Vergleichstest: 3 Wasserkühler für die GeForce RTX 4090 Founders Edition

Dies ist meine erste Veröffentlichung auf „hardware-helden.de“. Die erste Grafikkarte, die ich mit einem Wasserkühler versehen habe, ist die GeForce 8800 GTX gewesen. Seitdem folgten viele weitere Umbauten.

Da bei mir immer auch das Auge mitkühlt, ist die Auswahl für diesen Test auf der Basis dessen gefallen, welche Kühler mir potentiell optisch gefallen:

• ekwb EK-Quantum Vector² FE RTX 4090 D-RGB – Nickel + Plexi
• Alphacool Core Geforce RTX 4090 Founders Edition mit Backplate
• WATERCOOL HEATKILLER V PRO for RTX 4090 FE – ACRYL Ni-Bl aRGB

Bilder von der Montage der Kühler

Da ich finde, dass es viel zu wenig Bilder zum Umbau von luftgekühlten Grafikkarten auf wassergekühlte gibt, hier nun vorrangig Bilder davon.

In der Regel habe ich bisher immer direkt bei der Montage kontrolliert, wie die Verteilung der Wärmeleitpaste ist. Bei diesem Test ist es ebenso gelaufen und dies sind die Bilder der Abdrücke der Wärmeleitpaste auf GPU und Kühler:

Testdurchführung

Es sind 3 unterschiedliche Verbrauchsszenarien getestet worden

• 450W mit Standardeinstellungen
• 580W mit Übertaktung und Spannungserhöhung
• 350W durch Undervolting (Hinweis: Zur Durchfühung dieses Tests habe ich mich erst später entschieden und daher gibt es für den Vector²-Kühler keine 350W-Ergebnisse)

Komponenten im Kreislauf

Die Reihenfolge in der Aufzählung spiegelt direkt die Reihenfolge der Komponententen im Kreislauf wieder:

1. Calitemp digitaler Temperatursensor Innen-/Außengewinde G1/4 für aquaero 5/6 (Vorlauftemperatur)
2. Durchflusssensor high flow NEXT, G1/4
3. HEATKILLER Tube 150
4. D5 NEXT Pumpe mit ULTITOP D5 MIRROR BLACK Pumpenadapter für D5-Pumpen, G1/4
5. cuplex kryos NEXT RGBpx black 1200/1156/1155/1151/1150, Acryl/Nickel
6. GPU-Wasserkühler mit Calitemp (eingeschraubt in einen drehbaren Fitting) am Eingangsport des Wasserkühlers
7. alternativ zu 6. bei der Durchflussermittelung ohne GPU-Wasserkühler: Schlauchstück mit Schottdurchführung und 2 Fittingen
8. Calitemp digitaler Temperatursensor Innen-/Außengewinde G1/4 für aquaero 5/6 (eingeschraubt an der Slotdurchführung nach dem GPU-Wasserkühler)
9. CPC NS6 Schnellverbinder
10. MO-RA3 420 LT black mit 4x Noctua NF-A20 PWM chromax.black.swap 800rpm (200x200x30mm)
11. CPC NS6 Schnellverbinder
12. 16/10er Fittingen von EK

Als Kühlmittel ist Innovatek Protect im Einsatz.

Messwertaufnahme

Der Calitemp am Eingangsport ist über einen drehbaren Fitting montiert. Dies ist aus den folgenden Gründen so umgesetzt:

• Freigängigkeit bei manchen Kühlern sonst nicht gewährleistet
• elektrischer Anschluss lässt sich immer passend zur Leitungsführung positionieren
• Gleiche Rahmenbedingungen für alle Kühler

Die Grafikkarte ist bei jedem Kühler vertikal mit einem Riserkabel montiert worden.

Die Calitemp-Temperatursensoren sind über den Aquabus an einem Aquaero 6 Pro angeschlossen. Die zur Wasserkühlung gehörenden Messwerte sind über die Aquasuite aufgzeichnet worden.
Die Temperaturen und Verbrauchswerte der Grafikkarte sind mit GPU-Z aus den Sensoren der Grafikkarte ausgelesen worden. Zu Beginn jeder Messreihe und nach einer Änderung der Pumpenleistung ist immer abewartet worden, bis sich der Wasserkreislauf wieder eingependelt hat. Damit ist gemeint, dass die Wassertemperaturen nicht mehr ansteigen oder abfallen. Nachfolgend sind die Werte über eine Dauer von 5 Minuten gemittelt worden.

