Seite 2: Grundlagen des GPU-Overclockings

Fertigung, Selektrierung und Auslegung durch die Hersteller

Wie für alle Halbleiter-Elemente gilt auch für GPUs: Die Hersteller lassen eine bestimmte Architektur in einer gewünschten oder aktuell möglichen Fertigung produzieren und versuchen dabei bestimmte Ziele für die Rechenleistung zu erreichen. Kommt das neue Design nach dem ersten Tape Out in die Labore, ist bereits ersichtlich, bei welcher Spannung der Chip welchen Takt verträgt. Eine gewisse Streuung ist dabei nicht zu verhindern und so gibt es gute und schlechte Chips. Hersteller wie AMD und NVIDIA haben dabei gewisse Minimum-Vorgaben, die vom Auftragsfertiger eingehalten werden müssen. Besonders gute Chips werden aussortiert und teurer an die Boardpartner wie ASUS, EVGA, Gigabyte, MSI, usw. verkauft. Wie aber lässt sich nun herausfinden, welche GPUs besonders gut sind?

NVIDIA GeForce GTX 980 mit Maxwell-GPU
NVIDIA GeForce GTX 980 mit Maxwell-GPU

Der Endkunde selbst kann dies eigentlich nicht. Für NVIDIA-GPUs hat sich zwar ein ASIC-Rating als hilfreich erwiesen, einen allzu großen Wert sollte man aber nicht darauf legen. Ohnehin ist bei den Grafikkarten nicht die Güte des Chips alleinentscheidend, sondern die Features und Funktionen einer Grafikkarte leisten einen mindestens ebenso großen Anteil an einem guten Overclocking. Sehen AMD und NVIDIA bei ihren Referenzversionen meist 4-5 Spannungsphasen als ausreichend bemessen an, verbauen die Hersteller bis zu 14 Phasen und verwenden dabei laut eigenen Angaben auch noch hochwertigere Komponenten. Wie wichtig eine solche modifizierte Strom- und Spannungsversorgung sein kann, wird am Beispiel einer GeForce GTX 980 ersichtlich, denn hier fließen zeitweise Ströme von bis zu 600 Ampere, wenn die GPU mithilfe von LN2 gekühlt wird. Bei einer Betriebsspannung von 1,2 und mehr Volt zeigt dies recht deutlich, welche Anforderungen an die Auslegung durch den Hersteller gelegt werden. Wie beim Overclocking einer jeden Komponente spielt nach der Auswahl der richtigen Karte aber auch das Glück eine wichtige Rolle, denn die bereits angesprochene Streuung der Güte der GPUs lässt sich auch durch die beste Strom- und Spannungsversorgung nicht kompensieren.

Takt und Spannung rauf, Temperatur runter

Ob CPU, GPU oder Speicherchips - für all diese Komponenten gibt es eine Grundregel. Sollen sie mit einem höheren Takt betrieben werden, muss meist die Spannung erhöht werden. Durch eine Erhöhung der Spannung steigt die Abwärme und die Erhitzung der Halbleiterbauteile sorgt für größere Leckströme. Diese Leckströme wiederum sind natürlich nicht erwünscht, sondern ganz im Gegenteil beim Overclocking sogar hinderlich. Durch eine bessere Kühlung des Bauteils lassen sich die Leckströme wieder reduzieren, doch der Prozess von immer höheren Taktraten und Spannungen lässt sich nicht bis ins Unendliche treiben.

Jede GPU hat eine Bandbreite an Takt und Spannung, in der sie ideal arbeitet. Das heißt Leistung und Verbrauch bewegen sich in einem idealen Verhältnis. Wird eine GPU durch ein Overclocking aus diesem idealen Betriebsbereich heraus gebracht, müssen zwangsläufig Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Die meisten Karten werden durch einen Luftkühler gekühlt. Diese haben eine physikalische Grenze an Kapazität von Abwärme, die sie abführen können. Die Kühlung ist bei allen modernen GPUs der limitierende Faktor. Sobald ein Wasserkühler verwendet wird, können höhere Taktraten und Spannungen gefahren werden. Auf die Spitze getrieben wird dies beim High-End-Overclockig. Dort sorgt flüssiger Stickstoff bei -196 °C dafür, dass der Chip so wenig Leckströme wie möglich erzeugt.

Egal ob nun bei 1,2 Volt und 70 °C oder 1,6 Volt und -140 °C - irgendwann ist bei jeder GPU kein stabiler Betrieb mehr möglich. Instabilitäten treten auf, die durch Rechenfehler innerhalb des Chips entstehen. Texturen können anfangen zu flimmern, das Ausgabesignal flackert oder aber der Treiber stürzt ab. Eben diese Fehler zeigen an, dass man sich am Limit der GPU bewegt. Dazu kommen wir später bei der praktischen Umsetzung eines Overclockings auch noch einmal. Zuvor aber kann man bereits in andere Grenzbereiche geraten, die der Hersteller der GPU auf explizit auf diese Art und Weise vorsieht. So verfügt jedes Halbleiterbauelement über eine Maximaltemperatur, die durch Features wie PowerTune und GPU-Boost zwar bereits vorher abgefangen wird, sich bei einigen Grafikkarten aber auch abschalten lässt.