Vapour Chamber, Downdraft und Blower Style Grafikkartenkühlung – erklärt

In den letzten Jahren haben wir eine exponentielle Leistungssteigerung von Grafikkarten sowohl in Gaming- als auch in professionellen Anwendungen gesehen. Mit den Verbesserungen bei Architekturen und internen Komponenten sind Grafikkarten jetzt schneller denn je und sind in der Lage, selbst die anspruchsvollsten Aufgaben zu bewältigen, die man ihnen mit heutigen Technologien stellen kann. All diese Verbesserungen haben es modernen Grafikkarten ermöglicht, extrem anspruchsvolle Aufgaben wie 8K- und 4K-Spiele mit hohen Bildwiederholraten zu bewältigen.

Diese Verbesserungen sind jedoch nicht ohne einige Nachteile geblieben. Einer der wichtigsten ist der exponentielle Anstieg des Stromverbrauchs, den wir in den letzten Jahren gesehen haben. Die Leistungsaufnahme von Gaming-Grafikkarten ist in den letzten zehn Jahren langsam aber stetig gestiegen, was zu heutigen Grafikkarten mit TDP-Werten von über 300 Watt geführt hat (ganz anders als beworbene TBP-Bewertungen). Tatsächlich zeigt der durchschnittliche Stromverbrauch von Grafikkarten im letzten Jahrzehnt ein interessantes Muster. Die Leistungsaufnahme von Karten war zu Beginn des Jahrzehnts aufgrund ineffizienter Architekturen hoch, aber später wurden die meisten Grafikkarten bei ihrer Arbeit viel effizienter. Heutzutage sehen wir einen weiteren Anstieg der durchschnittlichen Leistungsaufnahme von Grafikkarten.

Zugegeben, die Karten von heute sind viel effizienter als noch vor fünf Jahren, aber sie fordern im Durchschnitt immer noch mehr Strom von der Wand als die älteren Karten. All diese Leistung, die zum Kern geht, erhöht sicherlich die Leistung der Karte, erhöht aber auch die Betriebstemperaturen der GPU, was sicherlich kontrolliert werden muss. Um diesem Problem zu begegnen, mussten wir in den letzten Jahren immer größere Kühler auf die Grafikkarten setzen.

Verbesserungen bei der Kühlung

Mit steigender Leistungsaufnahme und in der Folge steigender Wärmeabgabe mussten die Grafikkartenhersteller mit der Situation improvisieren, um dieses Problem zu überwinden. Vorbei sind die kleinen, zierlichen Grafikkarten, die mit einem einzigen kleinen Kühlkörper hätten passiv gekühlt werden können. In der Vergangenheit hatten sogar High-End-Grafikkarten einen einzigen Lüfter über einem kleinen Kühlkörper, und dies reichte aus, um die Wärme von dieser Karte effektiv abzuleiten. Heutzutage kann man sich nicht einmal eine Mittelklasse- oder einigermaßen High-End-Grafikkarte vorstellen, die mit einer Single-Lüfter-Konfiguration gekühlt wird.

Grafikkarten von heute haben massive 3-Slot-Kühlkörper mit riesigen Lüftergehäusen, die die meiste Zeit 3 ​​Lüfter beherbergen. Obwohl auch Dual-Lüfter-Modelle auf dem Markt weit verbreitet sind, haben sie Schwierigkeiten, die Temperaturen für jede Karte, die einigermaßen stromhungrig ist, unter Kontrolle zu halten. Die meisten High-End-Varianten moderner Grafikkarten verfügen zudem über sieben oder acht vernickelte Kupfer-Heatpipes, die die Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten abführen und gleichmäßig über das Kühlkörper-Array verteilen. Auch die Lüftertechnologien haben einen langen Weg zurückgelegt, da moderne Lüfter mit mehreren Sensoren ausgestattet sind, die ihr Verhalten entsprechend der Temperatur der GPU ändern.