Betrachtungen zum Durchfluss

Beim Kreislauf ohne GPU-Kühler, mit dem Vector² und dem HK V Pro GPU-Kühlern hat die Pumpe bei 100% Pumpenleistung im Vergleich zu 90% keine weitere Erhöhung des Durchflusses erreicht.

Einzig der Core reduziert den Durchfluss so sehr, so dass dieser deutlich niedriger liegt und kein Knick zu sehen ist. Nachfolgend wird auf die Datenpunkte bei 100% verzichtet. Bezogen auf den Durchfluss ohne GPU-Kühler reduzieren sich die Durchflüsse wie folgt:

Der Durchfluss ändert sich wie folgt:

• Vector²: im Mittel gerundet um -18%
• HK V Pro: im Mittel gerundet um -17%
• Core: im Mittel gerundet um -30%

Tatsächlich ist dieser Vergleich wohl eher akademischer Natur, da die wenigsten Interessenten von einem Kreislauf ohne GPU-Kühler auf einen mit wechseln. Daher ist es vielleicht interessanter, wenn man die Pumpenleistung über dem Durchfluss aufträgt:

Um in diesem Kreislauf mit dem Core 100l/h zu erreichen, sind knapp über 60% Pumpenleistung notwendig, während bei den anderen beiden Kühlern hierfür etwas weniger als 50% benötigt werden. Mit 100% Pumpenleistung sind beim Core noch 144l/h erreicht worden. Für den gleichen Durchfluss wären bei den anderen beiden Kühlern nur 76 bzw. 80% notwendig.

Temperaturergebnisse bei ca. 430W Board Power Draw (Powerlimit = 450W)

Bei diesen Tests ist die RTX 4090 FE mit ihren Standardeinstellungen (keine Takt-, Spannungs- oder Powerlimit-Anpassung) mit dem MSI Kombustor 4 belastet worden. Dies sind die gewählten Einstellungen:

Verbrauchswerte

Im Mittel haben sich dabei im Rahmen der Messgenauigkeit für den HK V Pro und den Core identische Verbräuche ergeben, während beim Vector² in Relation dazu eine größere Abweichung nach unten vorliegt. Deshalb noch ein Blick auf die einzelnen Verbrauchswerte aufgetragen über dem Durchfluss:

Bei dieser Betrachtung kann man dann erkennen, dass beim Vector² im niedrigen Durchflussbereich bis ca. 100l/h der mittlere Gesamtverbrauch bei nur 415W liegt. Darüber hinaus liegt er mit 425W dann auf dem gleichen Niveau wie bei den anderen beiden Kühlern. Beim HK V Pro und dem Core sind die Verläufe über dem gesamten Durchflussbereich quasi deckungsgleich. Bei der Betrachtung des Verbrauchs für den Chip alleine zeigen sich die gleichen Verläufe:

Neben der Eigenschaften des Kühlers spielt natürlich auch die abzuführende Wärmemenge eine Rolle bei dem sich einstellenden Temperaturdelta dT (Differenz Temperatur zu kühlendes Bauteil – Temperatur Wasser im Zufluss). Das ist auch der Grund, warum ich die Verbrauchswerte im Vergleich betrachte. Hätte der eine Kühler einen geringeren Verbrauch als ein anderer, so kann er tendenziell auch ein begünstigtes kleineres Temperaturdelta erreichen. Die Betrachtung der Temperaturdeltas könnte nachfolgend aber auch einen Aufschluss dazu liefern, warum der Vector² bei niedrigeren Durchflüssen andere Verbrauchswerte hatte als der HK V Pro und der Core.

Temperaturdeltas

Temperaturdelta dT GPU

Aber nun zum Temperaturdelta für den GPU-Chip selbst:

Der HK V Pro erreicht bei der GPU über den gesamten Durchflussbereich die kleinsten und damit besten dT-Werte. Der Core liegt im Mittelfeld der 3 Kühler und der Vector² bildet das Schlusslicht.

