Leserartikel Netzteile für schwache Lasten - Ist weniger auch mehr?

[Spike S.]

Als es bei mir darum ging, dass ich einen kleinen Server bei mir daheim laufen lassen wollte, kam ganz schnell die Frage des Stromverbrauchs auf. Das war noch vor Februar 2022. Seit dem ist die Frage der Kosten natürlich noch interessanter geworden. Daher hatte ich geschaut, welche Netzteile man nehmen kann und bin dann, nach einiger enttäuschender Recherche (unter 350W/400W gibt es kaum bis keine interessanten ATX-Netzteile), auf die Wandlerplatinen gekommen.

In dieser Zeit bin ich auch auf den Thread Warum gibt es so wenige gute Netzteile unter 400 Watt? hier bei CB gestoßen und war mit der Erkenntnis daraus unzufrieden, vor allem weil ich mir nicht vorstellen konnte, dass ein ATX-Netzteil ab 350W oder 400W bei schwachen Lasten von 10W bis 50W effizient arbeiten soll. Man kennt es ja aus den Netzteil-Tests, normale ATX Netzteile sind irgendwo zwischen 50% und 80% am effizientesten (bitte nagelt mich nicht darauf fest, die effizienteste Durchschnittslast fällt mir gerade nicht ein).

Ihr könnt vielleicht schon die Zielsetzung erahnen, es ging mir darum möglichst stromsparend einen einigermaßen leistungsstarken Rechner (für den angedachten Zweck einer Virtualisierungsumgebung) dauerhaft laufen zu lassen. Beim Stromverbrauch habe ich mich hauptsächlich aus meiner gesammelten Erfahrung aus gelesenen Tests, vor allem zu Fertig-NAS bedient. Daher war das optimalste aller Ziele für mich unter 10 Watt zu bleiben, das realistische Ziel so nah wie möglich an diesen Wert heranzukommen. Dafür habe ich mir ein "kleines" ATX-Netzteil und eine Wandlerplatine besorgt, um diese im gleichen Einsatzszenario miteinander zu vergleichen.


Testkandidaten

ATX-Netzteil	be quiet! Pure Power 11 CM 400W ATX 2.4 (Herstellernummer BN296) 80 PLUS Gold, bis zu 92% Effizienz (lt. Hersteller)
Wandlerplatine	Streacom Nano120 PSU 120W (Herstellernummer ST-NANO120) durchschnittliche Effizienz >87% (lt. Hersteller)

Das be quiet! hatte ich mir hier im Marktplatz gebraucht besorgt, das Streacom hatte ich neu bei einem Onlinehändler bestellt.


Testsystem

CPU	Intel i5-4590T
Board	MSI H97M-G43
RAM	4 x 8GB DDR3 1600 MHz
Laufwerke	Samsung M.2 SSD 980 Pro 1TB, keine HDDs oder ODDs
CPU-Kühler	Cryorig M9
Gehäuse	Corsair Carbide 100R Silent (mit 2 Werkslüftern)
Betriebssystem	Proxmox 7.3 (Debian Bullseye)

Als Messgerät für den Stromverbrauch kam ein Bearware 302737 (PDF) Energiekostenmessgerät zum Einsatz (Genauigkeit +/- 2%, von 0,1W bis 3680W). Das ist natürlich kein wissenschaftlich exaktes Gerät, aber bei meinen Versuchen gehe ich einfach davon aus, dass es immer den gleichen "Quatsch" misst und damit sind die Werte untereinander vergleichbar.


Testergebnis

Hinweis: Bei dem Test hatte ich nicht bedacht, dass das Streacom gar keinen eigenen Lüfter hat, im Gegensatz zum be quiet!. Daher ist der Vergleich nicht ganz optimal. Ich werde noch einen weiteren Testlauf nachholen, bei dem ich das über die Gehäuselüfter versuche auszugleichen (beim be quiet! einen weniger mitlaufen lassen, als beim Streacom). Update folgt.

