PCGH antwortet: So wenig beeinflusst der dicke Ryzen-7000-(X3D)Heatspeader die Temperaturen
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Rund um die Ankündigung der Preise und den gestaffelten Release der Ryzen-7000-X3D-Prozessoren haben sich einige interessante Leserfragen ergeben. PCGH hat die eine oder andere Frage beantwortet, an dieser Stelle möchten wir eine der Fragen einer breiteren Öffentlichkeit präsentieren.
Mehrere Leserkommentare zusammengefasst:
"Der Heatspeader beim Ryzen 7000 ist für schlechte Kühlung verantwortlich"
Die Antwort von Torsten Vogel (Fachgebiet Mainboards):
"Irgendwann muss ich wohl mal einen eigenen Artikel dazu machen, aber dieser immer wieder postulierte Zusammenhang ist physikalisch einfach nicht möglich: Wenn man 230 W (max. PPT) durch ein Stück Kupfer von der Fläche eines AM5-Heatspreaders leitet, dann erhöhen zusätzliche 1,5 mm Dicke (je nach Vergleichsobjekt ist die zusätzliche Dicke des AM5-Heatspreaders noch weitaus geringer) den Temperaturunterschied zwischen heißer und kalter Seite nur um 0,8 K. Das ergibt sich direkt aus der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Bei geringerer Energiedichte ist der Effekt noch kleiner; im Gaming-Einsatz würde ich bei einem 7950X von 0,2-0,3 K Temperaturerhöhung durch den dickeren Heatspreader ausgehen.
Quelle: PC Games Hardware Beispielrechnung Wärmeleitung durch AM5-Heatspreader
Davon abziehen muss man noch den positiven Effekt des Heatspreaders in seiner namensgebenden Funktion: Obige Rechnung geht von einem gleichmäßigen Wärmestrom auf der gesamten Fläche aus und ein dickerer Heatspreader kann Wärme besser in der Ebene verteilen, kommt diesem Ideal also näher. Das zu modellieren ist deutlich schwieriger, weil die genaue Position der Hotspots, ihre Ausprägung und umgekehrt die räumliche Verteilung der Wärmeabfuhr im Kühler eine große Rolle spielen. Aber es ist gut denkbar, dass das zusätzliche Kupfer die Temperatur von AM5-CPUs sogar leicht senkt.
Hiervon getrennt zu beachten ist der Betrieb ganz ohne Heatspreader, wie er von Roman getestet wurde: Einen kompletten Wärmeübergang einzusparen, in dem man den Kühler direkt auf das Silizium setzt, ist thermisch immer eine gute Idee. (Wenn der Kühler nicht explizit für ein Szenario mit Heatspreader konstruiert wurde, was heute natürlich oft der Fall ist.) Noch mehr lässt sich in vielen Fällen gewinnen, wenn man einen mangelhaften Wärmeübergang vom Chip an das darüberliegende Metall, gleich welcher Art, durch einen besseren ersetzt. Wer einen Original-Heatspreader mit Original-Verlötung gegen etwas eigenes austauscht, macht das automatisch. Diese Vorteile ergeben sich aber rein aus der Entfernung des Heatspreaders. Sie wären unverändert gegeben, wenn dieser ab Werk nur 0,1 mm dick wäre. Umgekehrt würden die Temperaturen sich quasi gar nicht veränderen oder sogar steigen, wenn AMD vom 3-mm-AM5-Heatspreader auf ein 0,1 mm dünnes Kupferblech umstellen würde."
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Hier ist noch eine weitere Quelle die [Ins Forum, um diesen Inhalt zu sehen] seine These untermauern:
Quelle
Die Oberfläche einer Ryzen 7000 CPU ist 910mm². Eine AM4 CPU hatte ~1300mm².
Mit 3,5mm Dicke und 910mm² (AM5) kommst du theoretisch auf 2,21K
Mit 2,6mm Dicke und 1300mm² (AM4) kommt du theoretisch auf 1,15k
Bei AM5 sitzen die Chiplets aber sehr nah am Rand des Heatspreaders, was das Ergebnis definitiv weiter verschlechtert.
Wir haben vor kurzem noch ein Offset-Montage-Kit entwickelt und sehen damit Verbesserungen von 2-4°C im Schnitt. Noctua konnte das ebenfalls bestätigen.
Wenn man das alles betrachtet dann könnten die AM5 CPUs bei einem anderen Design mit Sicherheit gute 3-5°C kälter laufen.
