Nachdem ich mich in meinem vorherigen Testbericht mit Kühlern für die RTX 4090 Founders Edition beschäftigt habe, habe ich mich der RTX 4090 TUF von ASUS zugewendet. Hier kam es bei der Verwendung des Core Wasserkühlers zu Abweichungen, die ich folgend näher untersucht habe.
Wie immer gilt: Umbauten der Hardware auf eigene Gefahr!
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Die erste Version der TUF besitzt im wesentlichen das gleiche PCB wie die Strix. Lediglich ein paar Phasen und Spulen sind nicht montiert und die betreffenden Plätze auf dem PCB bleiben frei. Die TUF ist aber zum damaligen Zeitpunkt teilweise deutlich günstiger gewesen. Interessant sind Strix/Tuf für mich persönlich wegen der Kühler, die es für diese Karten gibt. So gibt es neben dem Core von Alphacool und dem HK V Pro von Watercool auch einen Kühler von Optimus. Die Montage dieses Kühlers unterscheidet sich doch etwas von den anderen Kühlern am Markt. Das der Optimus-Block für die RTX 3090 FTW3 von eVGA bei meinen Tests (dazu gibt es keinen Testbericht) sehr gut abgeschnitten hat, ist ein weiterer Grund, warum mich der Block und seine Leistungswerte auf der RTX 4090 Strix/TUF interessieren. Da es dabei teilweise nur um sehr geringe Unterschiede von ein paar wenigen Kelvin geht, vergleiche ich sehr ungern Werte vom Kühler A montiert auf der Karte A mit den Werten von Kühler B, der aber auf der Karte B montiert ist. Bei der Bildung der dT-Werte spielt ja auch immer die Temperaturmessung, welche in den GPU-Die oder in die VRam-Module (jedes GDDR6x-Modul bestimmt seine eigene Temperatur und über den nVidia-Treiber wird immer der Wert des aktuell wärmsten Modules ausgegeben) integriert ist, eine Rolle. Unterschiede könnten dann auch einfach nur von absolut unterschiedlich genauen Temperaturmessungen auf der Karte herrühren. Deshalb habe ich bei der RTX 4090 TUF erneut den HK V Pro und den Core getestet. Beim Vergleich der Werte dieser Kühler mit den Werten dieser Modelle auf der RTX 4090 Founders Edition ist es aber beim Core dazu gekommen, dass die dT-Werte der GPU deutlich höher sind als noch bei der Founders Edition. Beim HK V Pro sind die Unterschiede deutlich geringer gewesen. Da aber die jeweiligen Kühlermodelle optisch betrachtet den gleichen Aufbau haben, ist dies so nicht plausibel.
dT GPU – Vergleich zwischen FE und TUF
Obwohl es den Einfluss durch die Verwendung der unterschiedlichen Karten gibt und obwohl es auch Unterschiede zwischen der Montage geben kann, liegen die Unterschiede von dT GPU beim HK V Pro bei im Mittel nur knapp -1K zum Vorteil bei der RTX 4090 TUF:
Beim Core hingegen hat der Unterschied bei im Mittel +3,5K gelegen zum Nachteil der RTX 4090 TUF:
Wenn im Netz ein Wakü-Nutzer von schlechten Temperaturwerten bei der Grafikkarte berichtet, dann wird gerne mal als Grund genannt, dass der Die auf der betreffenden Karte vermutlich besonders krum ist. So richtig habe ich das zuerst bei der Ampere-Generation wahrgenommen. Auch ist da gerne gesagt worden, dass die Toleranzen für die Montage der Komponenten relativ hoch sein sollen. Selbst konnte ich das bei meinen Stichproben (eher wenige Karten) nicht feststellen. Aber ich habe mir auch bei der 4000er Generation die Höhenwerte der wichtigen Komponenten (GPU + VRAM-Module) angesehen.
