GPU-Boost – Nvidias Self-Boosting-Algorithmus erklärt

Die Grafikkartentechnologien haben sich in den letzten Generationen sprunghaft weiterentwickelt, wobei jede Generation nicht nur die Gesamtleistung der Karten, sondern auch die von den Karten gebotenen Funktionen erheblich verbessert hat. Es ist keine Überraschung, dass es sowohl für Nvidia als auch für AMD von entscheidender Bedeutung ist, die Feature-Sets ihrer Karten und die darin enthaltenen Technologien sowie die generationsübergreifenden Leistungsverbesserungen mit jeder nachfolgenden Reihe von Grafikkarten weiterzuentwickeln und weiterzuentwickeln.

Die Erhöhung der Taktrate ist heutzutage zu einem Mainstream-Feature in der PC-Hardware-Industrie geworden, sowohl bei den Grafikkarten als auch bei den CPUs, die diese Technologie bieten. Das Variieren der Taktraten der Komponente aufgrund von Änderungen der Bedingungen des PCs kann zu einer stark verbesserten Leistung sowie der Effizienz dieses Teils führen, was letztendlich zu einer viel besseren Benutzererfahrung führt. Aufgrund der schnellen Fortschritte in diesem Bereich wurde das Standard-Boosting-Verhalten von Grafikkarten jedoch weiter verbessert und verfeinert, wobei Technologien wie GPU Boost 4.0 im Jahr 2020 in den Vordergrund rücken. Diese neuen Technologien wurden entwickelt, um die Leistung der Grafikkarte zu maximieren wenn es notwendig ist, während die Spitzeneffizienz auch bei leichteren Lasten beibehalten wird.

GPU-Boost

Was genau ist GPU Boost? Nun, vereinfacht gesagt, GPU Boost ist Nvidias Methode, um die Taktraten der Grafikkarten dynamisch zu erhöhen, bis die Karten ein vordefiniertes Leistungs- oder Temperaturlimit erreichen. Der GPU-Boost-Algorithmus ist ein hochspezialisierter und bedingter Algorithmus, der in Sekundenbruchteilen Änderungen an einer großen Anzahl von Parametern vornimmt, um die Grafikkarte auf ihrer maximal möglichen Boost-Frequenz zu halten. Diese Technologie ermöglicht es der Karte, einen viel höheren Boost zu erzielen als die beworbene „Boost Clock“, die auf der Verpackung oder auf der Produktseite aufgeführt sein kann.

Bevor wir in die Mechanismen dieser Technologie eintauchen, müssen einige wichtige Begrifflichkeiten erklärt und differenziert werden.

Terminologien

Beim Kauf einer Grafikkarte kann der Durchschnittsverbraucher auf eine Vielzahl von Zahlen und verwirrenden Terminologien stoßen, die wenig Sinn ergeben oder noch schlimmer sind, sich am Ende widersprechen und den Käufer weiter verwirren. Daher ist es notwendig, beim Betrachten einer Produktseite einen kurzen Blick darauf zu werfen, was die verschiedenen taktbezogenen Terminologien bedeuten.

• Basisuhr: Der Basistakt einer Grafikkarte (manchmal auch als „Kerntakt“ bezeichnet) ist die Mindestgeschwindigkeit, mit der die GPU beworben wird. Unter normalen Bedingungen sinkt die GPU der Karte nicht unter diese Taktrate, es sei denn, die Bedingungen werden erheblich geändert. Diese Zahl ist bei älteren Karten bedeutsamer, wird jedoch immer weniger relevant, da Boosting-Technologien im Mittelpunkt stehen.
• Boost-Uhr: Der beworbene Boost-Takt der Karte ist der maximale Takt, den die Grafikkarte unter normalen Bedingungen erreichen kann, bevor der GPU-Boost aktiviert wird. Diese Taktzahl ist im Allgemeinen um einiges höher als die Basistaktzahl und die Karte verbraucht den größten Teil ihres Leistungsbudgets, um diese Zahl zu erreichen. Sofern die Karte nicht thermisch eingeschränkt ist, wird dieser beworbene Boost-Takt erreicht. Dies ist auch der Parameter, der bei „Factory Overclocked“-Karten von AIB-Partnern geändert wird.
• „Spieluhr“: Mit der Veröffentlichung der neuen RDNA-Architektur von AMD auf der E3 2019 kündigte AMD auch ein neues Konzept namens Game Clock an. Dieses Branding ist zum Zeitpunkt des Schreibens exklusiv für AMD-Grafikkarten und gibt den willkürlichen Taktraten, die man beim Spielen sehen würde, tatsächlich einen Namen. Im Grunde ist Game Clock die Taktrate, die die Grafikkarte beim Spielen erreichen und halten soll, die im Allgemeinen irgendwo zwischen Base Clock und Boost Clock für AMD-Grafikkarten liegt. Das Übertakten der Karte hat einen direkten Einfluss auf diese spezielle Taktrate.