Bereits für AM4-Prozessoren, bei denen das Problem wegen des nach außen hin breiteren Heatspreaders und der deutlich geringeren Heizleistung der CCDs weniger ausgeprägt war, habe einige Verkäufer ähnliche Zahlen verbreitet. Als wir genau nachgemessen haben, waren bei Volllast/in temperaturkritischen Situationen aber nicht einmal 0,1 K Unterschied nachweisbar. Zumindest der AM4-Heatspreader hat seinen Job also gut gemacht und die konzentriert eingebrachte Wärme gut über den Kühlerboden verteilt. Daher auch meine Vermutung, dass eine realitätsnahe 3D-Modellierung an Stelle der einfachen 1D-Überschlagsrechnung dem dicken AM5-Design sogar eine bessere Performance bescheinigen könnte als einem hypothetischen, dünneren Gegenstück.
[Ins Forum, um diesen Inhalt zu sehen]
Eigentlich müsste es dir mit deinem Maschinenpark und CPU-Vorrat doch möglich sein, das einfach mal auszuprobieren, oder? Entweder eine noch originale CPU um 1,5 mm abfräsen, möglicherweise sogar in mehreren Schritten für Zwischenergebnisse (und ganz vorsichtig, nicht dass die Lötverbindung Schaden nimmt) oder aber eine bereits geköpfte einmal mit einem originalen Heatspreader und einmal mit einem dünneren Stück Kupfer gleicher Fläche versehen. Da Flüssigmetall ziemlich konstante Schichtdicken ergibt, sollte sich die Verbindung Silizium-IHS leicht mit der nötigen Reproduzierbarkeit herstellen lassen, um auch kleine Unterschiede in der weiteren Wärmeleitung aufzulösen.
Königsweg wäre aber natürlich ein anders aufgebautes Package, da gebe ich dir Recht. Seit Sandy Bridge E wird systematisch versucht, die heißen Kerne möglichst weit außenliegend zu verteilen, um Hotspots zu reduzieren und was macht AMD? Packt beide CCDs an ein Ende und auch noch so, dass in der Mitte acht Kerne direkten Kontakt zueinander haben. Zum zweiten Mal. Während man eine komplett neue Plattform designt und somit sämtliche nur erdenklichen Freiheiten zu deren Optimierung hätte. Ein längliches Package mit mittigem IOD würde vielleicht nicht nur 5, sondern sogar 10 K besser performen und eventuell wäre die resultierende Form sogar exotisch genug, um die AM5-Marketing-Abteilung zum Verzicht auf die markanten Wärmeleitpasten-Sammeltaschen* zu überreden. Offensichtlich war man aber auf Teufel komm raus darauf erpicht, die alten Substratabmessungen beizubehalten, vermutlich um sich eine Umrüstung des Maschinenparks zu sparen.
*: Plant ihr da eigentlich "der8auer"-Editionen, die nicht nur auf Flüssigmetall umgerüstet sind, sondern auch einen Heatspreader mit durchgehenden Außenkanten haben? Asking for a friend.
Die Aussparungen für die SMDs könnte man bequem von unten einfräsen, ohne auch nur die für die CAM-Loadplate nötige Stufe zu erreichen, geschweige denn einen Durchbruch bis zur Oberseite zu machen. Als positiver Nebeneffekt wäre es möglich, die Kühlerkontaktfläche auf 1.150+ mm² zu steigern.
Die Oberfläche einer Ryzen 7000 CPU ist 910mm². Eine AM4 CPU hatte ~1300mm².
Mit 3,5mm Dicke und 910mm² (AM5) kommst du theoretisch auf 2,21K
Mit 2,6mm Dicke und 1300mm² (AM4) kommt du theoretisch auf 1,15k
Man könnte fast sagen, dass AM5 damit doppelt so "schlecht" ist wie AM4. Es ist natürlich weit davon entfernt ein thermisches Problem zu sein, aber man sieht hier wirklich eine erkennbare Rückentwicklung.
Das Problem hierbei ist allerdings, dass die CPU nicht symmetrisch aufgebaut ist und man deshalb die einfache Formel nicht zu 100% ansetzen kann. Denn hier geht man von einer homogenen Verteilung der Wärme aus.
Bei AM5 sitzen die Chiplets aber sehr nah am Rand des Heatspreaders, was das Ergebnis definitiv weiter verschlechtert.
Wir haben vor kurzem noch ein Offset-Montage-Kit entwickelt und sehen damit Verbesserungen von 2-4°C im Schnitt. Noctua konnte das ebenfalls bestätigen.
Wenn man das alles betrachtet dann könnten die AM5 CPUs bei einem anderen Design mit Sicherheit gute 3-5°C kälter laufen.