Gaming-Notebook: Kühler, schneller, leiser? Undervolting und repaste ausprobiert

In diesem Beitrag erfahrt ihr, welche Temperatur- und Leistungsunterschiede bei meinem Notebook ich mit reduzierter Prozessorspannung (undervolting) und nach dem Entstauben mit neu aufgetragener Wärmeleitpaste (repaste) gemessen habe und ob sich das auf die Framerate auswirkt.

Leistungsfähige Notebooks haben oft einen Haken: Unter Volllast werden sie schnell heiß, was einfach der kompakten Bauweise geschuldet ist. Das hat zur Folge, dass die Lüfter aufdrehen und der Prozessor oder die Grafikeinheit sich runtertakten müssen, um nicht zu überhitzen („thermal throttling“). Ein weiterer Faktor ist, dass sich CPU und GPU einen Kühlkörper teilen, weshalb sich die Komponenten gegenseitig erhitzen können. Dies kann messbare Leistungseinbußen haben (z.B. in Form von Einbrüchen bei der Framerate) und ist nicht unbedingt förderlich für die Lebensdauer der Hardware. Manche Modelle bieten die technische Möglichkeit und den Spielraum, die Versorgungsspannung des Prozessors zu reduzieren („undervolting“). Die Idee dahinter ist recht simpel: Weniger Saft gleich weniger Abwärme. Gerade Notebook-Modelle, die schon etwas älter sind und bei aktuellen Titeln an ihre Grenzen kommen, können von diesen Maßnahmen profitieren!

Ich habe vor einiger Zeit ein solches 15″ Notebook gebraucht erworben, welches zwar per se nicht als Gaming-Notebook verkauft wurde, aber die technischen Eigenschaften besitzt. Es stammt von ca. 2019 und hat einen Intel Core i7-8750H (Basistakt 2,2 GHz, Turbo bis 4,1 GHz) sowie eine NVIDIA RTX 2060 (90W) verbaut. Im Energieprofil Höchstleistung drehen die Lüfter schnell auf und in Benchmarks oder anspruchsvolleren Spielen wie Red Dead Redemption 2 oder Battlefield 1 bewegt sich die Spitzentemperatur (CPU) nach einiger Zeit im Bereich von 92-98°C (< 100 °C sind aber innerhalb der Spezifikation!). Ich bin kein Vielspieler und habe in diesen Titeln auch keine Probleme mit der Framerate, aber alleine die Möglichkeit, meine Gerät noch weiter zu optimieren, hat mich neugierig gemacht 🙂

Undervolting

Um euch das eingangs beschriebene Phänomen an meinen Notebook zu zeigen, habe ich hier einen Screenshot aus dem Monitoring gemacht:

Unter dem Energieplan „Höchstleistung“ hält Windows die Taktfrequenz des Prozessors dauerhaft auf Turbo-Niveau von bis zu 4,1 GHz (1) bei einer Temperatur von um die 48°C. Sobald ich den Stresstest mit Prime95 starte, steigt die Temperatur schnell auf >90°C, so dass die CPU schon nach wenigen Sekunden den Turbo reduzieren muss (3) und immer wieder auf den Basistakt (4) zurückfällt, um nicht zu überhitzen.

Zum Reduzieren der CPU Spannung nutze ich ThrottleStop. Ich habe beim Schreiben gemerkt, dass dieser Beitrag zu lange wird, wenn ich jeden Schritt einzeln erläutere, deshalb habe ich an dieser Stelle zusammengefasst. Ich habe mich dabei an diesem Beitrag bei techpowerup orientiert. Wenn euch Details interessieren, hinterlasst mir einen Kommentar!

Ich habe zunächst SpeedStep de- und Speed Shift aktiviert. Der Wert von 32 entspricht ungefähr meinem Basistakt von 2,2 GHz und ist für mich ein guter Kompromiss zwischen Stromsparen und „Bereitschaft“. Nun zum Untervolting im Reiter „FIVR“. Voreingestellt sind bei meinem Notebook -50 mV bei CPU Core und CPU Cache, ich habe nun für meinen Test bei 0 angefangen und schrittweise vorsichtig reduziert (-50, -70, -100, -110, …). Nach jeder Änderung habe ich einen 10 minütigen Durchlauf mit Cinebench gemacht, um die Veränderung zu bewerten und zu schauen ob der Rechner abstürzt. Dabei bin ich zunächst, wie empfohlen, mit beiden Reglern gleichzeitig runtergegangen und nach dem ersten Absturz mit dem CPU Cache bei -160mV bin ich wieder ein Stück zurück und nur mit der Core Spannung weiter runter gegangen.

