780Ti Ende 2014 steht fest: Grafikkarten sollte man in geschlossenen PCs testen. Vor allem die AMD-R9-Modelle der ersten Generation mit Referenzkühler skalieren unter längerer Last – und zwar nach unten . Je wärmer es in einem PC wird, desto langsamer laufen aktuelle High-End-Karten, die nur auf Luftkühlung setzen.

Testplattform für Grafikkarten von Golem.de (01:27)

Dennoch ist das Testen mit offenen Plattformen, bei denen ein Mainboard frei auf dem Tisch liegt oder in einem Spezialhalter eingespannt ist, weiterhin verbreitet. Es ist schlicht einfacher, die Grafikkarte mit einem Handgriff wechseln zu können. Auch Beschädigungen der Karten beim Einbau, von denen in der Regel vor dem Marktstart meist nur ein Exemplar zur Verfügung steht, lassen sich so vermeiden. Auch das Anbringen von Temperaturfühlern und das Messen mit einem Infrarotthermometer werden erleichtert. Zudem kann man, wie auch Golem.de das schon länger praktiziert, die Grafikkarten mit dem Programm Furmark vorheizen, bevor die bewerteten Messungen durchgeführt werden.

Bild 1/21: Die obere Entlüftungsöffnung, die direkt von den Lüftern getroffen wird (Fotos: Nico Ernst)

Bild 2/21: Viele Grafikkarten führen Abluft auch nach oben ab. (Fotos: Nico Ernst)

Bild 3/21: Verdeckt verlegte Kabel und gedrehter Wasserkühler behindern den Luftstrom nicht. (Fotos: Nico Ernst)

Bild 4/21: Versteckte Kabel für eine zweite Grafikkarte (Fotos: Nico Ernst)

Bild 5/21: Golems neue Testplattform für Grafikkarten (Fotos: Nico Ernst)

Bild 6/21: Die Verriegelung der Karte ist beim X99-A leicht erreichbar. (Fotos: Nico Ernst)

Bild 7/21: Aus der Bauphase: Die Grafikkarte kann selbst Luft von vorne ansaugen, der Lüfter rechts wurde später befestigt. (Fotos: Nico Ernst)

Bild 8/21: Der Wechselrahmen erlaubt schnellen Tausch der SSD. (Fotos: Nico Ernst)

Bild 9/21: Mit Gaffertape sind die seitlichen Öffnungen verschlossen, die vorher... (Fotos: Nico Ernst)

Bild 10/21: ... so aussahen. (Fotos: Nico Ernst)

Bild 11/21: Core i7-5960X, 16 GByte DDR4-2400, Gesamtpunkte

Bild 13/21: Core i7-5960X, 16 GByte DDR4-2400, max. Details

Bild 17/21: Core i7-5960X, 16 GByte DDR4-2400, 700-Watt-Netzteil, 1 FHD-Monitor

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Besser wäre natürlich ein Towergehäuse, dessen Kühlung stets unverändert bleibt, um die Grafikkarte als Flaschenhals eines Testsystems zu definieren. Im schnellen Wechsel Grafikkarten liegend einzubauen, ist jedoch lästig und fehlerträchtig. Zum Glück gibt es aber auch würfelförmige Gehäuse, bei denen das Mainboard waagerecht liegt. Doch die sind meist für übertaktete Systeme mit zahlreichen Öffnungen und Lüftern vorgesehen. Das führt zu einer Lautstärke der Rechner, die nicht jeder Nutzer toleriert.

Daher hat Golem.de mit einfachen Mitteln das Gehäuse HAF XB Evo(öffnet im neuen Fenster) so modifiziert, dass sich Temperaturen wie in einem nicht übertrieben belüfteten Tower-PC ergeben. Wie der Name schon andeutet – HAF steht für High Airflow -, ist auch das ein Case, das für hochgezüchtete Systeme vorgesehen ist. Wir haben die Luftströme aber so angelegt, dass sie sich kaum verändern und die Grafikkarte sich zum größten Teil selbst um ihre Kühlung kümmern muss. Mindestens zwei Jahre wollen wir die Testplattform unverändert lassen, daher haben wir auf Komponenten mit hoher Leistung und trotzdem großer Effizienz gesetzt.