Es ist daher durchaus interessant, die Kühllösungen von Grafikkarten der Vergangenheit mit den heute verwendeten zu vergleichen.

Verschiedene Kühlmethoden

Insgesamt gibt es drei Hauptkühlmethoden, die von modernen Grafikkarten verwendet werden: Gebläsekühlung, Abluftkühlung im Freien und Dampfkammerkühlung. Im Folgenden sind die Vor- und Nachteile jedes einzelnen aufgeführt.

Gebläsekühler Style

Der Kühler im Blower-Stil ist der einfachste und unauffälligste Kühler, der heute in Grafikkarten zu finden ist. Dies ist auch der billigste Kühler in der Herstellung und liefert daher die schlechteste thermische Leistung von allen verschiedenen Methoden zur Kühlung einer Grafikkarte. Blower-Style-Kühler waren die Kühler, die Nvidia und AMD lange Zeit für ihre Referenzdesign-Grafikkarten verwendet haben, bei der neuesten Grafikkartengeneration haben beide Hersteller jedoch Blower-Style-Kühler zugunsten der effizienteren aufgegeben Downdraft-Kühler. Gebläsekühler haben vermutlich das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, obwohl einige Exemplare noch für den Einsatz in vorgefertigten und SI-Systemen in Produktion sind.

Grafikkarten mit Blower-Design verlängern das Plastikgehäuse rund um den Kühlkörper und lassen keine Lücken zwischen Platine und Gehäuse an den Seiten sowie an der Ober- und Unterseite der Karte. Der einzige Weg für Luft besteht darin, direkt über das PCB zur Rückseite der Grafikkarte zu strömen, wo sich strategisch platzierte Belüftungslöcher an der I/O-Halterung befinden. Ein einzelnes, kleines Gebläse saugt die Umgebungsluft an und drückt sie mit hoher Geschwindigkeit durch die Karte, die direkt aus der Rückseite der Karte ausgestoßen wird. Die Luft strömt auf ihrem Weg durch die Karte über den integrierten Kühlkörper und die PCB-Komponenten und kühlt so die Komponenten, mit denen sie in Kontakt kommt.

Der Hauptvorteil der Gebläsekühlung besteht darin, dass sie recht günstig in der Herstellung ist und daher auf vielen Einstiegsvarianten von Grafikkarten zu finden ist, einschließlich der meisten Referenzdesigns, die AMD und Nvidia im Laufe der Jahre herausgebracht haben. Ein weiterer Vorteil von Gebläsekühlern besteht darin, dass sie ihre gesamte Wärme direkt aus dem Gehäuse ableiten, anstatt sie im Gehäuse abzugeben, wodurch andere Komponenten wie Ihre CPU erwärmt werden. Dies kann besonders bei Gehäusen mit kleinem Formfaktor und PCs mit falsch konfigurierten Luftstromsystemen nützlich sein.

Die Nachteile von Gebläsekühlern sind jedoch vielfältig. Lüfter-Kühler laufen laut und heiß, und sie sind ziemlich ineffizient in ihrem Betrieb. Im Durchschnitt würde eine Variante einer Grafikkarte im Gebläsestil viel höhere Temperaturen erzeugen als vergleichbare Abwindvarianten, wenn sie unter den gleichen Bedingungen getestet werden. Um diesen Mangel an Kühlleistung zu kompensieren, müssen Lüfterkarten ihre Lüfter mit außergewöhnlich hohen Geschwindigkeiten betreiben. Dies führt zu einem unglaublich hohen Geräuschprofil, das begeisterte PC-Enthusiasten als „ein Jet-Triebwerk, das sich zum Abheben bereit macht“ definieren. Man kann mit Sicherheit sagen, dass Sie keine Karte im Blower-Stil erhalten, wenn Sie heimlich spielen möchten.

Open-Air-Downdraft-Kühler

Die Downdraft- oder Open-Air-Kühlung ist bei weitem die gängigste und am häufigsten verwendete Kühllösung, die heute in Grafikkarten verwendet wird. Downdraft-Kühler bieten im Allgemeinen eine bessere thermische und akustische Leistung als Karten im Blower-Stil, aber es gibt einige Dinge, die bei der Verwendung eines Open-Air-Kühlers beachtet werden müssen.