Mechanismus des GPU-Boosts

GPU Boost ist eine interessante Technologie, die für Gamer durchaus von Vorteil ist und sozusagen wirklich keinen nennenswerten Nachteil hat. GPU Boost erhöht den effektiven Takt der Grafikkarte sogar über die beworbene Boost-Frequenz hinaus, sofern bestimmte Bedingungen günstig sind. Was GPU Boost macht, ist im Wesentlichen eine Übertaktung, bei der die Taktrate der GPU über die beworbene „Boost Clock“ hinausgeht. Dadurch kann die Grafikkarte automatisch mehr Leistung herausquetschen und der Benutzer muss überhaupt nichts optimieren. Der Algorithmus ist im Wesentlichen „smart“, da er verschiedene Parameter in Sekundenbruchteilen gleichzeitig ändern kann, um die anhaltende Taktrate so hoch wie möglich zu halten, ohne die Gefahr von Abstürzen oder Artefakten usw Grafikkarten laufen ab Werk mit höheren Taktraten als angegeben, was dem Benutzer im Wesentlichen eine übertaktete Karte bietet, ohne dass manuelles Tuning erforderlich ist.

GPU Boost ist hauptsächlich ein Nvidia-spezifisches Branding und AMD hat etwas Ähnliches, das auf andere Weise funktioniert. In diesem Inhaltsteil konzentrieren wir uns hauptsächlich auf die Implementierung von GPU Boost durch Nvidia. Mit seiner Turing-Grafikkarte hat Nvidia die vierte Iteration von GPU Boost namens GPU Boost 4.0 eingeführt, die es den Benutzern ermöglicht, die von GPU Boost verwendeten Algorithmen manuell anzupassen, falls sie dies für richtig halten. Dies war mit GPU Boost 3.0 nicht möglich, da diese Algorithmen in den Treibern gesperrt waren. GPU Boost 4.0 hingegen ermöglicht es Benutzern, verschiedene Kurven manuell zu optimieren, um die Leistung zu steigern, was für Übertakter und Enthusiasten eine gute Nachricht sein wird.

GPU Boost 4.0 hat auch verschiedene andere feine Optimierungen wie den Temperaturbereich hinzugefügt, wo neue Wendepunkte hinzugefügt wurden. Im Gegensatz zu GPU Boost 3.0, bei dem es beim Überschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle zu einem steilen und plötzlichen Abfall vom Boost-Takt auf den Basistakt kam, kann es jetzt zwischen den beiden Taktraten mehrere Schritte geben. Dies ermöglicht eine höhere Granularität, die es der GPU ermöglicht, auch unter ungünstigen Bedingungen noch das letzte Quäntchen Leistung herauszuholen.

Das Übertakten der Grafikkarten mit GPU-Boost ist recht unkompliziert und daran hat sich nicht viel geändert. Jeder zusätzliche Offset zum Kerntakt wird tatsächlich auf den „Boost-Takt“ angewendet und der GPU-Boost-Algorithmus versucht, die höchste Taktrate um einen ähnlichen Abstand weiter zu verbessern. Das Erhöhen des Power Limit-Schiebereglers auf das Maximum kann in dieser Hinsicht erheblich helfen. Dies macht den Stresstest der Übertaktung etwas komplizierter, da der Benutzer die Taktraten sowie die Temperaturen, Leistungsaufnahme und Spannungswerte im Auge behalten muss, aber unser umfassender Stresstest-Leitfaden kann bei diesem Prozess helfen.

