Referenz- versus Non-Referenzdesign bei Grafikkarten

Bei Grafikarten wird immer von Referenzdesign oder Nicht-Referenzdesign gesprochen. In diesem Beitrag wollen wir erläutern, was das bedeutet und wieso es im Zusammenhang mit einer Wasserkühlung wichtig ist zu wissen, ob eine Karte im Referenz-Design ist oder nicht.

Unternehmen wie NVIDIA und AMD entwickeln Grafikkarten-Chips (GPU) und ein Platinen-Layout, auch PCB genannt (Printed Circuit Board). Mit dem Referenz-Layout wird die genau Positionierung der GPU, sowie der Speicherchips, Spannungswandler, Stromanschlüsse und der Schrauben für den Luftkühler definiert.

Dies ist eine Referenz-Platine der NVIDIA GTX 980:

Auch bei den Luftkühlern spricht man von Referenz-Kühlern, die von NVIDIA und AMD zusammen mit neuen Grafikkarten-Modellen vorgestellt werden. Bei den meisten Referenz-Kühlern wird die Wärme via PCI-Slotblende abgeführt. Viele Kühler, die von den Grafikkartenherstellern selber entwickeln werden, haben die Tendenz die Wärme in die Umgebung der Karte, also ins PC-Gehäuse, abzuführen. Dies stellt dann höhere Anforderungen an die Kühlung des gesamten Innenraums des Gehäuses, damit sich nicht zu viel Wärme im Inneren staut und andere Komponenten in Mitleidenschaft gezogen werden.

So genannte Nicht-Referenz- oder Custom-Design-Karten entstehen, wenn die Grafikkartenhersteller bei ihren Modellen vom Referenz-Layout des PCB und des Kühlers abweichen. Es gibt auch Modelle, bei denen nur der Kühler modifiziert wird und das PCB im Referenz-Layout bleibt. Custom-Karten zeichnen sich beispielsweise durch einen höheren Takt und/oder mehr Speicher aus. Von den Herstellern selber designte Kühler führen meistens dazu, dass sie leiser laufen als das Original und die Karte besser kühlen, weil mehr als ein Lüfter. Manchmal kommt es auch vor, dass die Hersteller keine Custom-Designs herausgeben dürfen. Aktuell trifft dies unter anderem auf die Titan-Modelle von NVIDIA zu.

Natürlich kann man sich die Frage stellen, warum man überhaupt auf eine Wasserkühlung setzen soll. Generell gesagt läuft ein PC mit Wasserkühlung leiser, strahlt weniger heisse und trockene Luft ab und geht schonender mit der Hardware um. Bei CPU und Grafikkarte erlebt man kein Throttling mehr. Wenn man das System übertakten möchte, hat man mehr Spielraum, weil die Kühlleistung von Wasser besser ist als die von Luft. In der Physik wird das mit dem so genannten "Wärmeübergangskoeffizient" ausgedrückt.

Ocaholic hat einen direkten Vergleichstest gemacht, bei dem sie die gleiche Karte einmal mit dem Original-Luftkühler und einmal mit einem Waterblock getestet haben (ASUS R9 290X DirectCU II): "Selbst unter Volllast und übertaktet, stieg die Temperatur unserer Testkarte in wassergekühltem Zustand nicht über 53°C, wohingegen die luftgekühlte Ausführung bei 81°C am Limit lief... Bestückt man die R9 290X mit einem Luftkühler, dann bekommt man unter so gut wie allen Umständen Throttling, sprich aktives Heruntertakten der Karte zu Gesicht. Erst wenn man die Karte mit einem Wasserkühler bestückt, dann zeigt sich das volle Potential. Das zeigt sich vor allem dann, wenn man die R9 290X noch etwas übertakten möchte. Mit Luftkühlung war in unserem Fall bei 1150 GPU-Takt Schluss, wassergekühlt ging die Reise dann noch bis 1310 MHz weiter.

Wenn man eine Grafikkarte auf Wasserkühlung umrüsten will, gibt es grundsätzlich zwei Optionen: Man verwendet einen Kühler, der nur den Chip abdeckt und kühlt oder man verbaut einen so genannten Full-Cover Kühler, der neben der GPU auch die Speicherbausteine und Spannungswandler auf dem PCB abdeckt und damit für eine optimale Kühlung der gesamten Karte sorgt. Für leistungsstarke Grafikarten sind auf jeden Fall Full-Cover Kühler zu empfehlen.

Hier stellt sich die Frage nach Referenzdesign der Karte nicht, da der Kühler – ähnlich wie beim CPU-Sockel auf dem Mainboard – nur an den vier Montagepunkte, die rund um die GPU angeordnet sind, verschraubt wird.