Spoiler: Wertetabelle

	Streacom Nano120 PSU 120W	be quiet! Pure Power 11 CM 400W
Peak Boot	32,6​	38,2​
Idle performance *1	17,5​	23,2​
Idle powersave *1	17,4​	22,3​
Idle ondemand *1	17,4​	22,2​
Last (CPU 100%) *2	43,0​	46,4​
Last (CPU 100%) no_turbo, performance	35,1​	38,5​
Last (CPU 100%) no_turbo, powersave *3	24,1​	28,5​
Last (CPU 100%) no_turbo, ondemand	35,1​	38,5​

Alle Werte in W.
Idle meint: Nur die Proxmox WebGUI und ein kleiner LXC Container liefen, wobei der Container nicht wirklich etwas macht (minimaler Webserver), CPU Auslastung bei <2%.
*1 = Debian scaling_governor je Core (möglich sind: performance, powersave, ondemand)
*2 = Linux Befehl: stress -c 4 -m 30 -t 120 --vm-bytes 1024M
*3 = Takt wird auf 800MHz gedeckelt (laut lscpu)


Erkenntnisse & Diskussionspunkte

1. Auf den ersten Blick erkennt man sofort, dass ein kleines Netzteil bei kleinen Lasten tatsächlich Effizienter arbeitet. So interpretiere ich das Diagramm. Die Hardware und die Lasten waren in allen Versuchen immer gleich, da die no_turbo und scaling_governor Einstellungen automatisch nach jeden Reboot auf die Standardwerte zurückgesetzt werden (Turbo an, Governor auf performance). Einstellungen im BIOS sind selbstverständlich auch unverändert geblieben zwischen allen Tests.
2. Auf den zweiten Blick sieht man auch, dass dies wirklich nur für kleine Lasten unter 50W zu gelten scheint. Im Idle ist die Differenz der beiden Netzteile mit bis zu 5,7W am größten, bei hoher Last beträgt die Differenz nur noch 3,4W. Hier wäre es interessant, ob die Netzteile sich ab einer bestimmten Last annähern oder sogar die Reihenfolge tauschen. Mir fällt nur gerade nicht ein, wie ich den Gesamtverbrauch dynamisch nach oben treiben könnte, die auf 35W TDP spezifizierte CPU ist der größte Verbraucher in meinem Testsystem.
3. Auf den dritten Blick erkennt man noch, dass es für den Idle scheinbar auch darauf ankommt, welche Stromsparzustände vom Netzteil unterstützt werden. Bei dem Streacom haben die Governor Einstellungen praktisch keine Auswirkung, ich vermute das liegt an den tieferen C States. Beim be quiet! ist immerhin ein Unterschied von ca. 1W messbar.
4. Was ich nur rudimentär einschätzen kann, wie man die geringere Sicherheit und Qualtität einer Wandlerplatine gegenüber einem ausgewachsenen ATX-Netzteil betrachten sollte. Streacom gibt auf der Produktseite 3 Schutzschaltungen an ("under & over output power protection, short safety protection"), in einem der letzten Netzteiltests hier auf CB wurden dagegen 6 Schutzschaltungen betrachtet. Ebenso gibt Streacom die Restwelligkeit genau an den geltenden Grenzwerten an, gute ATX Netzteile liegen weit darunter.
5. Sollte man so eine Wandlerplatine im Dauerbetrieb nutzen? Mögliche Schäden wird wohl keiner vorhersagen können, zwischen harmlosem "geht nicht mehr" bis "schade, Board und verbaute Hardware gegrillt" dürfte wohl alles möglich sein, aber kann das auch eher und schlimmer als bei einem ATX Netzteil eintreten?
6. Und wie sollte man die technischen Vor- und Nachteile gegen den Verbrauch aufwiegen? Wenn man mal annimmt, mit dem ATX Netzteil hätte man durchschnittlich einen höheren Verbrauch von 4W, das macht bei einem Betrieb von rund um die Uhr schon 35kWh im Jahr aus. Nur der Mehrverbrauch wohlbemerkt, bei durchschnittlich 20W vs. 24W reden wir schon von 175kWh bis 210kWh pro Jahr. Mein zwei Personenhaushalt hatte bei der letzten Jahresabrechnung keine 1.700 kWh zusammenbekommen, trotz einmal durchgehend und einmal zu 40% Homeoffice. Das gesamte System würde also grob ein Plus von >10% bedeuten.
7. Die Kosten des Mehrverbrauchs würden sich bei angenommenen 40ct/kWh Brutto auf ca. 14€ im Jahr belaufen, haben oder nicht, wobei das für mich aber nicht "schmerzhaft" wäre.
8. Ich habe auch viel darüber nachgedacht, mir einfach einen virtuellen oder dedizierten Server irgendwo zu mieten, allerdings bin ich dann immer wieder zu dem Punkt gelangt, dass ich die Daten bei mir haben will. Der Server soll mal alles mögliche im heimischen Netzwerk übernehmen, je nach Basteldrang und Spieltrieb.
9. Ich hatte vor den ganzen Tests ein wenig im BIOS herumgefummelt, um darüber eventuell noch ein paar Watt herauszuholen. Das war aber eher planlos und hat zumindest im Idle keine Änderung gebracht, im Vergleich zu ein paar älteren Messwerten von früheren Versuchen. Das BIOS von dem MSI Board scheint aber auch ein eher nur geringen Umfang an Optionen zu bieten, oder ich hab noch nicht die richtigen Ecken gefunden. Oder meine Unwissenheit (habe mir über BIOS Einstellungen bisher nur wenig Gedanken gemacht) hat mich einfach nicht zu den richtigen Optionen geführt. Ist hier ein "Haswell-Experte" zugegen?

