PS5 & Xbox Series X: Sind leisere Konsolen trotz Leistungssprung realistisch?

Wie kühlen sich die Next Gen-Konsolen? Wir klären die Systeme von PS5 und Xbox Series X.

Ruft man sich die Videospielsysteme vergangener Tage ins Gedächtnis zurück, lassen sich einzelne Modelle umgehend anhand spezifischer Eigenheiten charakterisieren. Außergewöhnliche Exklusivtitel, kreative Bedienkonzepte oder auch ärgerliche Hardwaremängel. Bei der Playstation 4 treffen alle genannten Aspekte zu, regelrecht berüchtigt ist sie jedoch für ihre immense Lautstärke.

Beim direkten Nachfolgegerät, der PS5, gilt es ähnliche Fehler zu vermeiden, bestätigt Sonys leitender Systemarchitekt Mark Cerny. Erreicht werden soll dies mithilfe eines hocheffizienten Designs der einzelnen Kühlkomponenten, sowie fortschrittlichen Methoden im Hinblick auf Stromverbrauch und variabler Taktfrequenz.

Tatsächlich sind die Vorwürfe an der PS4 weitgehend unberechtigt, denn der Konsolenhersteller aus Japan weiß sehr gut mit der enormen Hitzeentwicklung in seinen Geräten umzugehen, moderne Hardware scheitert jedoch an anderer Stelle.

Den Feind identifizieren

Um die Wärmeproblematik zu verstehen, lohnt sich eine Betrachtung des Grundprinzips von Mikroprozessoren. Die heutige Computertechnik fußt weitgehend auf Feldeffekttransistoren, bei denen eine Spannung anliegen muss, um einen Schaltvorgang durchzuführen. Die dabei entstehende Verlustleistung wird in Form von Wärme abgegeben.

Bei weniger komplexen Prozessoren kann man weitgehend auf Kühlkörper verzichten, da der Spannungsaufwand minimal ausfällt. Je nach Modell bestand bspw. der Chip der Playstation 1 aus bis zu einer Million Transistoren, die in einer Frequenz von gerade einmal 33,9 MHz Schaltvorgänge durchführten. Peanuts im Vergleich zu einer Xbox Series X, die es auf eine Gesamtanzahl von 15,3 Milliarden Transistoren bringt, welche konstant bei 3,8 GHz operieren können.

Info:
Die entstehende Verlustleistung steigt gleichmäßig mit der Anzahl der Transistoren und der Taktfrequenz. Lediglich kleinere Fertigungsstrukturen schaffen dagegen Abhilfe, da weniger Spannung für eine Schaltung benötigt wird. Bereits eine minimale Senkung kann das Kühlsystem signifikant entlasten.

Kaum Beschwerden bei der Xbox One

Bleiben wir direkt bei Team Grün. Während die ersten Gehversuche Microsofts im Konsolen-Business schwerwiegende Probleme mit der Betriebslautstärke und der Zuverlässigkeit offenbarten, scheint die Weste seit der Xbox-One-Generation lupenrein zu sein. Bis zum Ende des Produktzyklus sind überhitzte Geräte oder hochdrehende Lüfter eine Seltenheit. Maßgeblich verantwortlich dafür sind der überschwängliche Einsatz von Heatpipes sowie eine nahezu durchgängige Verwendung von Kupfer.

Überhaupt … Heatpipes. Da sich diese Bezeichnung noch einige Male wiederholen wird, schauen wir uns doch direkt einmal an, wie diese funktionieren.

Einfache Skizzierung einer Heatpipe - Flüssigkeit verdampft in der unteren Sektion, steigt auf und kondensiert am oberen Ende.

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Grundsätzlich handelt es sich um Kupferröhren, welche in geringem Maß mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, die bei Erhitzung verdampft und aufsteigt. Am kühleren Ende der Röhre kondensiert das entstandene Gas wieder und wird über Kapillarsysteme zurückgeleitet, so dass ein Kreislauf entsteht.

Eine Heatpipe fungiert durch den aufsteigenden Dampf als Verteiler, der die Wärme an einen Block aus Aluminiumfinnen, welcher eine deutlich größere Angriffsfläche für einströmende Luft bietet, überträgt.

Der Siegeszug der Vapor Chamber

Dass Microsoft so viel Aufwand in die Kühlung steckte, soll nicht unerwähnt bleiben, schließlich galt der geringe Leistungsvorsprung der Playstation 4 immer als Pluspunkt für jene. In der Produktion ist Kupfer allerdings ungefähr zweieinhalbmal so teuer wie Aluminium und bietet dafür ca. 50% bessere Wärmeleiteigenschaften. Die Transportkosten steigen aufgrund des höheren Gewichts gleichermaßen, was sich im Preis der Konsole niederschlägt.