Bedingungen für GPU-Boost

Nachdem wir nun den Mechanismus hinter GPU Boost selbst besprochen haben, ist es wichtig, die Bedingungen zu diskutieren, die erfüllt sein müssen, damit GPU Boost effektiv ist. Es gibt eine große Anzahl von Bedingungen, die sich auf die endgültige Frequenz auswirken können, die durch GPU-Boost erreicht wird, aber es gibt drei Hauptbedingungen, die den größten Einfluss auf dieses Boost-Verhalten haben.

Leistungsreserve

GPU Boost übertaktet die Karte automatisch, sofern der Karte genügend Leistungsreserven zur Verfügung stehen, um die höheren Taktraten zu ermöglichen. Es ist verständlich, dass höhere Taktraten mehr Strom vom Netzteil verbrauchen, daher ist es äußerst wichtig, dass der Grafikkarte genügend Leistung zur Verfügung steht, damit GPU Boost ordnungsgemäß funktionieren kann. Bei den meisten modernen Nvidia-Grafikkarten verbraucht GPU Boost die gesamte verfügbare Leistung, die es verwenden kann, um die Taktraten so hoch wie möglich zu treiben. Dies macht den Power Headroom zum häufigsten einschränkenden Faktor für den GPU-Boost-Algorithmus.

Das einfache Erhöhen des „Power Limit“-Schiebereglers in jeder Übertaktungssoftware kann einen großen Einfluss auf die endgültigen Frequenzen haben, die von der Grafikkarte erreicht werden. Die zusätzliche Leistung, die der Karte zur Verfügung gestellt wird, wird verwendet, um die Taktrate noch höher zu treiben, was ein Beweis dafür ist, wie sehr der GPU-Boost-Algorithmus vom Leistungsspielraum abhängt.

Stromspannung

Das Stromversorgungssystem der Grafikkarte muss in der Lage sein, die zusätzliche Spannung bereitzustellen, die erforderlich ist, um die höheren Taktraten zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Die Spannung trägt ebenfalls direkt zur Temperatur bei und hängt daher auch mit dem thermischen Headroom-Zustand zusammen. Unabhängig davon gibt es eine feste Grenze für die Spannung, die die Karte verwenden kann, und diese Grenze wird vom BIOS der Karte festgelegt. GPU Boost nutzt jeden Spannungsspielraum, um die höchstmögliche Taktrate aufrechtzuerhalten.

Thermische Kopffreiheit

Die dritte wichtige Bedingung, die für den effektiven Betrieb von GPU Boost erfüllt sein muss, ist die Verfügbarkeit eines ausreichenden thermischen Spielraums. GPU Boost reagiert extrem empfindlich auf die Temperatur der GPU, da sie die Taktrate selbst bei geringsten Temperaturänderungen erhöht und verringert. Es ist wichtig, die Temperatur der GPU so niedrig wie möglich zu halten, um höchste Taktraten zu erreichen.

Temperaturen über 75 Grad Celsius beginnen die Taktrate merklich zu senken, was sich auf die Leistung auswirken kann. Der Takt wird bei diesen Temperaturen wahrscheinlich immer noch höher sein als der Boost-Takt, es ist jedoch keine gute Idee, die Leistung auf dem Tisch zu lassen. Daher können eine ausreichende Gehäusebelüftung und eine gute Kühlung der GPU selbst einen erheblichen Einfluss auf die durch GPU-Boost erreichten Taktraten haben.