Relative Verläufe von dT GPU

Durch die unterschiedlichen Durchflusswiderstände der Kühler haben sich für die gleichen Pumpeneinstellungen nicht genau die gleichen Durchflüsse ergeben. Es hätte einen recht hohen Aufwand bedeutet, bei der Messung für jeden Kühler immer genau den gleichen Durchflusswert zu treffen. Um alle Kühler aber doch für bestimmte Durchflüsse in Relation setzen zu können, habe ich die Trendlinienfunktion von Excel genutzt. Hier dargestellt am Beispiel der Werte des Core:

Excel liefert neben der Gleichung aus das Bestimmtheitsmaß R². Bei Verwendung eines Polynoms 2. Grades ist das Bestimmtheitmaß R² mit 0,997 meiner Meinung nach sehr gut. In dem Bereich, in dem auch tatsächliche Messwerte vorliegen, ist die Deckung auch sehr gut. Aber gerade im hohen Durchflussbereich kann man erkennen, das dort das dT wieder ansteigen würde, was physikalisch gesehen keinen Sinn hat. Diese Funktion ist also eher nicht dazu geeignet, in niedrigere und höhere Durchflussbereiche zu extrapolieren. Hier noch die Abweichungen der berechneten Werte zu den gemessenen Werten in Zahlen:

Für die nun relative Gegenüberstellung habe ich mein Excel-Tabellenblatt so angelegt, so dass ich jeden der 3 Kühler als Referenz („0-Linie“) verwenden kann:

Bei Verwendung des Core als Referenz sieht man, dass das dT des Vector² über den Bereich von 40-140l/h ziemlich konstant um 2,49K höher ist. Der HK V Pro liefert bei 140l/h ein um -1,7K geringeres dT als der Core. Im Vergleich zum Core legt der HK V Pro aber gerade mit abnehmendem Durchfluss zu bzw. dessen dT nimmt weniger stark zu und bei 40l/h ist es um -5,3K geringer.

Beim HK V Pro beträgt die Differenz zwischen GPU Hotspot und der mittleren GPU-Temperatur über den gesamten Durchflussbereich recht konstante 8K, während der Vector² auf ca. 9,9K und der Core auf 10,5K kommt. Obwohl das dT beim Vector² am größten ist, ist die Differenz zur Hotspot-Temperatur etwas geringer als beim Core. Dies könnte ein Hinweis darauf sein, dass der Vector² eher wegen dem Wärmeübergang vom Kühler auf das Kühlmedium (Finnenstruktur) zurückfällt, als wegen dem Übergang zwischen Chip und Kühler.

Ursachenforschung für den abweichenden Verbrauch beim Vector²

Da dieses Thema vielleicht nicht für alle Leser interessant ist, habe ich versucht, es durch die Verwendung einer Galerie für die diversen Diagramme, etwas kompatker zu halten.

Beim Vector² sind die dT-GPU-Werte am höchsten und damit besteht eine große Chance, dass die GPU auch absolut am wärmsten wird (siehe nachfolgende Gallerie). Tatsächlich liegt der Vector² in niedrigen Durchflussbereichen dort sehr nahe am Core und man kann erneut einen Knick im Verlauf bei ca. 110l/h erkennen. Da neben der Temperatur und der Auslastung auch die Taktrate einen Einfluss auf den Verbauch hat, habe ich mir dann diese noch im Vergleich angesehen (ebenfalls nachfolgende Galerie). Dort hat die GPU mit dem Vector² zum einen mit 2700MHz einen höheren Takt als mit den anderen beiden Kühlern. Auch ist die Karte mit dem Vector² in diesem Bereich völlig konstant und beim Überschreiten von 110l/h fällt der Takt ab und variiert. Beim Core und dem HK V Pro nimmt der Takt mit zunehmendem Durchfluss zu, was daher kommen dürfte, dass die Temperaturen mit dem Durchfluss abnehmen. Der Ansatz, dass sich der teilweise geringere Verbrauch beim Vector² durch höhere Temperaturen ergibt, hat sich damit nicht bestätigt. Deshalb habe ich mir dann für den Vector² mehrere Temperaturverläufe in einem Diagramm aufgetragen (ebenfalls nachfolgende Galerie).

Man kann bei den absoluten Temperaturverläufen bei allen einen gewissen Knick um die 110l/h erkennen. Hier nun die konkreten Werte dazu:

Die Zimmertemperatur hat sich mit +0,3K quasi nicht geändert. Alle Wassertemperaturen zeigen mit ca. +0,9 bis +1K in etwa die gleiche Änderung wie die GPU (+0,8K). Unter Berücksichtigung all dieser Daten komme ich zu dem Ergebnis, dass der Sprung im Verbrauch keine Folge von Temperaturen ist, sondern das der Sprung bei den Temperaturen eine Folge des Sprungs im Verbrauch ist. Möglicherweise liegt der Sprung im Verbrauch damit eher bei einer Variation der 3D-Last.