Nachdem ich die letzte stabile Einstellung gefunden hatte, habe ich die ThrottleStop Benchmark (960M, Fixed) laufen lassen, wobei das System zwar nicht abgestürzt ist – aber Fehler gefunden wurden. Nachdem ich die Cache Spannung wieder ein Stück erhöht hatte, war es dann OK. Danach habe ich Prime95 im Torture Test für ca. eine halbe Stunde laufen lassen und das ganze dann nochmal kombiniert im Stresstest, mit einer GPU Benchmark wie Unigine Superposition oder Furmark und auch nochmal testweise im Akkubetrieb. Soweit alle stabil (wie weit man gehen kann ist ja immer etwas individuell vom Chip abhängig und ein Stück weit Glückssache). Ich habe währenddessen Daten mit hwinfo64 aufgezeichnet und die Daten in Excel visuell etwas aufbereitet:

Einfache Zahlen = CPU Core und CPU Cache Spannung sind gleich gewählt, danach angegeben als CPU Core / CPU Cache, *erster BSOD, **ab hier kein Thermal Throttling mehr, ***Errors in der TS Bench, X = gewählte stabile Einstellung

Wie ihr an den Diagrammen erkennen könnt, habe ich beim ersten Durchlauf in Cinebench R23 eine durchschnittliche Taktrate von 3150 MHz bei einer Temperatur von bis zu 96°C und einem Stromverbrauch von bis zu 87W. Schon nach den ersten UV-Schritten sind deutliche Verbesserungen zu erkennen. Bei den gewählten Werten (CPU Core -220 mV, CPU Cache) komme ich auf eine Taktfrequenz von 3688 MHz bei 88°C bei nur noch 71W. Das entspricht einem Leistungszuwachs von +538 MHz (17%) im Schnitt und die CPU ist dabei auch noch 8°C kühler! Ich habe mich bewusst nicht für die höchste gezeigte Option entschieden, da ich zum einen etwas „Sicherheitsabstand“ zur letzten Crash-Einstellung haben wollte und zum anderen die Kurve gegen Ende abflacht und es aus meiner Sicht keinen nennenswerten Vorteil gebracht hätte.

Außerdem möchte ich mit euch noch die Benchmark-Ergebnisse teilen. CPU-Z hat bei mir keinen nennenswerten Unterschied gezeigt, deshalb hier nur die Ergebnisse von Cinebench (Multicore), 3DMark und der Benchmark von Read Dead Redemption 2.

Bei 3DMark TimeSpy fällt der Unterschied eher gering aus, was wohl daran liegt, dass die CPU-Benchmark nur einen Teil des Gesamtbewertung ausmacht. Deutlicher dagegen ist der Unterschied in der Renderbenchmark Cinebench R23, dort konnte ich durch das Undervolting +1081 Punkte in der Bewertung gewinnen, was einem Leistungszuwachs von ungefähr 15% entspricht. Bei RDR2 in der integrierten Benchmark ist immerhin ein FPS-Zuwachs von 4-10 Frames je nach Szene zu erkennen. Interessant wird es hier eher bei den Temperaturen: Während die CPU bei der ersten Messung Temperaturen bis zu 96°C erreicht hat und die Leistung drosseln musste, bleibt die Temperatur nach dem Undervolting bei unter 89°C. Deutlich kühler, das habe ich auch an der Lüfterdrehzahl gemerkt!

Zum Schluss noch einmal der Graph der Prozessorauslastung unter Volllast mit Prime95. Wie ihr seht, kann die CPU nun einen deutlich höheren Boost-Takt halten (4), ohne dass „thermal throttling“ eintritt.

Im Leerkauf schwankt die Taktfrequenz dank SpeedStep nun zwischen 1,1 – 2,1 GHz. Nach dem Start der Benchmark erreicht die CPU zunächst einen Turbo von 4 GHz (3), die Temperatur steigt dabei auf bis zu 92°C. Der Turbo fällt nach einiger Zeit (nur noch) auf ca. 3,2 GHz zurück.