Downdraft- oder Open-Air-Kühler saugen mit ihren Lüftern die Luft aus dem Inneren Ihres PC-Gehäuses an und drücken sie dann direkt durch den großen Metallkühlkörper nach unten, um die Wärme von den Komponenten abzuleiten. Open-Air-Kühler werden so genannt wegen ihrer relativ offenen Lüfterhaube, die von den Seiten und der Rückseite offen ist, so dass die Luft ungehindert von der Karte in das Innere des Gehäuses sowie das Äußere des Gehäuses durch die pass Belüftungsöffnungen. Das Grundkonzept der Downdraft-Kühler ist das gleiche wie bei den Blower-Style-Kühlern: Luft wird von den Lüftern angesaugt und über den Kühlkörper gedrückt, der mit den wärmeerzeugenden Komponenten in Kontakt steht. Die Effizienz, mit der die Open-Air- oder Downdraft-Kühler diese Aufgabe erfüllen, ist oft viel höher als bei vergleichbaren Gebläseanwendungen.

Der größte Vorteil des Open-Air-Designs ist die verbesserte Leistung gegenüber den Blower-Style-Karten. Diese Kühler drücken ein großes Luftvolumen über ihre Kühlkörper und maximieren daher die Wärmeableitung von den internen Komponenten der Karte. Darüber hinaus ist der Kühlkörper selbst aufgrund der 2,7- oder sogar 3-Slot-Konfiguration, in der moderne Karten zu finden sind, oft viel größer. Mittelklasse-Varianten von Grafikkarten haben oft zwei Lüfter, während Premium-Varianten fast immer drei Lüfter haben die Wärmeableitung erleichtern. Die Downdraft-Lüfter sind auch viel leiser und zuverlässiger als Gebläse-Lüfter.

Es gibt auch ein paar Nachteile, die mit diesem Design einhergehen. Erstens sind viele der Downdraft-Kühler im Open-Air-Stil teurer als die Basisgebläse-Varianten, wenn es um eine bestimmte Grafikkarten-Reihe geht. Ein weiteres erhebliches Problem bei diesem Design besteht darin, dass die gesamte heiße Luft von der GPU direkt in Ihr Gehäuse geleitet wird, was zu einem Temperaturanstieg in anderen Komponenten führen kann. Daher wird empfohlen, bei richtig konfigurierten Lüftern einen hervorragenden Luftstrom im Gehäuse zu haben, wenn Sie einen Downdraft-Kühler verwenden möchten. Diese Kühler sollten am besten in einem Gehäuse mit kleinem Formfaktor oder einer relativ kompakten Bauweise vermieden werden. Wenn Sie einige Empfehlungen für die beste High-Airflow-Hüllen im Jahr 2021, Sie können sie direkt hier bekommen.

Dampfkammerkühler

Vapor Chamber-Kühler sind aufgrund ihrer relativen Komplexität in modernen Grafikkarten weit weniger verbreitet, stellen aber dennoch eine interessante Kühllösung dar. Eine Dampfkammer ist eine dünne, relativ flache Platte, die verwendet wird, um Wärme über einen großen Oberflächenbereich zu verteilen. Normalerweise wird ein Lamellenstapel direkt auf die Oberfläche der Dampfkammer aufgebracht, um die Oberfläche zu vergrößern und die Wärmeableitung zu verbessern. Die Dampfkammer selbst ist eine hohle, vakuumversiegelte Kupferplatte. Die Dampfkammer steht in direktem Kontakt mit der Wärmequelle, beispielsweise der GPU, die in dieser Konfiguration als Verdampfer bezeichnet wird.