Höhenwerte von GPU und VRAM-Modulen
Bei der 4000er Generation habe ich die Höhenwerte von 3 Karten (2x RTX 4090 FE und 1x RTX 4090 TUF) aufgenommen. Hier noch kurz der jeweilige Kaufzeitpunkt der Karten:
- RTX 4090 Founders Edition 1 (FE1): 13.11.2022
- RTX 4090 Founders Edition 2 (FE2): 15.03.2023
- RTX 4090 TUF: 05.05.2023
In einer 3D-Ansicht sieht das dann zum Beispiel so aus:
Betrachtung der Verkrümmung des GPU-Chip
Um die Verkrümmung zu betrachten sind 9 Analysebereiche (grüne Kästchen) auf dem Chip positioniert worden. Das Höhenniveau des Analysebereichs im Zentrum ist zu „Null“ gesetzt worden. Dadurch sieht man bei den anderen Analysebereichen direkt die Differenz zum Zentrum:
Die Analsysebereich in den Ecken des GPU-Chips liegen bei allen 3 Karten um ca. -40µm tiefer und damit ist der Chip bei allen 3 Karten vergleichbar gekrümmt:
| Mittelwert Ecken GPU[µm] | Mittelwert GPU links [µm] | Mittelwert GPU rechts [µm] | Differenz rechts-links [µm] | |
| RTX 4090 FE1 | -43 | -35 | -35 | 0 |
| RTX 4090 FE2 | -41 | -31 | -35 | -4 |
| RTX 4090 TUF | -45 | -27 | -46 | -19 |
In der Tabelle stehen auch noch die Mittelwerte der 3 Analysebereiche auf der linken und auf der rechten Seite und der Differenz daraus. Hier sind die Werte für die beiden Founders Edition karten mit 0 bis -4µm sehr gering. Bei der RTX 4090 TUF dagegen mit -19µm deutlich höher. Bei Betrachtung der Höhenunterschiede zwischen oben und unten zeigt sich folgendes Bild:
| Mittelwert GPU oben [µm] | Mittelwert GPU unten [µm] | Differenz unten-oben [µm] | |
| RTX 4090 FE1 | -38 | -39 | -1 |
| RTX 4090 FE2 | -41 | -33 | 8 |
| RTX 4090 TUF | -42 | -38 | 4 |
Bei der Differenzbetrachtung zwischen unten und oben hat die RTX 4090 FE1 mit -1µm quasi keine Abweichung, die RTX 4090 TUF folgt mit +4µm und den höchsten Wert erreicht die RTX 4090 FE2 mit 8µm. Es stellt sich die Frage, wie groß ist der Einfluss dieser Höhenunterschiede? Auswirken könnten sich solche Höhenunterschiede aus meiner Sicht auf 2 Wegen. Zum einen könnte der Anpressdruck dadurch über die Fläche variieren und zum anderen könnten Lücken zwischen GPU-Chip und Kühler entstehen. Letzteres soll durch den Auftrag von Wärmeleitpaste ausgeglichen werden. Da ich ersteres nicht prüfen kann (Gamers Nexus hat das schon bei Erscheinen von neuen Grafikkartengenerationen getestet), habe ich mir zweiteres noch angeschaut, in dem ich auch einen 3D-Scan von einer Karte mit aufgetragener Wärmeleitpaste durchgeführt habe:
Die Dicke der Paste liegt zwischen 48µm und 172µm und im Mittel bei 114µm. Damit können die Höhenunterschiede des GPU-Chips ausgeglichen werden. Es steht ohnehin noch die Frage im Raum, wie die Krümmung bei Betriebstemperatur aussieht, da der GPU-Chip und die Platinen/Interposer-Materialien ja nicht unbedingt die gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen. Durch unterschiedliche Ausdehnungen könnte sich die Krümmung daher auch mit zunehmender Temperatur abbauen.
Betrachtung der Höhenwerte von GPU-Chip und VRam-Modulen
Die meisten GPU-Kühler arbeiten mit Abstandshaltern bei den Verschraubungslöchern um ein zu weites Anziehen der Schrauben zu verhindern. Damit das funktioniert, müssen diese Abstandshalter aber auch zu den Höhen der zu kühlenden Komponenten passen. Die Komponenten besitzen dann auch noch unterschiedliche Höhen. Deshalb müssen auch die Höhenunterschiede der Gegenseiten am Kühler zu den Höhen der Komponenten passen. Bei den nachfolgenden Höhenwerten sind die Anlageflächen an der Platine bei den 4 Verschraubungen um den GPU-Chip verwendet worden, um das 0-Niveau festzulegen. Zur Prüfung, wie gut das erfolgt ist, sind die mittleren Höhen der jeweiligen Bereiche ebenfalls eingetragen.