Lüfter reinigen und Austausch der Wärmeleitpaste

Bei hohen Temperaturen soll es helfen, den Lüfter zu entstauben und die Wärmeleitpaste (WLP) zu erneuern (repasting), da diese bei der Fertigung ungleichmäßig aufgetragen, qualitativ minderwertig oder einfach zu alt sein könnte. Mit der Zeit sammelt sich auch Staub im Lüfter und an den Kühllamellen an, was die Luftzirkulation beeinträchtigt. Ich habe mein TUXEDO Notebook (ca. 3 Jahre alt) demontiert, gereinigt und die WLP neu aufgetragen, um zu schauen, ob es einen Unterschied macht.

Das Vorgehen ist bei den meisten Notebooks sehr ähnlich, trotzdem gibt es gerade bei dem Öffnen des Gehäuses je nach Modell einige Besonderheiten zu beachten. Meist finde ich auf YouTube ein Video, wo das entsprechende Gerät schon einmal geöffnet wurde. Ein Set mit passendem Werkzeug ist auch sehr hilfreich, besonders die Plastikclips zum schonenden Öffnen der Gehäuseabdeckung.

Ich habe das Notebook von der Rückseite aus geöffnet. Zu Erkennen ist im zweiten Bild, dass die Kupfer-Heatpipes von CPU und GPU miteinander verbunden sind, also ein „Wärmeaustausch“ stattfindet. Besonders im Lüfter der GPU hing viel staub (Bild 3). Nach dem Entfernen des Kühlsystems kamen die CPU und die GPU zum Vorschein. Die WLP bei der GPU war mittig angetrocknet, bei der CPU hat in der rechten unten Ecke etwas WLP gefehlt, was aber auch beim Entfernen des Kühlsystems hängen geblieben sein könnte (Bild 4). Auch in den Lamellen des Radiators hing viel Staub, mehr als bei den Lüftern. Nach dem Entstauben der Hauptplatine und dem Entfernen der alten WLP habe ich eine frische Schicht mit Arctic MX-4 Wärmeleitpaste aufgetragen und die Lüfter geöffnet, um sie vorsichtig mit einem Pinsel zu reinigen.

Nach dem Zusammenbauen habe ich noch einmal stichprobenartig die Benchmarks durchlaufen lassen, um sie mit den bisherigen Messwerten zu vergleichen. Und oho!

In allen Messungen sind die Temperaturen deutlich niedriger ausgefallen als zuvor und bleiben unter dem kritischen Bereich von >90°C. Besonders beeindruckt hat mich der Temperaturunterschied ohne Undervolting (Bild 1). Im Leerlauf sowie in der 3DMark TimeSpy Benchmark sind die Maximaltemperaturen 10°C niedriger als zuvor! Auch bei der GPU Benchmark Superposition ist ein deutlicher Unterschied bei den Temperaturen zu erkennen, obwohl der Hitzestau bisher eigentlich eher die CPU betroffen hat. Das wirkt sich auch auf die Leistung aus. In Cinebench R23 (Multicore, 10 Minuten) ist zum ersten Mal, selbst ohne undervolting, kein thermal throttling mehr aufgetreten. Mit aktiviertem uv-Profil (siehe Teil 1 des Beitrags) konnte dort ich die durchschnittl. Taktfrequenz noch einmal um ca 100 MHz steigern (Bild 3), was sich auch positiv auf die Bewertung ausgewirkt hat (Stock +100 Punkte, mit uv + 200 Punkte).

Fazit

Auf die Frage, ob sich die ganze Mühe nun gelohnt hat (das Benchmarken und Dokumentieren hat schon einige Zeit in Anspruch genommen), würde ich definitiv mit JA antworten. Was den beachtlichen Unterschied nach der Reinigung ausgemacht hat, kann ich nicht eindeutig identifizieren, ich vermute es war schlicht eine Kombination der Eingangs erwähnten Probleme mit dem Staub und der Wärmeleitpaste. Ich habe für diesen Beitrag mit dem undervolting angefangen, weil es schlicht und einfach bequemer zu machen war, in der Praxis würde ich das Reinigen und Tauschen der WLP im Sinne eines ursächlichen Lösungsansatzes vermutlich vorziehen. Aber selbst, wenn dies nicht den entscheidenden Unterschied machen sollte, lässt sich – je nach Hardware – durch das undervolting noch etwas mehr Leistung rausholen. Ich denke davon profitieren gerade die Notebooks, die jetzt langsam in den Jahre – und bei aktuellen Titeln so langsam an ihre Grenzen kommen. Und die reduzierten Temperaturen werden der Hardware langfristig zugute kommen und das Gerät leiser machen.