Auch bei der Xbox One X scheute das Ingenieursteam eine entsprechende Investition nicht und versuchte sich sogar an einer Vapor Chamber, die ebenso bei der kommenden Series X Verwendung finden wird. Die physikalische Grundlage von Heatpipes bleibt dabei erhalten, allerdings sind die Abmessungen gänzlich unterschiedlich. Statt in engen Röhren wird eine Flüssigkeit in großflächig dimensionierten Kupferkammern vaporisiert (also verdampft). Das Gas steigt auf und kondensiert wie gehabt an der kühleren Oberseite, wo Finnen aus Aluminium angebracht sind.

Vereinfachtes Schema einer Vapor Chamber - Dampf steigt auf, kondensiert und wird über Kapillarsysteme zurückgeleitet.

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Ursprünglich pries man diese Kühllösung aus Marketinggründen als "Liquid Cooling" an, um den Unterschied zur klassischen Heatpipe hervorzuheben, davon sind wir allerdings noch weitgehend entfernt. Wohl auch, weil sich das Konzept, das zuvor nur bei High-End-Grafikkarten und im Server-Markt zum Einsatz kam, als enorm erfolgreich herausstellte.

Trotz der gewaltigen Leistungssteigerung, die 4K und hohe Bildwiederholraten auf Xbox-Systemen etablierte, bleibt die Betriebslautstärke der One X durchgängig auf einem nervenschonenden Niveau.

Besonderheiten der Series X

Um weiterhin die selbstgesteckten Ziele erfüllen und um Ray-Tracing sowie blitzschnellen NVMe-Speicher erweitern zu können, entschied man sich für ein vertikal ausgerichtetes Gehäuse mit einem 130mm-Lüfter an der Spitze. Da es sich beim Mainboard der Series X um zwei gegenüberliegende Platinen handelt, die zentral verbaut werden, bietet sich die Möglichkeit des parallelen Kühlens an.

Ein Lüfter soll reichen um das gesamte Gehäuse der Xbox Series X mit Luft zu durchströmen.

Bildquelle: Microsoft

Eine massive Vapor Chamber bedeckt die APU (die Verbundeinheit aus Haupt- und Grafikprozessor), den Arbeitsspeicher und sogar die Spannungswandler des Mainboards, da moderne Prozessoren diese immer stärker belasten. Auf der anderen Seite des Haltegestells befinden sich der eigens angefertigte NVMe-Speicher, der dafür notwendige PCI-Express-4.0-Chipsatz und das Netzteil.

Diese Bauteile produzieren ebenso Wärme, jedoch in geringerem Maße, weshalb sich in dieser Kammer viele weitere platzeinnehmende Komponenten, wie das UHD-Blu-Ray-Laufwerk, befinden. Der Luftstrom zur APU bleibt hingegen völlig frei.

Eine Series X soll letztendlich nicht lauter als die Vorgänger-Xbox werden, aber kann das klappen? Wir sagen: Durchaus! Die Vapor-Chamber-Technik ist bewährt und der einfache aber hocheffektiv gestaltete Air Flow sollte der Hitzeentwicklung gut entgegenwirken.

Hovis-Methode bei der Series X…

Die Fertigung von Prozessoren verläuft nie perfekt, weshalb sich Chips derselben Produktionsreihe trotz gleicher Spezifikationen stark unterscheiden können. Qualitativ minderwertigere Exemplare benötigen eine höhere Spannung, um die vorgegebene Taktrate zu erreichen.

Wird die Konsole durch ein Spiel stärker belastet, steigt der Energieverbrauch und mehr Abwärme wird generiert.

Bildquelle: Sony

Herstellerseitig hat man sich daher bisher immer dazu entschieden, die Spannungsversorgung großzügig zu bemessen, damit eine hohe Chip-Ausbeute gesichert bleibt. Anderweitig würde es schnell zu weitreichenden Lieferschwierigkeiten und einem hohen Grad an verschwendeten Ressourcen kommen. Die starre Festlegung bewirkt aber auch, dass qualitativ hochwertige Prozessoren unnötig viel Abwärme produzieren, schließlich könnten sie theoretisch mit deutlich weniger Spannung auskommen.

Um dem entgegenzuwirken, realisierte Bill Hovis, leitender Ingenieur des Xbox-Teams, eine Methode, mit der das Leistungsniveau eines Prozessors praxisnah gemessen werden kann. Auf Grundlage eines Performance-Tests wird ein individuelles Profil erstellt, das die angelegte Spannung reguliert. Mit steigender Güte der APUs bleiben diese von nun an kühler.

…vs. variable Taktfrequenz bei der Playstation 5

Während Microsoft vor allem mit einer konstanten Leistungsfähigkeit wirbt, verfolgen die Architekten der fünften Playstation-Generation einen gänzlich anderen Ansatz. Mittels AMDs SmartShift-Technologie werden je nach Arbeitslast die Taktraten der Grafikeinheit und des Hauptprozessors dynamisch angepasst. Beide Komponenten müssen jedoch eine Balance einhalten und dürfen ein bestimmtes Energiebudget nicht überschreiten.