Bei den Referenz-Bereichen um die Anschraubbohrungen herum gibt es Abweichunge von bis zu 7µm, wobei die Werte in der einen Diagonalen positiv sind und in der anderen negativ. Im Mittel über alle 4 Bereiche ergeben sich Abweichungen von 0 bis 3µm. Diese Werte sind um eine Potenz kleiner als die Abweichungen zwischen den Grafikkarten.
Hier nun eine Gegenüberstellung der Mittelwerte in tabelarischer Form:
| Mittelwert GPU-Chip [µm] | Mittelwert Metallrahmen Interposer GPU [µm] | Mittelwert Vram-Module [µm] | Max Vram-Module [µm] | |
| RTX 4090 FE1 | 2913 | 2670 | 1017 | 1036 |
| RTX 4090 FE2 | 3011 | 2758 | 1068 | 1104 |
| RTX 4090 TUF | 3024 | 2761 | 1101 | 1140 |
| Differenz TUF zu FE1 | 111 | 91 | 84 | 104 |
| Differenz FE2 zu FE1 | 98 | 88 | 51 | 68 |
| Differenz TUF zu FE2 | 13 | 3 | 33 | 36 |
Im Vergleich zur ersten RTX 4090 FE ist die GPU bei der RTX 4090 TUF im Mittel um +111µm höher und bei der RTX 4090 FE2 um +98µm. Bei den VRam-Modulen sind es +84µm für die TUF und +51µm für die FE2. Zwischen der RTX 4090 TUF und der RTX 4090 FE2 liegen die Unterschiede bei nur +13µm und +33µm. Beide Karten habe ich deutlich später als die RTX 4090 FE1 gekauft. Von daher stellt sich mir die Frage, ob die Unterschiede durch Schwankungen bei der Montage bedingt sind oder ob es vielleicht im Fertigungsprozess eine Umstellung gegeben hat, wodurch die Komponenten generell höher sind. Die Höhendaten der RTX 4090 FE1 sind entstanden, nachdem bereits ein Wasserkühler montiert gewesen ist. Bei der RTX 4090 FE2 und der RTX 4090 TUF dagegen noch bevor der erste Wasserkühler montiert gewesen ist. Ich werde daher noch prüfen, wie die Höhenwerte der RTX 4090 TUF sind, nachdem Wasserkühler montiert gewesen sind. Eventuell ist es zu Setzungseffekten gekommen. Es bleibt aber weiterhin die Frage, warum die Unterschiede der Höhen beim HK V Pro keinen Einfluss auf die dT-Werte haben und beim Core dagegen schon.
Betrachtung der Höhenwerte der Wasserkühler
In diesem Abschnitt stelle ich noch die Höhenwerte der Wasserkühler gegenüber. Um schneller die Werte der einzelnen Analysebereiche mit denen der GPU-Scans vergleichen zu können, sind die Scans der Kühler um die vertikale Achse gespiegelt dargestellt. Das 0-Niveau ist bei den nachfolgenden Bildern auf die Kontaktfläche der Abstandshalter zum PCB gelegt und entspricht dadurch dem 0-Niveau bei den Scans der Grafikkarten. Einzig das Koordinatensystem ist um 180° gedreht, da ja auch die Kühler relativ zu den Grafikkarten um 180° gedreht aufgenommen worden sind. Eine Fläche mit +3000µm im Grafikkarten-Scan hätte eine Höhe von -3000µm im Kühlerscan. Nachfolgend steht daher bei Werten immer in Klammern das Koordinatensystem.