Disclaimer
Ich habe die Versuche nach bestem Wissen und Gewissen aus eigenem Interesse durchgeführt. Mir hat niemand vorgeschrieben was ich zu tun oder zu lassen habe. Wenn ihr meint Teile oder das ganze Unterfangen ist nonsens oder ich habe hier etwas völlig durcheinander gebracht, dann gerne kundtun.
Mein Ziel hier ist einfach, ein in meiner Wahrnehmung eher wenig beachtetes Thema (Verbrauch <50W) zu beleuchten und mich über Vor- und Nachteile aktuell möglicher Lösungen auszutauschen. Gern könnt ihr mir auch weitere Testszenarien oder auch weitere Hardware vorschlagen und dann schauen wir mal.

 

[Iqra]

Naja, die Effizienzkurven sind inzwischen schon eher "Effizienzgeraden", dh. relativ stabile Effizienz über die Lastverteilung. Das deckt sich auch mit Deinen Ergebnissen (wenn ich sie nicht fehlinterpretiere). Interessant wird es erst ganz außen am Rand, also sehr geringe und sehr hohe Auslastung.

Natürlich gibts auch nicht mehr den Bedarf an "kleinen" ATX-Netzteilen. Die werden "automagisch" zu SFX oä Netzteilen. Kaum jemand stellt sich derart wenig hungrige "große" Geräte da hin und entsprechend gibts die sparsamen NT auch für die "kleinen" Geräte.

Eine Möglichkeit die man immer in Betracht ziehen kann ist, wenn man mehrere Systeme hat, oder haben wollen würde, die allesamt eher sparsam sind (oder sein können) daß man die auf einen VM Host konsolidiert. Der verbraucht dann absolut etwas mehr als die einzelne Maschine, verteilt den Verbrauch aber auf alle Maschinen die da drauf laufen (weniger Energie / Maschine) und der Overhead wird aufgrund anteilig höherer Last auf dem Netzteil auch geringer.

Wenn man natürlich nur eine Maschine benötigt oder die vorhandenen zusammengenommen immer noch nur sehr wenig Strom benötigen, dann sinkt der Vorteil einer Konsolidierung wieder (zumindest bezogen auf den Stromverbrauch).