XBOX One Kühlung – Wärmeleitpaste und Lüftermod

Zuletzt habe ich unsere XBOX One wieder rausgekramt, die wir uns damals gemeinsam mit The Witcher 3 angeschafft hatten. Sie hat inzwischen schon ein paar Macken, zum Beispiel stottert der Sound gelegentlich und die Ladezeiten diverser Titel sind recht lange. Auch wenn Ende des Jahres aller Voraussicht nach die nächste Konsolengeneration erscheinen wird: Zurücksetzen wollte ich sie sowieso schon länger einmal. Via reddit bin ich zufällig auf ein Thema gestoßen, wo der Einbau eines Dritthersteller-Lüfters zu Gunsten der Lautstärke und Betriebstemperatur diskutiert wurde [1]. Da mich das Thema interessiert hat, habe ich etwas mehr über das Modding der XBOX recherchiert und dabei erfahren, dass das Austauschen der internen Festplatte durch eine SSD wohl auch ganz einfach zu machen sei und einen Geschwindigkeitsvorteil mit sich bringt. [2] Also, los gehts!

Im ersten Beitrag dieser zweiteiligen Serie möchte ich euch zeigen, wie ich die Kühlung meiner XBOX One (2015) verbessert und den Betrieb leiser gemacht habe.

Demontage und Reinigung

Meine Beschreibung bezieht sich auf die erste Generation der XBOX One, das Vorgehen bei der neueren S-Version scheint aber weitestgehend gleich zu sein. Durch das Öffnen des Konsolengehäuses (das Entfernen des Microsoft-Siegels an der Rückseite) verliert ihr euren eventuell noch vorhandenen Garantieanspruch. Ihr handelt auf eigenes Risiko!

Für die Demontage der einzelnen Hardware-Komponente benötigt ihr als Werkzeug zwei verschiedene Torx-Schraubendreher sowie mindestens einen Gehäuseöffner aus Plastik (ein stumpfes Messer wird es auch tun).

Das Öffnen der XBOX ist eigentlich super einfach. Die äußere Abdeckung umschließt die Hardware nach dem Sandwich-Prinzip. Die größte Hürde besteht meiner Meinung nach darin, das Plastikgehäuse zu öffnen. Dieses ist ähnlich wie bei Notebooks zusammengeclipt. Als erstes eine eventuell eingelegte Disk entfernen und das Gerät vom Netz trennen. Ist die Abdeckung erst einmal entfernt, können die einzelnen Komponente Stück für Stück mit den Torx-Schraubendrehern entfernt werden und nach dem Öffnen des oberen Metall-Case ist der Blick auf die Hardware frei. Festplatte, BluRay-Laufwerk und Lüfter sind nur aufgesteckt und schnell ausgebaut. Den gesamten Prozess im Fließtext zu beschreiben, finde ich sehr umständlich. Ich empfehle euch dazu einfach folgendes Demontage-Video, welches mir selbst geholfen hat:

Habt ihr die Platine aus dem Metall-Gehäuse gelöst, kann nun der Kühler entfernt und so der Rechenkern freigelegt werden. Dazu muss die auf der Rückseite der Hauptplatine aufgespannte X-Klemme des Radiators von den vier Pins gelöst werden. Das ist etwas heikel, da die Halterungen dicht über der Platine liegen! Um das Board nicht zu verkratzen, habe ich vorsichtshalber etwas untergelegt. Die Metall-Clips habe ich relativ leicht entfernt, in dem ich einen Schlitz-Schraubendreher eingehakt und den Clip entgegen dem Uhrzeigersinn drehend vom Pin gelöst habe.

sauber gemacht

Da ihr nun alle erforderlichen Teile demontiert habt, könnt ihr diese mit einem Pinsel und etwas Druckluft leicht entstauben. Auch die Radiatorlamellen sollten frei sein, damit die Abwärme gut abströmen kann. Zugegeben, nach fast 5 Jahren ist die Platine und der Lüfter weit weniger verstaubt als ich angenommen hatte, das kommt aber auch auf die Betriebsstunden und den Standort an.