Wenn man die Mittelwerte erneut gegenüberstellt, ergibt sich folgendes Bild:
| Mittelwert GPU-Chip [µm] | Mittelwert Vram-Module [µm] | Differenz GPU-Chip – VRam [µm] | |
| Core | 2692 | 1546 | 1146 |
| HK V Pro | 2546 | 1666 | 880 |
Beim Core beträgt der Höhenunterschied zwischen den VRAM-Kontaktflächen und der Kontaktfläche GPU-Chip +1146µm und beim HK V Pro nur +880µm. Über alle 3 gemessenen Grafikkarten betrachtet liegt dieser Unterschied aber grob bei +/-20µm. Die Anlagefläche für den Vram liegt beim Core tiefer als beim HK V Pro und für den GPU-Chip höher als beim HK V Pro. Dies würde damit zu einem geringeren Anpressdruck beim Core im Vergleich zum HK V Pro führen (ungeachtet möglicher Auswirkungen durch Verbiegungen des PCBs) und damit tendenziell auch eher zu höheren dT-Werten. Dies zeigt sich so ja auch bei den Messwerten aus dem Test zu den Kühlern der RTX 4090 FE. Jetzt wäre aber noch die Frage, warum der Core damit bei der TUF schlechtere Werte hat als bei der FE, der HK V Pro aber wiederum direkt bei der TUF die sehr guten Werte, die der Kühler bei der FE erzielt hat, direkt reproduzieren kann.
Betrachtung der Komprimierung der VRam-Wärmeleitpads
Bei beiden Kühlern sind für die VRam-Module Wäreleitpads mit einer Dicke von 1mm vorgesehen. Vor dem Hintergrund, dass die Kontaktflächen beim Core im Mittel um 120µm näher and den VRam-Modulen liegen, müssen die Pads dort um 120µm stärker komprimiert werden, damit sich sonst überhaupt die gleiche Konstellation ergeben kann. Dann liegen bei der RTX 4090 TUF aber auch noch die VRam-Module im Mittel um +84µm (Graka-Koord) höher als bei der RTX 4090 FE1. Um dies zu bestätigen, sind die Höhen der Pads nach Verwendung der Karte mit dem jeweiligen Kühler gemessen worden:
| Minimalwert [µm] | Maximalwert [µm] | Mittelwert [µm] | Differenz Mittelwert-Soll-Dicke [µm] | |
| Core | 686 | 710 | 700 | -300 |
| HK V Pro | 820 | 943 | 899 | -101 |
Unter der Annahme, dass die Pads bei beiden Kühlern 1000µm dick sind (ich habe diese noch nie gescannt), sind die Pads beim Core stärker komprimiert worden, da die Dicke um -200µm mehr reduziert worden ist. Bei genauem Studium der Werte fällt auf, dass die VRam-Module bei der RTX 4090 TUF im Mittel ca. 1100µm hoch sind. Die Abstände der Vram-Kühlerflächen (0-Referenz auf den Anschraubflächen) aber nur eine Höhe von 1546µm (Core) oder 1666µm (HK V Pro) haben. Damit hätten die Pads deutlich stärker komprimiert werden müssen. Wenn man sich die relativen Höhen von Kühler zu Grafikkarte anschaut, wird aber klar, warum das so nicht sein kann:
Im Mittel würde dabei der Core um -332µm in den GPU-Chip „eintauchen“. Da dies so nicht möglich ist, sind im nachfolgenden Bild die Höhendaten vom Core um 337µm verschoben:
Bei den VRam-Modulen ergibt sich damit im Mittel ein Höhenunterschied von 780µm und gemessen kam für die VRam-Wärmeleitpads eine mittlere Höhe von 700µm heraus. Die 780µm ergeben sich aus der Annahme, dass der Kühler auf dem GPU-Chip aufliegt und es beim PCB zu keinerlei Verbiegung kommt. Durch letzteres könnten die Pads um weitere 80µm zusammengedrückt worden sein. Bei der Kombination des Core mit dieser RTX 4090 TUF müssen die Wärmeleitpads sehr stark komprimiert werden und da dies nicht ausreichend möglich ist mit den mitgelieferten Pads, nimmt der Anpressdruck bei der GPU ab. Die folgenden Bilder illustrieren auch noch ganz schön, dass die Wärmeleitpads in alle möglichen Ritzen gepresst werden. Hier das gemittelte Linienprofil der Padhöhen nach der Verwendung der Kühler:
Beim Core wird deutlich mehr vom Wärmeleitpad in die Bereiche zwischen die VRam-Module gepresst und auch insgesamt ist das Pad deutlich breiter, was bedeuten könnte, dass das Pad auch deutlich mehr nach Außen gepresst wird.