Der Vollständigkeit halber, irgendwie messen und überschlagen sollte man schon, eine Ersparnis von 365Wh/Jahr macht jetzt nicht den ganz großen Unterschied, vor allem dann nicht, wenn man Tausende Wh investieren muß um dieses Ergebnis zu bekommen.

 

[ghecko]

Die Differenz sieht ziemlich genau nach dem Lüfterverbrauch des Netzteiles aus.
Die Effiienz der DC-DC Platinen ist fast egal, weil der Verbrauch nahezu ausschließlich auf 12V stattfindet, und die werden ohne Wandlung vom Steckernetzteil durchgeleitet.
Wenn man die Stromwandlungseffizienz isoliert betrachtet, sind die kleinen DC-DC Platinen eigentlich immer im Nachteil, weil deren Effizienz vom Steckernetzteil abhängt und die sind meist zwischen 0.8-0.89.
Da kommt man mit PC-Netzteilen schon weiter, wenn diese passiv oder Semipassiv arbeiten. Selbiges kann man auch am PC anwenden, ein großer Kühler mit großem Lamellenabstand reicht für 35W durchweg passiv kühlen und die 3-5W am Lüfter spart man sich.

 

[Spike S.]

@Iqra
Wie in meinem Punkt 2. angesprochen, möchte ich gerne noch Tests bei höheren Lasten durchführen, nur ist mir bisher nur eingefallen, mal noch ein paar alte HDDs die ich hier herumliegen habe mit anzustöpseln. Ich habe nur keine Ahnung was die verbrauchen, da es kleine (<=1TB) Platten sind. Weitere Vorschläge für mehr Verbrauch sind gern gesehen.

Und ich glaub das ging nicht so deutlich hervor, aber ich habe Proxmox als Virtualisierer auf der Kiste laufen. Später sollen dann mal NAS, Nextcloud, Webserver, VPN, eventuell PiHole und noch andere Sachen darauf laufen. Somit deckt die Kiste dann schon irgendwie mehrere andere Geräte ab. Und ich bin mir recht sicher, ein Gerät mit mehreren Aufgaben im Idle verbraucht am Ende deutlich weniger, als mehrere einzelne Geräte die die meiste Zeit nur herumidlen.

Deinem letzten Absatz kann ich irgendwie nicht folgen

@ghecko
Da hast du natürlich vollkommen Recht, bei meinem Vergleich der beiden Geräte habe ich nicht bedacht, dass bei dem Streacom ein kleiner weiterer Verbraucher fehlt. Ich werde das mal bei Gelegenheit versuchen auszugleichen, indem ich beim ATX keine Gehäuselüfter mitlaufen lasse, beim Streacom dann nur einen.
Allerdings, ATX Netzteile sind bei Lasten unter 10% ihrer Kapazität deutlich ineffizienter als eine Wandlerplatine, so habe ich bisher immer die Tests gelesen. Hier in diesem Test zum Beispiel, bei dem verschiedene 80PLUS Gold NTs verglichen werden. Vor allem bei der letzten Ansicht in dem Diagramm, wo 6 Watt Haswell C6/C7 betrachtet wird.

 

[ghecko]

Allerdings, ATX Netzteile sind bei Lasten unter 10% ihrer Kapazität deutlich ineffizienter als eine Wandlerplatine, so habe ich bisher immer die Tests gelesen.

Die Aussage, dass die Effizienz dieser Wandlerplatinen in dem Szenario relevant ist, ist halt schon mal grundsätzlich falsch. Wie effizient diese Platinen sind entscheidet sich am 12V Steckernetzteil, mit dem sie betrieben werden. Denn die 12V werden nur durchgereicht, damit machen diese kleinen DC-DC Platinen gar nichts außer Sekundärspannungen ableiten. Hier findet aber nicht 99% des Verbrauchs bei modernen PCs statt, die sind auf der 12V-Schiene.