Die alte Wärmeleitpaste habe ich vom Radiator und der CPU mit einem Tuch und etwas Reinigungsspiritus entfernt. Sie war bereits vertrocknet und meiner Meinung nach zu ungleichmäßig aufgetragen. Hier sollte doch noch was rauszuholen sein!

Neue Wärmeleitpaste

Gleiches Spiel wie beim PC: Im Prinzip tut es jede beliebige Wärmeleitpaste. Dennoch gibt es Unterschiede bei der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Produkte. Auch kann ich aus eigener Erfahrung sagen, dass sowohl die aufgetragene Menge als auch die Methode des Auftragens das Ergebnis erheblich beeinflussen kann.

Zum Einsatz kam die MX-4 von Arctic, welche zur Zeit bei vielen Händlern beworben wird. Aber auch mit Produkten von Thermal Grizzly [3] habe ich gute Erfahrungen gemacht.

Zum gleichmäßigen Verteilen der Paste habe ich einen alten Schaber benutzt. Dabei darauf achten, dass der Chip komplett bedeckt ist. Die Schicht sollte so aufgetragen werden, dass der Chip gerade nicht mehr darunter zu erkennen ist. Im Anschluss den Radiator gleichmäßig aufsetzen und mit dem X-Halter wieder auf der Platine befestigen.

Im Nachhinein habe ich auf den Bildern die ringförmig um den CPU angebrachten schwarzen Chips mit der Aufschrift „SAMSUNG“ entdeckt, wovon ich ausgehe, dass es sich um den RAM handelt und mich gefragt, ob man durch das zusätzliche Anbringen von z.B. Kupfer-Heatsinks eine noch bessere Wärmeabgabe erreichen könnte. Vielleicht teste ich das noch…

Lüftertausch

Wollt ihr den Lüfter tauschen, müsst ihr den Ersatz zunächst mit Werkzeug zurechtschneiden und damit in Form bringen, das Metallgehäuse lässt sich sonst nicht schließen.

Wenn man sich den originalen XBOX-Lüfter anschaut, sieht man, dass es sich um einen handelsüblichen 120mm PWM-Lüfter (4-Pin / 12V / 0,5A) handelt, wie er auch in PCs zu finden ist. Angeschlossen ist dieser über einen „kleinen“ PWM-Anschluss, wie er oft bei Grafikkarten zu finden ist. Nun habt ihr zwei Möglichkeiten: Entweder ihr kauft euch ein PWM zu VGA Adapterkabel (5€ im Internet), oder ihr nehmt einen Lötkolben, knipst die vier Kabel durch und verwendet den Originalkabelbaum des XBOX-Lüfters, so wie ich es bei meiner VEGA 64 Lüftermod gemacht habe. Die Kabelbelegung sieht bei einem 4-PIN PWM Lüfter normalerweise so aus:

Da der XBOX-Serienlüfter komplett schwarz ist, müsst ihr die Belegung wahrscheinlich ausprobieren. Ich habe mich dieses Mal für die lötfreie Option entschieden, da ich noch einen solchen PWM-Adapter zuhause hatte.

Im Prinzip hat man freie Wahl was den Hersteller angeht. Da ich bereits mit Noctua gute Erfahrung gemacht hatte, habe ich mich für einen Noctua NF-F12 entschieden. Das Modell hat die gleiche Leistungsaufnahme wie der Serienlüfter der XBOX. Hitzeprobleme hatte ich nicht akut bei der XBOX, deswegen war mir bei der Auswahl der geringe Geräuschpegel wichtiger.

Der neue 120mm Lüfter passt genau auf den Radiator, auch wenn er nicht die passende Clip-Halterung dafür hat. Mein NF-F12 Modell ist zusätzlich noch mit einer „Anti-Vibrations-„Gummibefestigung versehen, welches dem Lüfter einen rutschfesten Halt gibt.

