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.

Umstieg auf AMD Ryzen: Preise, Bugs, Bechmarks, Übertaktung und Wasserkühlung

Da vor einigen Tagen meine bisherige Hauptplatine den Geist aufgegeben hat, habe ich mir nun neue, aktuellere Hardware zugelegt. Statt einem Intel Core i7 auf der LGA 1156 Sockel mit DDR3 RAM kommt nun ein

Ryzen 5 1500X (4 physische Kerne @3,5 GHz, bis zu 6 virtuelle Kerne) auf einem

MSi B350 Thunderbird zusammen mit

16 Gb Corsair (2×8 Gb) 3200MHz DDR4-SDRAM

ryzen02

Das MSi B350 Thunderbird mit dem Ryzen 5 1500X auf Sockel AM4

zum Einsatz. Das MSI Thunderbird scheint, zumindest laut meiner Recherche im Internet mit einem Einzelhandelspreis von 95€ eins der momentan günstigeren AM4 Sockel Hauptplatinen zu sein, welche aktuelle Funktionen (Chipsatz B350)  mit sich bringen und Übertaktung ermöglichen. Es wirkt solide verarbeitet, der PCIe Slot ist verstärkt, es unterstützt Crossfire und es gibt einen extra Stromanschluss für die WaKü-Pumpe!

Der AMD Ryzen Prozessor ist mit 183€ ebenfalls deutlich günstiger als ein vergleichbares Modell von Intel, zumal auch ein ordentlicher Originallüfter mitgeliefert wird. Den habe ich in meinem Fall aber nicht gebraucht. Ein weiteres großes Plus in dieser Hinsicht ist auch, dass die Ryzen-Generation grundsätzlich einen offenen Multiplikator mitbringt und somit das Overclocking spielend einfach bzw. überhaupt erst möglich macht. In einem Artikel von heise.de war von einzelnen Fällen auf Amazon zu lesen, in denen gefälschte Prozessoren verschickt wurden, dies war bei mir nicht der Fall.

Besonders zu Buche geschlagen hat der Arbeitsspeicher mit 156 €, hier habe ich bewusst einen etwas höher getakteten RAM ausgesucht, da dies angeblich die Performance des Ryzen maßgeblich beeinflusst, außerdem waren die beiden Riegel von Corsair auf der offiziellen Supportliste der Hauptplatine, es soll nämlich 3200 MHz RAM-Taktung unterstützen (oder auch nicht!).

Der Zusammenbau gestaltete sich weitgehend problemlos und einfach. Das macht einfach immer am meisten Spass! Lediglich der Einbau der WaKü war etwas umständlich, da man bei einer AiO Lösung die Schläuche nicht diskonnektieren kann.

 

Nicht ganz reibungslos

verlief die Einrichtung des Arbeitsspeichers. Dass ich mich schon seit längerer Zeit nicht mehr mit der Hardware auseinander gesetzt hatte, machte es natürlich nicht einfacher. Nach einem direkten UEFI-BIOS-Update zugunsten der Kompatibilität stellte ich nämlich im UEFI Menü fest, dass der für 3200 MHz ausgeschriebene Arbeitsspeicher nur mit 2333 MHz lief.

Also schnell die richtige Taktung, das Timing und die Spannung eingestellt – aber starten will der PC damit nicht: Beim Einschalten, noch vor Initialisierung des UEFI startet der Rechner wiederholt neu, bis nach 5 versuchen die UEFI Konfiguration zurückgesetzt wird. Und damit komme ich zurück in die Gegenwart, das geht nämlich immer noch nicht. Letztenendlich habe ich es geschafft, den Speichertakt auf 2666 MHz zu erhöhen, darunter bleibt der PC und Windows stabil, höher geht nicht ohne Absturz. Nach etwas Suchen im Internet habe ich herausgefunden, dass es wohl an zwei Sachen hängt:

  1. Bugs! Die Technik ist wohl noch lange nicht ausgereift und sowohl seitens des Mainboards, Chipsatzes und UEFI als auch seitens der Ryzen 5 Generation gibt es massig Fehlerberichte im Internet zu finden.

 

  1. Kompatibilität. Die 3200 MHz DDR4 Ausschreibung  der RAM-Hersteller bezieht sich wohl meist auf vergleichbare Intel-Plattformen, das heißt aber nicht, dass diese Geschwindigkeit auch bei AMD zusammen kommt.

 

Das ist natürlich ziemlich ärgerlich, zumal MSi mit der Hauptplatine für 3200 MHz RAM Unterstützung geworben hat und die Speicherriegel auf der Liste der offiziell unterstützten Produkte stehen. Zurückgeben möchte ich jetzt, nachdem das System stabil läuft, aber auch nicht mehr.

 

Übertaktung

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Die Eckdaten des Ryzen 5 1500X aus CPU-Z.