Boost Binning und Thermal Throttling

Ein interessantes Phänomen, das dem Betrieb von GPU Boost innewohnt, ist das Boost-Binning. Wir wissen, dass der GPU-Boost-Algorithmus die Taktrate der GPU in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren schnell ändert. Die Taktgeschwindigkeit wird tatsächlich in Blöcken von jeweils 15 MHz geändert, und diese 15-MHz-Anteile der Taktgeschwindigkeiten werden als Boost-Bins bezeichnet. Es ist leicht zu erkennen, dass die GPU-Boost-Zahlen je nach Leistung, Spannung und thermischem Spielraum um einen Faktor von 15 MHz voneinander abweichen. Dies bedeutet, dass eine Änderung der Rahmenbedingungen die Taktrate der Karte jeweils um den Faktor 15Mhz senken oder erhöhen kann.

Interessant ist auch das Konzept des Thermal Throttling im GPU-Boost-Betrieb. Die Grafikkarte beginnt erst dann mit Thermal Throttling, wenn sie ein eingestelltes Temperaturlimit erreicht, das als Tjmax bekannt ist. Diese Temperatur entspricht normalerweise irgendwo zwischen 87-90 Grad Celsius auf dem GPU-Kern und diese spezifische Zahl wird vom BIOS der GPU bestimmt. Wenn der GPU-Kern diese eingestellte Temperatur erreicht, sinken die Taktraten allmählich, bis sie sogar unter den Basistakt fallen. Dies ist ein sicheres Zeichen für thermisches Throttling im Vergleich zum regulären Boost-Binning, das durch GPU-Boost erfolgt. Der Hauptunterschied zwischen Thermal Throttling und Boost-Binning besteht darin, dass Thermal Throttling bei oder unterhalb des Basistakts auftritt und Boost-Binning die maximale Taktrate ändert, die von GPU Boost unter Verwendung der Temperaturdaten erreicht wird.

Nachteile

Es gibt nicht viele Nachteile dieser Technologie, was an sich schon eine ziemlich kühne Aussage über eine Grafikkartenfunktion ist. GPU Boost ermöglicht es der Karte, ihre Taktraten automatisch ohne Benutzereingaben zu erhöhen und das volle Potenzial der Karte zu erschließen, indem zusätzliche Leistung ohne zusätzliche Kosten für den Benutzer bereitgestellt wird. Allerdings gibt es einige Dinge zu beachten, wenn Sie eine Nvidia-Grafikkarte mit GPU-Boost besitzen.

Aufgrund der Tatsache, dass die Karte das gesamte ihr zugewiesene Leistungsbudget nutzt, werden die Leistungsaufnahmezahlen der Karte höher sein, als die beworbenen TBP- oder TGP-Zahlen vermuten lassen. Darüber hinaus führen die zusätzliche Spannung und der Stromverbrauch zu höheren Temperaturen, da die Karte automatisch übertaktet, indem sie den verfügbaren Temperaturspielraum nutzt. Die Temperaturen werden auf keinen Fall gefährlich hoch, denn sobald die Temperaturen eine bestimmte Grenze überschreiten, werden die Spannung und die Leistungsaufnahme gesenkt, um die zusätzliche Wärme zu kompensieren.

Letzte Worte

Der schnelle Fortschritt in der Grafikkartentechnologie hat dazu geführt, dass einige äußerst beeindruckende Funktionen in die Hände der Verbraucher gelangt sind, und GPU Boost ist sicherlich eine davon. Die Funktion von Nvidia (und die ähnliche Funktion von AMD) ermöglicht es den Grafikkarten, ihr maximales Potenzial auszuschöpfen, ohne dass Benutzereingaben erforderlich sind, um die maximale Out-of-the-Box-Leistung zu erzielen. Diese Funktion macht eine manuelle Übertaktung praktisch überflüssig, da aufgrund des hervorragenden Managements von GPU Boost wirklich nicht viel Spielraum für die manuelle Feinabstimmung zur Verfügung steht.

Insgesamt ist GPU-Boost eine hervorragende Funktion, die wir mit Verbesserungen des Kernalgorithmus hinter dieser Technologie, der die winzigen Anpassungen verschiedener Parameter mikroverwaltet, um die bestmögliche Leistung zu erzielen, immer besser sehen möchten.