Das Zünglein an der Waage? - Schema von AMDs SmartShift-Technologie in der PS5

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Sony erreicht damit, dass Spiele die Konsole nicht mehr unterschiedlich stark belasten und sich Entwickler dennoch ein Maximum an Leistung für die jeweilige Szene aus dem Budget herausziehen können. Soll ein partikelreiches Explosionsfeuerwerk gezündet werden, wird der Takt der Grafikeinheit angehoben, während der Hauptprozessor ein wenig ruhen kann. Bei einer darauffolgenden Physiksimulation wird die Verteilung einfach umgekehrt.

Dank dieser Technik soll die PS5 nicht nur höchst flexibel sein, das Team um Mark Cerny kann zudem die Kühlung um ein vorab festgelegtes Energiekontingent herum konzipieren, statt beim anfänglichen Designprozess zu schätzen, wie stark Spiele in 5 Jahren oder mehr das System beanspruchen könnten.

Leaks und ein Blick in die Glaskugel

Mit welcher Kühllösung die Konsole letztendlich ausgestattet wird, lässt sich indes nur schwer voraussagen. Patentskizzen des Dev Kits der PS5 zeigen einen zweigeteilten Air-Flow. Auf beiden Seiten rotieren jeweils drei Lüfter, um auf die stärksten Hitzeherde einzuwirken. Grundsätzlich ist aber immer noch ein Mainboard als Gesamtes zu erkennen.

Die V-Form entsteht also lediglich aufgrund der Platzierungen des Netzteils und eines Kühlkörpers oberhalb der APU, der tatsächlich als Vapor Chamber interpretiert werden kann.

Sind die Kühlrippen an der Spitze des PS5-Designs die einzigen offenen Stellen am Gehäuse? ?

Bildquelle: Sony

Sonys finale Designenthüllung wirft allerdings erneut Fragen auf. Ein schmaler, aber hoher Turm, der von oben nach unten mit Einzügen versehen ist. Da die Rückseite bisher nicht gezeigt wurde, lässt sich nur vermuten, wie die Luft im Gehäuse zirkuliert. Möglich erscheint bspw., dass ein Luftstrom von der Spitze über die gesamte Platine führt und nach hinten ausgestoßen wird.

Noch mysteriöser ist ein Patent, das eine Kühlung der Unterseite der APU suggeriert. Ein Wärmeleitpad stellt die Verbindung mit einer Platte her, welche wiederum über ein System von zylindrischen Heatpipes Wärme zu einem Block aus Aluminiumfinnen transportiert. Befestigt ist dieser an der Rückseite des Mainboards.

Im Zusammenspiel mit einer weiteren Kühlkomponente oberhalb der APU könnte entstehende Hitze sogar so effizient ausgeglichen werden, dass man zusätzlich ein Problem eliminiert, das PS4-Jünger seit dem ersten Tag plagt: Eingetrocknete Wärmeleitpaste.

Der lange Weg ins Wohnzimmer

Die Fertigung einzelner Bauteile findet in hochspezialisierten Fabriken statt, weshalb die Endmontage von Auftragsherstellern wie Foxconn übernommen wird. Legt man einen Prozessor und einen Kühlkörper egal welcher Bauart übereinander, entstehen mikroskopisch kleine Luftkammern und Spalte. Daher kommt eine streichfähige Masse aus Silikon-Ölen und Metall-Oxiden zum Einsatz, die die Unebenheiten verschließt.

Häufige Ursache für eine zu laute PS4 - Die aufgetragene Wärmeleitpaste.

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Üblicherweise verschlechtert sich der Zustand von Wärmeleitpaste merklich nach etwa zwei Jahren. Es folgt eine stärkere Erhitzung des Prozessors, wodurch der Lüfter des Geräts stärker aufdreht, da der Kühlkreislauf durch den höheren Luftdurchsatz erhalten werden soll. Übersteigt die Temperatur das festgelegte Limit, schaltet sich das System einfach ab.

Da Konsolen monatelang verschifft und gelagert werden, müssen wir diese Zeit von der eigentlichen Lebensdauer der Wärmeleitpaste abziehen. Eine Verschlechterung der Betriebslautstärke tritt also im ersten oder spätestens während des zweiten Jahrs ein.

Aus persönlicher Erfahrung kann ich sogar von Systemen berichten, deren Wärmeleitpaste bereits kurz nach der Inbetriebnahme nahezu eingetrocknet war. Qualitativ hochwertigere und langlebigere Produkte könnten hier für Abhilfe sorgen, die Gewinn- und Verlustmargen sind bei Konsolen allerdings eng kalkuliert.

Nach einem Austausch zeigten vor allem sämtliche Sony-Plattformen eine umgehende Besserung. Die in einen Aluminiumblock eingebetteten Heatpipes nahmen nun deutlich besser die Abwärme der APU auf und der Lüfter blieb sogar bei aufwendigen Titeln wie God of War nahezu flüsterleise. Das Team von Mark Cerny tut also gut daran, diese Fertigungsmakel dauerhaft auszugleichen.

Glaubt ihr an eine leise Next-Gen? Oder hattet allgemein noch nie Probleme mit einer laut werdenden Konsole? Teilt es uns doch mit!