Beim Aufheizen des Verdampfers verdampft die Flüssigkeit im Docht zu einem Gas. Das heiße Gas dehnt sich dann aus, um das Innere der Kammer zu füllen und erreicht die kühlere Oberfläche. Beim Kontakt mit der kühleren Oberfläche kondensiert das Gas wieder, daher wird die kühlere Oberfläche als Kondensator bezeichnet. Die kondensierte Flüssigkeit wird dann durch den Docht zum Verdampfer zurückgeführt, um den Zyklus fortzusetzen.

Obwohl Metalle wie Kupfer und Aluminium Wärme gut leiten, sind sie dafür oft nicht die effizienteste Methode. Ein Phasenwechsel ist ein Übergang von einer Materieform in eine andere, beispielsweise von flüssig zu gasförmig und umgekehrt, und die Art der Kühlung, die diese Technik verwendet, wird als Phasenwechselkühlung bezeichnet. Dampfkammern können eine große Menge an Wärmeenergie übertragen, indem sie einen Phasenwechsel durchlaufen.

Alternativ wäre es möglich, nur einen massiven Kupferblock zu verwenden, um eine ähnliche Aufgabe zu erfüllen, aber diese Konstruktion wäre viel schwerer und teurer in der Herstellung als eine hohle Dampfkammer. Es wäre auch langsamer im Betrieb als eine Dampfkammer. Diese Reduzierung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit würde sich auch auf die Leistung der GPU auswirken, da sie mehr Wärme speichern würde. Heatpipes sind die andere Alternative zur Dampfkammerkühlung und werden in großem Umfang in den zuvor erwähnten Downdraft-Freiluftkühlern verwendet.

Welche sollten Sie wählen?

Obwohl alle drei Kühler ihre Vor- und Nachteile haben, gibt es sicherlich eine offensichtliche Wahl, wenn es um moderne Grafikkarten-Kühllösungen geht. Die meisten normalen Verbraucher wären besser dran, einen anständigen Downdraft-Kühler im Open-Air-Stil zu kaufen, da er das beste Preis-Leistungs-Verhältnis in Bezug auf die thermische Leistung bietet und gleichzeitig relativ erschwinglich ist. Verschiedene AIB-Partner bringen mehrere unterschiedliche Modelle für eine einzelne GPU auf den Markt und sogar Nvidia und AMD haben die Lüfter-Kühler jetzt zugunsten deutlich effizienterer Open-Air-Kühler für die neueste Grafikkartengeneration aufgegeben.

Vapor Chambers sind eine interessante und einzigartige Anwendung, ihr tatsächlicher Einsatz in modernen Grafikkarten-Kühllösungen ist jedoch heutzutage eher ungewöhnlich. Sie wurden in AMDs Referenz-Grafikkarten lange Zeit in Verbindung mit einem Lüfter-Kühler verwendet, haben sich aber nie wirklich zu Mainstream-Kühllösungen entwickelt. Auch Blower-Style-Kühler nähern sich dem Ende ihrer Lebensdauer, da immer mehr AIB-Partner erschwingliche Open-Air-Grafikkartenvarianten mit hervorragender Kühl- und Akustikleistung zu einem erschwinglichen Preis auf den Markt bringen.

Es gibt jedoch einen Bereich, in dem Gebläsekühler immer noch weit verbreitet sind. Große Systemintegratoren oder SIs wie Dell, HP und Lenovo verwenden diese Art der Kühlung für ihre Grafikkarten, da es sich um ein relativ günstiges Gerät handelt und die gesamte Wärme direkt nach außen abführt, sodass das Innere des Gehäuses dies tut sich mit der Verwendung der Grafikkarte nicht allmählich aufheizen. Vorgefertigte Käufer kümmern sich oft nicht um die Temperaturen und die Akustik ihrer Grafikkarte, daher ist diese Anwendung perfekt für das vorgefertigte Ökosystem. Was DIY-PC-Builder im Jahr 2021 angeht, sollten sie einfach bei Open-Air-Kühlern bleiben, da sie mehrere Vorteile haben und von Tag zu Tag billiger und besser werden.