Temperaturdelta Grafikkartenspeicher – dT VRam

Bei der Betrachtung der Temperaturdifferenz des VRams (jedes GDDR6X-Speichermodul hat einen eigenen Temperatursensor integriert und über GPU-Z lässt sich der Wert des wärmsten Modules auslesen) zur Temperatur des Wassers am GPU-Einlass ergibt sich dieses Bild:

Hier schafft es nun der Core mit dem HK V Pro gleichauf zu liegen. Der Vector² liegt im Mittel um nur ca. -3K zurück.

Temperaturergebnisse bei ca. 580W Board Power Draw (Powerlimit = 600W)

Da es sich bei der 450W-Testreihe teilweise nur um ein paar wenige Kelvin mehr oder weniger gehandelt hat, soll nun ein Test mit mehr Verbrauch zeigen, ob sich diese Unterschiede auch bei höherem Verbrauch bestätigen. Um das mit der RTX 4090 FE maximal mögliche Powerlimit von 600W möglichst weit auszunutzen, sind die folgenden Anpassungen vorgenommen worden

• Core Volate [%] im MSi Afterburner = 100%
• Power Limit [%] im MSi Afterburner = 133%
• Core Clock [MHz] im MSi Afterburner = +100
• Auflösung = 5120×2160 im MSi Kombustor
• Tesselation = X4 im MSi Kombustor

Da das grundlegende Vorgehen beim Test und bei Sichtung der Daten nun nach Lesen der 450W-Messreihe bekannt ist, habe ich die Darstellung der Ergebnisse nun etwas gerafft.

Im Mittel haben sich bei der 600W-Messreihe erneut quasi identische Verbräuche ergeben:

Für die GPU ergibt sich beim Core im Durchflussbereich 50-130l/h gemittelt ein um +4,3K größeres dT in Relation zum HK V Pro. Der Vector² fällt in Relation zum Core um weitere +4,1K zurück.

Beim dT VRam liegt der Core erneut gleichauf mit dem HK V Pro und der Vector² liegt um +5K zurück.

Da beim Test mit dem MSi Kombustor die Hauptlast auf der GPU liegt und weniger auf dem VRam, dürften die Speichermodule hauptsächlich durch die GPU erwärmt werden und nicht durch Eigenerwärmung. Von daher ist es auch plausibel, dass die dT Werte beim 600W-Test auch beim VRam höher ausfallen als beim 450W-Test.

Temperaturergebnisse bei ca. 350W Board Power Draw (Undervolting)

In dieser Testreihe soll es nun darum gehen, ob es bei praxisnaheren Verbräuchen immer noch nennenswerte Unterschiede gibt oder ob sich diese nun egalisieren. Der MSi Kombustor ist nun wieder so konfiguriert wie in der Eingangstestreihe mit 450W und der Verbrauch der RTX 4090 FE ist mittels Anpassung der Spannungs-Takt-Kurve über den MSi Afterburner auf ca. 350W reduziert worden.

Im Mittel haben sich auch hier quasi identische Verbräuche ergeben:

Für die GPU ergibt sich beim Core im Mittel (50-130l/h) ein um +2K größeres dT in Relation zum HK V Pro.

Beim VRam hingegen fällt das dT beim Core im Mittel um ca. -1K kleiner aus als beim HK V Pro.

Fazit

Dies ist zwar mein erster Test, den ich auf diesem Wege veröffentliche, es ist aber nicht der erste Test, den ich mit diesem Umfang durchgeführt habe. Beim Referenzdesign für die RTX 3090 hat es damals keinen eindeutigen Gewinner gegeben, da kein Kühler in allen Kategorien (dT GPU, dT VRam, Durchflusswiderstand) die besten Werte geliefert hat. Hier in diesem Test ist das Fazit einfacher zu ziehen. Wenn man die Kühler optisch mit der Vorgängergeneration vergleicht, überraschen mich persönlich die Ergebnisse auch wenig.