Aus den Ergebnissen abgeleitete Anpassung
Der Core hat bei der RTX 4090 TUF für die GPU ein deutlich höheres Temperaturdelta dT gezeigt, als es beim Core für die RTX 4090 FE der Fall gewesen ist. Der GPU-Chip und die VRam-Module liegen bei der TUF auf etwas höheren Höhenniveaus. Gleichzeitig hat sich gezeigt, das die beim Core beiliegenden Pads (1mm) deutlich stärker komprimiert werden müssen in dieser Konstellation. Es liegt nun der Schluss nahe, das dadurch der Anpressdruck beim GPU-Chip reduziert ist, was über einen höheren Wärmeübergangswiderstand die höheren dT-Werte erklären würde. Daraus ließe sich weiterhin schlussfolgern, dass mit einer reduzierten Dicke der Wärmeleitpads für die VRam-Module der Anpressdruck auf die GPU erhöht werden kann. Aus dem Netz weiß ich, das man im Onlineshop unter www.gpufix.de Wärmeleitpads im Bereich 0,5-2mm in einer Staffelung von 0,25mm kaufen kann. Die Wahl ist auf 100x100x0,75mm 12,8W/mk gefallen. Es hätte auch noch 100x100x1,00mm 12,8W/mk gegeben. Unter der Voraussetzung, dass diese Pads weicher sind als die beim Kühler beiliegenden, hätte auch das funktionieren können. Die Wahl ist in einem ersten Schritt auf die 0,75mm Pads gefallen, da ich mir davon den besseren Erfolg versprochen habe.
Die ermittelten Höhenwerte/Dicken im auf die VRam-Module aufgelegten Zustand liegen zwischen 697µm und 773µm und im Mittel bei 735µm. Der Wert mit 805µm ist herausgenommen, da zu erkennen ist, dass sich das Pad links leicht nach oben wölbt und in diesem Bereich nicht auf dem VRam-Modul aufliegt. Beim Entfernen der Schutzfolie passiert es gerne, dass die Pads etwas gedehnt werden. Damit dürften sich Höhenwerte kleiner der Solldicke von 750µm sehr gut erklären lassen (Dehnungen in ein Raum-Richtung führen zu Stauchungen in den anderen Raumrichtungen).
Betrachtung der alternativen Pads nach Verwendung des Kühlers
Nach Durchführung der Temperaturtests sind auf den Wärmeleitpads der VRam-Module nur sehr geringe Abdrücke erkennbar:
Eine Analyse der Höhendaten zeigt die folgenden Ergebnisse (das rechte Bild zur direkten Gegenüberstellung erneut in dieser Gallerie):
Die Höhenreduktionen liegen im Mittel bei -31µm (Min: -4µm; Max: -60µm). Es ist nicht auszuschließen, dass sich die Pads bei der Demontage hier und da gelöst haben und dadurch die gemessene Dicke höher ausfällt, als sie ist. Trotzdessen sind die Wärmeleitpads an allen VRam-Modul-Positionen immer noch dünner gemessen worden und damit eingedrückt. Der Kontakt hat damit im besten Fall für gute dT-Werte ausgereicht. Im Zuge der Demontage ist die Platine auch noch von der Rückseite her vor und nach dem Lösen der 4 Schrauben um die GPU gescannt und die Differenz dieser beiden Scans gebildet worden:
Die farblichen Fläche markieren Bereiche, in denen die Höhen in etwa gleich sind. Das Differenzbild ist unter der Annahme erstellt worden, dass im mittleren Bereiche kein Höhenunterschied vorliegt, da hier ja die Platine über die GPU auf dem Kühler aufliegt. Interessanterweise zeigt sich eine etwas unsymmetrische Verteilung der Platinenverformung. Bei der RTX 3090 Ref verliefen die Bereiche gleicher Höhe jeweils oben und unten durch die Verschraubungen und entsprechend auch sonst spiegelsymmetrisch zwischen oben und unten und auch zwischen links und rechts.