Hier zwei Beispiele von verschiedenen Herstellern:

Den GPU-Kühler von Watercool kann man mit einer universellen Kupferplatte ergänzen, die auf viele Grafikkartenmodelle passt oder zugeschnitten werden kann. Auf der Kupferplatte sitzt eine kleiner Block aus POM, der dann ebenfalls von Wasser durchflossen wird:

Solche Kühler sind in der Anschaffung günstiger als ein Full-Cover Waterblock und man kann sie weiterverwenden, wenn man sich eine neue Grafikkarte anschafft. Der Nachteil ist jedoch, dass der Rest der Karte nicht aktiv gekühlt wird. In den Anfangszeiten der Wasserkühlung für PC’s war es noch durchaus üblich, solche Kühler einzusetzen.

Alphacool bietet ein System an, das eine Mischung aus Full-Cover und nur-GPU-Kühler darstellt. Die GPU wird mit einem standardisierten Waterblock gekühlt, der Rest der Karte ist mit einem Kühlgerippe abgedeckt. Dieses ist dann wiederum ans Layout der Karte angepasst.

Full Cover-Waterblöcke sind immer auf ein bestimmtes Grafikkartenmodell- oder Layout zugeschnitten, denn sie müssen genau auf die Position der Bauteile auf dem PCB abgestimmt sein. Deshalb unterscheidet man zwischen Waterblöcken, die für Referenz-Karten gedacht sind und Blöcken, die auf bestimmte Custom-Designs passen.

Bei diesem Waterblock von Watercool (Watercool HEATKILLER GPU-X "Black Edition") erkennt man gut die unterschiedlichen Vertiefungen auf der Rückseite:

Von vorne und auf eine Grafikkarte (EVGA GeForce GTX 780 Ti SC) montiert es dann so aus, hier verwenden wir die "Acryl Edition" desselben Waterblocks:

Wenn man für eine Grafikkarte einen Waterblock sucht, muss man wissen, ob man eine Referenz-Karte hat oder nicht. Wenn eine Karte lediglich einen Custom-Kühler hat, gilt sie bei der Suche nach einem passenden Waterblock trotzdem als Referenz-Karte.

• Referenz-PCB + Referenz-Kühler = Referenz-Karte
• Referenz-PCB + Custom-Kühler = Referenz-Karte
• Custom-PCB + Custom-Kühler = KEINE Referenz-Karte

Nicht alle Waterblock-Hersteller bedienen den Markt für Referenz- und Custom-Karten gleichermassen: EK Water Blocks hat regelmässig Waterblöcke für Custom-Karten im Programm, Liquid Extasy ist auf Sonderanfertigungen spezialisiert. Hersteller wie Watercool oder Aquacomputer sind vor allem für ihre Kühler im Referenzdesign bekannt (siehe auch Hersteller-Liste weiter unten). Es ist für jeden Hersteller immer auch eine wirtschaftliche Überlegung, wie viele Produktvarianten er entwickeln und vermarkten will, denn bei Grafikkarten ist der Produktzyklus relativ kurz.

Was das alles in der Praxis bedeutet und wie gross die Unterschiede zwischen einer Referenz- und einer Nicht-Referenzkarte sein können, wollen wir hier an einem konkreten Beispiel zeigen. Dazu haben wir zwei GTX 780 Ti-Modelle in zwei verschiedenen Ausführungen vorbereitet:

Karte links: ASUS GTX-780 Ti DirectCU II OC (komplett Custom-Design)

Karte rechts: EVGA GeForce GTX 780 Ti SC (Referenz-PCB / Custom-Kühler)

Waterblock: Watercool HEATKILLER GPU-X "Acryl Edition"

Vergleicht man die beiden Karten miteinander, fällt als erstes der Grössenschied zwischen den beiden Kühlern auf. Die ASUS-Karte ist mit dem Kühler fast zwei Zentimeter länger als die EVGA-Karte. Zudem ist sie über drei Zentimeter höher. Auch die beiden Platinen haben nicht dieselben Abmessungen. Die Positionierung der Elemente auf dem PCB ist nicht gleich: So sind zum Beispiel die Spannungswandler und die Kondensatoren anders angeordnet. Der Anschluss für den SLI-Konnektor ist bei der ASUS-Karte höher als der Rest des PCB.

Auf dem rechten unteren Bild sind Waterblock und die EVGA-Karte übereinander gelegt, links seht Ihr nochmal zum Vergleich die Rückseite des Blocks. Man erkennt gut, wie die Vertiefungen im Block genau auf die Elemente des PCB passen. Die Speicherbausteine sind violett, die Spannungswandler rot und blau markiert. Für die beiden hellrot markierten Kondensatoren erkennt man gut die Vertiefung, die auf der Rückseite des Waterblocks ausgespart ist. In der Mitte sitzt die GPU.