Zunächst habe ich die Funktion des neue Lüfters getestet, indem ich die das entfernte WLAN-Modul, Lautsprecher und das Frontalpanel wieder verbunden und die XBOX im offenen Zustand gestartet habe. Dabei habe ich besonders darauf achtet, ob die PWM-Steuerung funktioniert und der Lüfter auch bei niedriger Drehzahl zuverlässig läuft, da im oben erwähnten reddit [1] berichtet wurde, dies hätte nicht mit jedem getesteten Lüfter geklappt.

Den Airflow beachten

Vor der Demontage dachte ich, der Lüfter würde, wie bei PCs üblich, die kühle Luft durch den Radiator pusten, da lag ich allerdings falsch. Da solltet ihr bei der Montage des neuen Lüfters aufpassen, falls ihr diesen wie ich zurechtschneiden wollt:

Nach dem Öffnen der Abdeckung wird mir klar – und das ist auch logisch: Der obere Lüfter saugt die Luft über die Seiten der XBOX über die periphere Komponenten auf dem Mainboard an, durch den Radiator hindurch und gibt die Abwärme über die Oberseite ab. Entsprechend der Ausrichtung der Gehäuse-Lamellen habe ich den Luftstrom mithilfe der seitlich aufgetragenen Markierungen noch oben hinten (↑→) ausgerichtet.

was nicht passt, wird passend gemacht

Bei der ersten Anprobe musste ich feststellen, dass der Lüfter zwar gut sitzt, sich das innere Metall-Case aber so nicht mehr schließen lassen würde, da dieses eine spezielle 120mm Aussparung mit Gummipolsterung für den Lüfter hat. Erst habe ich überlegt, die obere Metallabdeckung wegzulassen, aber da dort die WLAN-Antenne befestigt ist und das Gehäuse sicher auch ein Dämmfaktor bei der Geräuschemission ist, habe ich mir kurzerhand eine Metallsäge und -feile geschnappt und die oberen vier Ecken des Noctua-Lüfters abgesägt und abgerundet, was nur wenige Minuten dauerte und ein recht zufriedenstellendes Ergebnis erzeugt hat.

Die abgerundeten Ecken sollten genau auf den Schaumstoffring der Gehäuseöffnung passen, damit es nicht zur Vibrationsübertragung auf das Metall kommt (s. Bild). Nach einer kurzen Anprobe habe ich den Lüfter dann mit vier Kabelbindern auf den Radiator geschnallt und die XBOX entsprechend den vorhergehenden Demontage-Schritten wieder zusammengeschraubt.

Beobachtung und Fazit

Über die XBOX-Software gibt es keine Möglichkeit, die Temperaturen auszulesen und auch ein Infrarot-Thermometer habe ich nicht. Da bleibt nur der subjektive Eindruck. Und der überzeugt!

Wenn ich bei eingeschalteter XBOX die Hand über den aufsteigende Abluft halte, ist dieser bereits im Leerlauf (minimale Drehzahl) deutlich wärmer, der Radiator dabei nur lauwarm. Unter Last (aktueller Titel wie RDR2 oder Tomb Raider) erhöht sich die Lüfterdrehzahl dann leicht, was aber bei dem Noctua nicht zu hören ist. Auch beim längeren Spielen vom Sofa aus kann ich die Konsole nicht hören (abgesehen vom Lüfter des Netzteils!).

Daraus schließe ich, dass die erneuerte (und wahrscheinlich auch qualitativere) Wärmeleitpaste die Hitze wesentlich schneller an den Radiator abgibt und der neue Noctua-Lüfter mit seinem optimierten Luftstrom im Vergleich zum Serienlüfter wohl auch bei gleichem Aufwand mehr Luft pro Minute durch die XBOX bewegen kann (da keine Ruckler oder Microtearing beim Spielen auftreten, gehe ich nicht davon aus, dass die XBOX sich wegen Überhitzung heruntertaktet).

Im zweiten Beitrag werde ich berichten, wie ich die interne Festplatte durch eine SSD getauscht habe. Das war um einiges komplizierter, als ich zunächst angenommen hatte. Schaut demnächst wieder vorbei oder abonniert einfach den Blog per Mail, wenn ihr wissen wollt, wie es weiter geht… →