ekwb EK-Quantum Vector² FE RTX 4090 D-RGB – Nickel + Plexi

Der Vector², der quasi genauso aussieht wie in der Vorgängergeneration, liefert bei den dT Werten die höchsten Werte. Einzig beim Durchflusswiderstand liegt er auf einem Niveau mit dem HK V Pro. Da er preislich auch auf dem gleichen Niveau liegt wie der HK V Pro, wird es da bei der Preisleistung aus meiner Sicht etwas schwierig. Man muss dem Vector² aber zu Gute halten, dass er bei Veröffentlichung der RTX 4090 unter den ersten verfügbaren Kühlern gewesen ist. Aktuell ist die Variante mit normaler Backplate laut meinen Recherchen aber nicht mehr für die RTX 4090 Founders Edition direkt lieferbar. Die Ergebnisse dürfen aber sicher exemplarisch für andere Kühler dieser Bauart von ekwb stehen.

Herstellerlink EK-Quantum Vector² FE RTX 4090 D-RGB – Nickel + Plexi

Alphacool Core Geforce RTX 4090 Founders Edition mit Backplate

Bei Alphacool hat sich optisch zur Vorgängergeneration dagegen sehr viel getan, da der Aufbau der Kühler von dem für die RTX 3090/80 zu dem für die RTX 4090/80 deutlich geändert worden ist. Mit dem Core hat man das optische Design dann nochmal deutlich geändert. Während der Kühler bei der dT GPU recht mittig zwischen den beiden anderen Probanden liegt und bei der dT VRam auf dem gleichen Niveau mit dem HK V Pro und damit besser als der Vector² ist, fällt der Durchflusswiderstand am höchsten aus. Der Kaufpreis des Core ist etwas niedriger als der der anderen beiden Probanden. Ich habe keine direkten Werte für den Aurora auf der RTX 4090 FE. Auf der Basis meiner 450W-Messungen mit der RTX 4090 Frostbite kann man mit dem Aurora für die RTX 4090 FE vermutlich bei den Werten grob mit den gleichen Ergebnissen (+/-1K) rechnen. Wenn der Eisblock Aurora also optisch in Frage kommt und man sich an den Anschlussgewinden in Acryl nicht stört (mechanisch weniger belastbar als die Ausführung in Kupfer beim Core), kann man mit diesem eine bessere Preisleistung als mit dem Core erreichen, da der Aurora deutlich günstiger ist.

Herstellerlink Alphacool Core Geforce RTX 4090 Founders Edition mit Backplate

WATERCOOL HEATKILLER V PRO for RTX 4090 FE – ACRYL Ni-Bl aRGB

Beim HK V Pro könnte man in Sachen Optik auf die Idee kommen, dass sich grob seit den Kühlern für die GTX 1080Ti grundlegend nichts getan hat. Wenn man dann genauer hinschaut, stellt man fest, dass Abseits von Optimierungen in der Wasserführung, die Watercool bei jeder Generation vornimmt, doch eine recht große Änderung erfolgt ist. Für den Bereich, der in direktem Kontakt mit dem GPU-Chip steht, verwendet Watercool nun einen Einsatz, der separat gefertigt werden kann (andere Schlitzgeometrien sind möglich) und dann in die Hauptkühlerplatte mit einer Dichtung eingesetzt und verschraubt wird. Damit sind sie zwar nicht die ersten, Optimus ist es mit den Kühlern für die RTX 3090-Karten aber auch nicht gewesen. Der Hersteller Innovatek hat so einen Ansatz bereits bei den Kühlern für die GeForce 8800 GTX gewählt. Dies nur als kleiner Exkurs in die Historie von GPU-Wasserkühlern. Der HK V Pro liefert über alle 3 Testreihen (350W, 450W, 580W) bei dT GPU die besten Werte. Auch bei dT VRam sind sie am geringsten (der HK V Pro teilt sich hier das Podest mit dem Core). Diese Werte sind möglich ohne das man sie sich beim Durchflusswiderstand mit Nachteilen erkauft. Dieser ist nämlich geringer als beim Core und ähnlich gering wie beim Vector², der dem Augenschein nach, aber deutlich gröbere Finnen verwendet. Wer sich jetzt erst mit dem Kauf eines Kühlers beschäftigt und daher nun diesen Test liest, für den ist es natürlich auch nicht mehr relevant, dass man auf die Verfügbarkeit des HK V Pro doch ein kleines Stück warten musste.

Herstellerlink Watercool HEATKILLER V PRO FOR RTX 4090 FE – ACRYL NI-BL ARGB