dT GPU mit den alternativen Pads
Durch Verwendung der 0,75mm-Pads haben sich die Werte bei dT GPU deutlich reduziert und sind nun sogar etwas geringer als die Werte des Core auf der RTX 4090 FE:
Nachdem der HK V Pro auf der RTX 4090 TUF aber ebenfalls etwas geringere dT GPU-Werte aufweist, könnte dies auch in der Temperaturmessung der GPU der TUF begründet sein und weniger darin, dass beide Kühler auf der RTX 4090 TUF besser funktionieren. Hier nun noch die Gegenüberstellung aller Werte im selben Diagramm:
dT VRam mit den alternativen Pads
Nachdem sich nun bei dT GPU deutlich bessere Werte zeigen und dadurch davon auszugehen ist, dass der Anpressdruck bei der GPU nun höher ist, wäre es plausibel, wenn die Werte bei dT VRam schlechter ausfallen. Zum einen wegen der Annahme, dass dort nun der Anpressdruck geringer ausfällt. Und zum anderen, da sich die Abdrücke der VRam-Module in den Wärmeleitpads nur noch sehr schwach zeigen. Im Vergleich zeigen sich nun aber diese Werte:
Mit dem Core sind mit beiden Pad-Arten/Dicken quasi die gleichen dT-Werte für den VRam erzielt worden. Mit dem HK V Pro sind die Werte auf der RTX 4090 TUF auf dem gleichen Niveau bis leicht besser. Ob hier die 1mm-Pads nicht von dem höheren Anpressdruck profitieren, oder ob die etwas dünneren Pads (geringeres dT durch Wärmeleitung) den geringeren Anpressdruck kompensieren, kann so nicht bestimmt werden. Auch könnten die 0,75mm-Pads generell einen geringeren Wärmeleitungswiderstand aufweisen. Hierbei könnte ein weiterer Test mit der 1mm-Variante der gpufix-Wärmeleitpads Aufschluss bringen. Wobei letzteres aus meiner Sicht rein akademischer Natur wäre, da dann das dT bei der GPU wieder deutlich höher ausfallen würde.
Bei der RTX 4090 FE haben beide Kühler zwar deutlich höher dT-Werte für den VRam erreicht, aber dort noch genauer auf dem gleichen Niveau. Der große Unterschied zwischen RTX 4090 TUF und RTX4090 FE dürfte in der absoluten Genauigkeit der verbauten VRam-Module auf den Karten liegen. Zur Erinnerung: Der Temperaturwert, der vom Treiber für die VRAM-Module ausgegeben wird, entspricht immer dem Wert des gerade wärmsten Moduls.
Schlusswort
Die Analyse der Höhendaten hat den Schluss nahe gelegt, das die höheren dT-Werte für die GPU bei der RTX 4090 TUF durch die geometrische Auslegung des Core bedingt sind.
Durch die Verwendung dünnerer Pads (0,75mm) beim Core ist es dann tatsächlich möglich gewesen, auf dieser RTX 4090 TUF die gleichen dT GPU-Werte zu erzielen wie zuvor auf der RTX 4090 FE.
Der HK V Pro dagegen hat durch seine geometrische Auslegung und unter Verwendung der mitgelieferten Wärmeleitpads quasi „Out-Of-The-Box“ bei beiden Karten dT-GPU Werte auf dem gleichen sehr guten Temperaturniveau erreicht.
Eine Beurteilung, ob es nun sinniger wäre, den Core geometrisch anders auszulegen oder es dem Nutzer zu überlassen, bei Bedarf selbst andere Pads zu verbauen, möchte ich nicht vornehmen. Dafür ist meine Stichprobe mit nur 3 Karten einfach zu gering.