Intels Schnellster mit Wasserkühlung und ein effizientes Mainboard

Neben der Wahl des Gehäuses war bei der Konzeption des Zauberwürfels der Prozessor entscheidend. Er ist neben der Grafikkarte die größte Wärmequelle im PC und muss so schnell sein, dass er auch in Jahren für alle dann erscheinenden Spiele fix genug ist. Also haben wir zum Core i7-5960X alias Haswell-E gegriffen. Er ist Intels erster Achtkerner für Desktop-PCs, wenn man die teuren Workstation-Xeons außer Acht lässt.

Diese acht Cores entsprechen der Anzahl der Kerne, die in den SoCs von Playstation 4 und Xbox One stecken. Es ist davon auszugehen, dass die lange vernachlässigte Aufteilung der Programme in Threads in den nächsten Jahren mit Verbreitung dieser Konsolen stetig besser wird, was aber parallel mit einer Entlastung der CPUs durch neue Schnittstellen wie Mantle und DirectX-12 läuft.

Für den Spielealltag sollte aber ein Quad-Core noch lange ausreichen, die Reserven des 5960X sind für unsere Zwecke vorwiegend für die Videoaufzeichnung im Hintergrund und andere Tools wie Fraps und GPU-Z nützlich, wobei die acht weiteren Kerne per Hyperthreading auch den Effekt der Neuverteilung der Threads mildern.

Damit der Prozessor den PC nicht zu sehr aufheizt, haben wir ihn mit der AIO-Wasserkühlung Seidon 120 V2(öffnet im neuen Fenster) von Cooler Master versehen. Solche Systeme, die vorgefüllt geliefert werden und einfach einzubauen sind, haben sich in den vergangenen vier Jahren in Redaktions-PCs von Golem.de als zuverlässig erwiesen und führen den Großteil der Abwärme der CPU direkt aus dem Gehäuse. Die Kombination aus Radiator und Lüfter haben wir an den 120-Millimeter-Einbauplatz über der ATX-Blende montiert, wo der Ventilator auch einen Wärmestau an den hinteren Spannungswandlern und Speichermodulen verhindert. Die Wasserleitungen sind, wenn der Wasserblock gedreht wird, zudem nicht beim Hantieren mit Grafikkarten im Weg.

In mehrwöchigen Tests kühlte die Seidon den 5960X auch dann zuverlässig, wenn wir ihn auf 4,2 GHz für alle Kerne übertaktet hatten. Auch 4,5 GHz sind bei den meisten Haswell-E zu erreichen , für die Grafiktests der Zukunft belassen wir den Prozessor aber bei den werksseitigen 3,0 bis 3,5 GHz, weil das System für jeden nachzubauen sein soll und die Ergebnisse so nachvollziehbar bleiben.

Als Mainboard haben wir uns für das X99-A(öffnet im neuen Fenster) von Asus entschieden. Es ist mit rund 220 Euro nicht nur eines der günstigsten Boards für den Sockel 2011-3, sondern auch eines der effizientesten. In der Bauphase, also ohne weitere Lüfter und Peripherie, haben wir Werte von rund 35 Watt bei ruhendem Windows-Desktop mit einer passiven Radeon HD 6450 gemessen. Mit aktuellen High-End-Grafikkarten und Zubehör kommt der fertige Zauberwürfel auf rund 55 Watt. Das liegt nicht nur am elektrischen Design des X99-A, sondern auch daran, dass Asus bis auf einen USB-3.0-Controller von Asmedia alle sonst üblichen Zusatzchips eingespart hat. Da wir die weiteren Ports nicht brauchen, haben wir auch den Asmedia-Chip abgeschaltet.

Gleiches gilt auch für die LED-Beleuchtung des Boards, was ein weiteres Watt einspart. Die tiefen Schlafzustände, insbesondere den C6-Modus der CPU, haben wir für Prozessor, Chipsatz und PCI Express aktiviert. Vor allem das Einschalten des ASPM(öffnet im neuen Fenster) , was ohne Last PCIe-Lanes deaktiviert, bringt eine recht große Ersparnis in Ruhe und unter Last und wirkt sich nicht auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems aus. Ebenso ist Intels aktueller Rapid-Storage-Treiber(öffnet im neuen Fenster) installiert, was für die Sata-Geräte das ein oder andere Watt einsparen kann. Als RAM dienen 16 GByte DDR4-Speicher mit effektiv 2.400 MHz von G.Skill(öffnet im neuen Fenster) . Sie sind auf vier Module verteilt, um die ebenso vielen Speicherkanäle des Haswell-E zu nutzen. Die Timings von CL15-15-15-35 lassen wir vom XMP-Profil der DIMMs und dem Mainboard automatisch einstellen.