Abmessungen ASUS GTX-780 Ti DirectCU II OC (Link für technische Details):
Länge: 28. 7 cm
Höhe: 14.7 cm

Abmessungen EVGA GeForce GTX 780 Ti (Link für technische Details):
Länge: 26.6 cm
Höhe: 11.1 cm

Ein Stück weit gleicht die Suche nach einem Waterblock der berühmten "Henne-Ei-Frage".

• Ich habe eine Grafikkarte und will sie umrüsten: Waterblock-Hersteller bieten auf ihren Webseiten Kompatibilitäts-Listen oder Konfiguratoren an. Anhand davon kann man herausfinden, ob der Hersteller einen oder mehrere passende Waterblocks anbietet oder nicht. So kann man auch grundsätzlich herausfinden, ob man eine Referenz-Karte hat oder nicht.
• Ich habe noch keine Grafikkarte: Dann kann man sich bei verschiedenen Waterblock-Herstellern umschauen und einen Block nach optischem Gefallen und / oder Bewertungen auswählen. Der Hersteller gibt an, für welche Karte der Block passt. Natürlich muss die Karte dann auch im Handel verfügbar sein, sonst muss man weiter suchen.

Bei der Auswahl eines Waterblocks "isst auch das Auge mit", wie man hier sehr schön sehen kann:

Natürlich sollte man sich auch Gedanken zu den anderen Wasserkühlungs-Komponenten und der Schlauchführung im Gehäuse machen, denn schliesslich besteht ein komplettes Wasserkühlungssystem aus mehr als nur der Grafikkarte.

Wenn neue Karten auf den Markt kommen, gibt es meistens eine gewisse Zeitdifferenz bevor Hersteller die passenden Waterblocks liefern können. Aber natürlich sind sie sehr bemüht, möglichst schnell liefern zu können.

Als kleine Hilfestellung hier eine Liste mit Herstellern von GPU-Waterblöcken:

• Alphacool
• Aquacomputer
• Bitspower
• EK Water Blocks
• Koolance
• Liquid Extasy
• Swiftech
• Watercool
• XSPC

Hat man einen passenden Waterblock erworben, empfehlen wir folgendes Vorgehen: Die Grafikkarte sollte man so testen, wie man sie gekauft hat. Man lässt sie für ein oder zwei Wochen im alltäglichen Betrieb im PC laufen, damit man sie auf Herz und Nieren prüfen und Mängel möglichst ausschliessen kann. Stellt man bei einer Karte nach dem Kauf Probleme fest, ist sie ein Garantiefall. Den Waterblock testet man am besten auf seine Dichtigkeit, reinigt ihn von innen mit Wasser und verschliesst die Öffnungen mit Verschlusskappen.

Erst dann sollte man sich an den Umbau machen: Lest dazu die Montage-Anleitung des Waterblock-Herstellers genau durch und nehmt Euch genug Zeit, um den Umbau zu machen. Mit dieser Vorgehensweise kann man weitestgehend ausschliessen, dass man eine defekte Karte oder einen defekten Waterblock verbaut.

Wenn man sich entscheidet eine Grafikkarte auf Wasserkühlung umzurüsten, sollte man sich bewusst sein, dass dies zum Verlust der Garantie führen kann. Nicht jeder Kartenhersteller geht damit gleich um. Dasselbe gilt aber auch, wenn man einen anderen Luftkühler montiert. Ausschlaggebend für die Garantiefrage ist die Demontage des Original-Kühlers, der beim Kauf auf der Karte montiert ist. Deshalb ist es auch wichtig, den Originalkühler auf jeden Fall aufzubewahren. Von EVGA ist bekannt, dass sie die Garantie auch gewähren, wenn der Original-Kühler demontiert wurde, wie man auf der FAQ-Supportseite nachlesen kann.

Wer derartige Garantiefragen umgehen will, findet bei Herstellern wie EVGA oder ASUS auch Grafikkartenmodelle, die bereits einen Waterblock integriert haben. Auch gibt es Shops, welche den Umbau auf Wasserkühlung als Dienstleistung anbieten (zum Beispiel MIPS Computer).

Wem das jetzt Alles zu kompliziert ist, findet in Foren zahlreiche Hilfestellungen zu Wasserkühlungs-Themen und die Möglichkeit, Fragen in der Community zu stellen. Hier ein paar hilfreiche Links:
Foren in Deutsch: PC Games Hardware / OverclockingStation
Foren in Englisch: overclock.net / bit-tech.net

Wir danken ASUS, EVGA und Watercool für die Bereitstellung der Samples für diesen Beitrag.