Und klar, mit einem guten Steckernetzteil das richtig dimensioniert ist kann man hier gegenüber einem ATX-Netzteil was rausholen. Aber bei den Steckernetzteilen gibt es halt von-bis so ziemlich alles, und abgesehen von ATX-Netzteilen ist deren Güte selten für den Käufer ersichtlich.
Zudem hat man hier gerne ESD-bedingte Probleme, weil der Potentialausgleich fehlt. Für einen Server würde ich das auf keinen Fall in Betracht ziehen.

 

[Felix#]

Ich hatte vor den ganzen Tests ein wenig im BIOS herumgefummelt, um darüber eventuell noch ein paar Watt herauszuholen. Das war aber eher planlos und hat zumindest im Idle keine Änderung gebracht, im Vergleich zu ein paar älteren Messwerten von früheren Versuchen. Das BIOS von dem MSI Board scheint aber auch ein eher nur geringen Umfang an Optionen zu bieten, oder ich hab noch nicht die richtigen Ecken gefunden. Oder meine Unwissenheit (habe mir über BIOS Einstellungen bisher nur wenig Gedanken gemacht) hat mich einfach nicht zu den richtigen Optionen geführt. Ist hier ein "Haswell-Experte" zugegen?

Moin,
bin jetzt kein mega Experte. Bei Haswell hat es meiner Erfahrung nach aber viel gebracht die C6/C7 States anzuschalten. Das kam mit Haswell auf und bringt vorwiegend im Idle doch schon etwas. Viele Boards haben die Option deaktiviert, weil alte Netzteile das da häufig noch nicht konnten. Kann durchaus bisschen was bringen. Keine Ahnung, wie die Option im MSI-Bios genau heisst.

Vielleicht bringt das noch ein bisschen was. Mein Haswell 4770K System inkl. Gigabyteboard mit alter GTX760 lief läuft so auf 35W idle, schon gar nicht mal übel.
Den Rechner von Eltern mit iGPU und i3 4330 habe ich so auf ca. 13-14 Watt bringen können, dort mit einem billigen (aber gutem) Asrockboard. Das Asrock hat bessere Optionen als das doppelt so teure Gigabyteboard xD.
Vielleicht ist da noch bisschen was drin. Allerdings hast du im Vergleich doch deutlich mehr Speicher und Module drin. Würde keine Wunder erwarten, denn der Verbrauch ist ja schon recht niedrig. Sowas wie Soundkarten, Ports usw. im Bios ggf. noch komplett deaktivieren.

 

[Spike S.]

@ghecko
Okay, dann habe ich die Begrifflichkeiten einfach falsch verwendet/vermittelt. Wenn ich von Wandlerplatine spreche, meine ich das Konvolut aus der Platine und dem Steckernetzteil. Ich stimme dir zu, bzgl. Effizienz macht das Steckernetzteil die ganze Arbeit.
Ich habe auch mal eben auf die Schnelle versucht ein alternatives oder sogar etwas effizienteres Steckernetzteil zu finden, aber Pustekuchen. Die ganzen "Chinaböller" machen gar keine Angaben zur Effizienz. Nicht mal der vermeintliche deutsche Markenhersteller Leicke. Keine Angaben im Text und auf den Produktfotos ist kein Energy Star Effizienz Logo auszumachen (der Kreis mit der römischen Zahl innen, ist das Energy Star?). Auf dem Streacom Steckernetzteil ist immerhin ein "VI" Logo.

Potentialausgleich? Ich bin bei Elektronik recht unbedarft. Hat das was mit statischer Ladung und/oder Kriechströmen zu tun? Du würdest also auf die paar Watt Ersparnis verzichten und dafür ein elektrotechnisch valideres Produkt, das ATX Netzteil bevorzugen (meine Gedankenpunkte 4., 5. und 6.)?

@Felix#
Danke für die Tipps. Die C States hatte ich im BIOS schon aktiviert, ebenso den Onboard Sound deaktiviert. Ich habe jetzt mal noch den seriellen und parallel Port deaktiviert. Zudem noch einen der beiden Gehäuselüfter abgeklemmt. Das hat nur etwa 1W Ersparnis im Idle mit dem Streacom gebracht.