Konstanter Airflow von vorne nach hinten

Das HAF XB Evo besteht aus zwei Etagen: Unten sitzen Netzteil und Laufwerke, oben Mainboard und Steckkarten. Dabei ist in der oberen Etage die Frischluft durch zwei 140- oder 120-Millimeter-Lüfter in der abnehmbaren Frontplatte vorgesehen. Entlüftet wird hinten durch einen 120-Millimeter-Lüfter und einen Deckel mit Mesh-Verkleidung. Zusätzlich gibt es an beiden Seiten große Öffnungen. Der Würfel kann also von fünf Seiten gekühlt werden.

Wenn man den Luftstrom anders als vorgesehen führt, kann man aber einen gleichmäßigen Luftzug durch das obere Stockwerk des Gehäuses erzielen. Die Grafikkarte, die in der Mitte sitzt, dient dabei als Trennwand, der Strom des sie leicht überragenden 140-Millimeter-Lüfters in der Front überstreicht sie noch. Nach zahlreichen Experimenten und Temperaturmessungen mit einem externen Digitalthermometer haben wir uns entschieden, nur einen luftzuführenden Ventilator zu verbauen. Es ist ein Bequiet Silent Wings 2, den wir über das Mainboard auf feste 800 U/Min. eingestellt haben. Der CPU-Lüfter der Wasserkühlung wird vom X99-A zwar geregelt, hat von uns aber eine eigene Drehzahlkurve erhalten, so dass er zwischen 600 und 800 U/Min. arbeiten darf – Letzteres erreicht er nur unter extremer Last wie beim längeren Rendern mit Cinema 4D.

Damit die Belüftung von vorne auch da ankommt, wo sie hin soll – nämlich zu den vorderen Spannungswandlern des Boards und der Grafikkarte -, haben wir die seitlichen Öffnungen mit schwarzem Textilklebeband verschlossen. Natürlich ist das Gaffertape(öffnet im neuen Fenster) auf beiden Seiten angebracht, damit die Klebefläche im Inneren nicht zum Staubfänger wird. Das Mesh-Gitter im Deckel haben wir durch eine fest verschraubte Plexiglasplatte ersetzt. Um Optik ging es uns beim Bau des Rechners kaum, Zweckmäßigkeit stand im Vordergrund. Durch den kleineren hinteren Lüfter und den größeren und schneller drehenden vorderen Ventilator ergibt sich insgesamt stets ein Überdruck im Gehäuse, was wir in verschiedenen Konfigurationen, Lüftern und mit mehreren Grafikkarten sowie einer Nebelmaschine überprüft haben. Im Video zu diesem Artikel ist das gut erkennbar.

Dabei ergab sich schließlich der gewünschte Effekt: Die Grafikkarte holt sich ihre Zuluft vorwiegend durch den freien Einbauplatz des vorderen 140-Millimeter-Lüfters. Der daneben montierte Ventilator erzeugt einen Strom quer durchs Gehäuse, entlüftet wird durch den Slot der Grafikkarte und vor allem durch die Öffnung an der Rückseite über den Steckkarten.

Dieser Entlüftungsplatz, den auch viele andere moderne Gehäuse bieten, ist wichtiger, als man vielleicht annehmen mag, selbst wenn Grafikkarten im Referenzdesign der Chiphersteller mit einem DHE-Kühler (Direct Heat Exhaustion) verwendet werden. Die Kühlkörperverkleidungen haben meist nahe dem Slotblech eine Öffnung, über die sehr warme Abluft nach oben geblasen wird.

Kann sie dort nicht direkt aus dem Gehäuse entweichen, heizt sie den PC unnötig auf. Bei selbst entwickelten Kühlern von Grafikkartenherstellern, die nicht auf DHE setzen, sind solche Öffnungen noch wichtiger. Dass unser Kühlkonzept auch damit funktioniert, haben wir mit einer Radeon R9 290X Tri-X von Sapphire mit drei Lüftern und einer Asus Poseidon GTX 980 mit zwei Lüftern überprüft. Bei Letzterer, die auch eine eigene Wasserkühlung unterstützt, haben wir auf diese Option verzichtet.