Die Ryzen CPUs sind ja aufgrund des offenen Multiplikators sehr attraktiv für Overclocker und mit der hauseigenen AMD Ryzen Master Application auch sehr einsteigerfreundlich zu übertakten. Ich habe dafür die Funktionen des B350 UEFI benutzt, welche an sich sehr übersichtlich und einfach zu bedienen sind.

Durch erhöhen des Multiplikators konnte ich die Taktfrequenz ohne Probleme von 3,5 GHz auf 3,85 GHz erhöhen, der PC blieb im Belastungstest mit prime95 bei moderaten Temperaturen (siehe unten) stabil.

Die Spannung der CPU habe ich automatisch anpassen lassen, sie hat zwischen 1,18 und 1,22 V geschwankt. AMD empfiehlt bei langfristigen Übertaktungen zugunsten der Lebensdauer die Spannung nicht über +1,35 V zu erhöhen, wobei laut verschiedenen Berichten im Internet der Prozessor mit 1,45 V und ausreichend Kühlung noch stabil lief (bei einer Taktfrequenz von angeblich 4,2 GHz).

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Die Werte lassen sich alternativ auch bequem mit der AMD Ryzen Master Application verändern, hierzu ist dann aber jeweils ein Neustart erforderlich.

 

Benchmarkergebnisse (OC)

Ich habe mit CPU-Z und mit 3D Mark den Prozessor bzw. Computer gemessen. Für den Belastungstest (burn in Test) habe ich prime95 benutzt.

Punkte CPU-Z Benchmark (Single-Core/Multi-Core): 2232 / 9065; übertaktet 2218 / 9597

Punkte 3D Mark „Time Spy“ (CPU Teilwertung): 3960 (Gesamt 2028) und Übertaktet 4061 (2408)

Insgesamt ist das OC-Ergebnis weniger beeindruckend ausgefallen als erwartet. Trotz der Steigerung um knapp + 300 MHz pro Kern sind die Unterschiede in der Benchmark vergleichsweise gering, ich vermute daher, dass  in der Anwendung keine wesentlichen Unterschiede zu bemerken sind.

Ein weiterer Nachteil der Übertaktung ist, dass CPU-Funktionen wie der automatische Boost-Modus und AMD Cool’n’Qiet deaktiviert werden; wobei ich allerdings in einem Bericht gelesen habe, dass die Stromaufnahme beim Übertakten des Ryzen im Vergleich zu anderen Prozessoren vergleichsweise gering ausfällt.

Zeitgleich habe ich auch meine Sapphire R9 280 Dual-X mit einer neuen Kühllösung ausgestattet (von Arctic mit Backplate; flüsterleise – siehe unten) und stabil von 940MHz auf 1050 MHz Taktfrequenz übertaktet, in den Messungen sieht man schon einen deutlichen Unterschied, in grafiklastigen Spielen sind das 4-5 FPS mehr!

 

Wasserkühlung

Da ich mit meiner vorherigen Silent-Konfiguration zum Teil Überhitzungsprobleme hatte, habe ich mich dazu entschieden, auf ein Standard-ATX-Gehäuse von Corsair mit Lüfteröffnungen an der Oberseite zu wechseln und eine “All-in-One” CPU-Wasserkühllösung (WaKü) von Enermax angeschafft.

Die WaKü von Enermax (Südkorea) hat in einem Online-Vergleichstest gut abgeschnitten und ist mit 87 € wesentlich günstiger als Modelle anderer Hersteller. Die Kühlung besteht aus einem Kühlblock mit Kupfer-Aufnahme und integrierter Wasserpumpe, die ca. 30cm langen beiden Schläuche führen zu einem 2x 120mm recht flachem Metalllamellen-Radiator an den zwei 120mm Lüfter angeschlossen sind. Praktischerweise verfügt das MSi B350 Thunderbird über einen gesonderten WaKü Pumpen-Stromanschluss. Alternativ hat der Hersteller aber netterweise noch ein extra 3-Pin Adapter für den direkten Anschluss ans Netzteil beigelegt (dann allerdings ohne PWM Lüftersteuerung).

Die Lüfter der Wasserkühlung verfügen über 3 Geschwindkeitsmodi (per Schalter umstellbar), je nach Erfordernis. Ich habe den mittleren „Performance“ Modus gewählt. Im Leerlauf ist die Lüftung praktisch nicht zu hören, bei CPU Temperaturen von ca. 28 *C. Unter Vollast (prime95) hört man dezent die Pumpe “surren”, aber keinenfalls lauter als bei einer kleinen Eheim-Aquariumspumpe, sehr angenehm. Die Temperaturen sind dabei unter dem mittleren Kühl-Leistungsprofil nicht über 65 *C gestiegen, im OC-Modus bis 70 *C. Sehr zufriedenstellend!

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Die fertige Konfiguration in meinem hoch geschätzten Corsair 100R Silent Gehäuse.