Benchmarks, Strom und Temperaturen

Nach dem Bau des Rechners und einigen Abenden des tatsächlichen Spielens auf dem System haben wir ein frisches Windows 8.1 samt allen aktuellen Treibern auf der SSD Samsung 840 Pro mit 512 GByte installiert und Messungen durchgeführt. Sie sollen als Anhaltspunkt für den Vergleich mit dem eigenen System dienen. Da wir bei früheren Grafikkartentests andere Plattformen mit langsameren Prozessoren verwendet haben, sind die Werte nicht damit vergleichbar.

Wie nicht anders zu erwarten, ist unter den Karten mit einer GPU Nvidias Geforce GTX 980 die schnellste. Interessant ist aber auch der Vergleich nach über einem Jahr Marktpräsenz von Radeon R9 290X und Geforce GTX 780 Ti mit aktuellen Treibern und Patches für die Spiele. Beide Hersteller hatten nun genug Zeit, auf die beliebten Titel zu optimieren. Wie schon beim Test von AMDs Catalyst Omega gezeigt, hat sich die Leistung innerhalb der vergangenen zwölf Monate teils deutlich gesteigert. Aber auch Nvidias Treiberentwickler blieben ja nicht untätig – daher liefern sich 290X und 780Ti weiterhin ein Kopf-an-Kopf-Rennen.

Leichte Vorteile hat die inzwischen recht günstig gewordene 290X bei Auflösungen über Full-HD. Da wir immer mit maximalen Details testen, läuft bei der 780Ti oft der um 1 GByte kleinere Grafikspeicher voll. Unschlagbar ist die aktuelle Karte, die GTX 980, bei der Effizienz: Unter 3D-Last braucht unsere gesamte Testplattform nur 264 Watt, mit der 290X sind es im getesteten Quiet-Modus schon 302 Watt – dabei ist der Rechner dann aber auch noch langsamer. Für alle Tests haben wir die Karten zuerst 10 Minuten mit Furmark vorgeheizt und dann die Messungen in schneller Folge hintereinander durchgeführt. Jeder Durchlauf wurde dreimal wiederholt, die Werte in den Diagrammen stellen das Mittel dar.

Sowohl beim stundenlangen Spielen als auch bei den Benchmarks überschritt die Temperatur im Zauberwürfel fünf Zentimeter neben dem Einlass der DHE-Grafikkarten nie 40 Grad Celsius, was noch gut im Rahmen der ATX-Spezifikationen liegt. Da das 700-Watt-Netzteil Straight Power 10(öffnet im neuen Fenster) von Bequiet mit 80Plus-Gold-Zertifizierung recht effizient arbeitet, sind auch zwei der sehr fordernden 290X kein Problem. Wir haben dabei beim Spielen maximal 660 Watt gemessen. Das liegt zwar an der Grenze des Netzteils, Tests mit mehr als zwei Grafikkarten stellen bei Golem.de aber die Ausnahme dar. Und selbst dann ist durch den einfachen Einbau, der dem Gehäuse geschuldet ist, und dem modularen Kabelsystem von Bequiet ein Wechsel recht einfach.

Um aus unserer Konfiguration nicht eine Testplattform, sondern einen alltagstauglichen Spiele-PC zu machen, empfehlen wir, auf den Verschluss der Belüftungsöffnungen zu verzichten und einen zweiten 140-Millimeter-Lüfter in die Front einzubauen. Den für den Deckel optionalen 230-Millimeter-Lüfter halten wir für nicht stark übertaktete Systeme für überflüssig.

Wer die ohne Grafikkarte rund 2.000 Euro für das System nicht ausgeben will, kann vor allem bei CPU und RAM sparen. Der Sechskerner Core i7-5820K kostet weniger als die Hälfte des Octa-Cores, und auch 8 GByte RAM reichen für Spiele noch aus. Die Gesamtleistung sinkt dann aber etwas, weil zwei Speicherkanäle brach liegen. Geht es um eine Workstation mit rechenintensiven Anwendungen – die durch das kompakte Gehäuse mit Griffen auch leicht zu transportieren ist -, gilt es, den Bedarf aus Rechenleistung und Speicherbedarf vorher genau abzuwägen. Auch 32 GByte sind dank der acht Sockel des X99-A möglich, ohne die alten Module auszubauen.

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