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Thermal paste database version 3.0 – More accurate and practical data, a technology upgrade and well over 100 tested pastes

Introduction and special features of the thermal path for GPUs

I will now transfer the previously explained approach for direct die and notebook or embedded CPUs to a GPU and adapt it to the typical conditions of a graphics processor. Modern desktop GPUs generally work without a classic heatspreader; the silicon chip is located directly under the external thermal paste and a cooling base or a cooling plate. The internal chain of silicon, possibly very thin internal layers and package material is still present, but there is no additional solid copper cover as with a CPU with IHS. This makes the thermal path from the active area in the silicon to the cooling medium significantly shorter and more direct, similar to a direct die CPU, but usually with significantly higher power dissipation and often a larger die area.

In the internal representation of the GPU structure, the relevant sections of the chain can be arranged serially. From the GPU die, the heat runs through the silicon itself, then via the external TIM layer into the cooler base or a coldplate and from there via the convective heat transfer into the cooling medium flowing through, i.e. water in the laboratory, the temperature of which is kept constant at 30 °C with a chiller. The role of a separate heatspreader is eliminated, meaning that the external thermal paste becomes much more important compared to the CPU with IHS. At the same time, however, the overall consideration must not end at the TIM layer, as the heat sink and in particular the convection to the liquid are an integral part of the thermal resistance chain. In the case of a GPU, these relationships are exacerbated by the fact that power losses of well over 200 watts are not the exception, but rather the rule, and the heat flux densities on the die are very high for compact chips.

Transparent calculation path for the GPU including convection

I first define the variables I am calculating with, i.e. the variables for the electrical and thermal side

P_CPU in watts, real power dissipation of the CPU
T_Water in degrees Celsius, water temperature in the cooling circuit kept constant by the chiller
T_CPU in degrees Celsius, temperature directly on the silicon die on the surface
R_th,Die in Kelvin per Watt, thermal resistance of the silicon from the active area to the Die surface
R_th,TIM in Kelvin per Watt, external thermal resistance of the applied paste, measured with TIMA
R_th,Block in Kelvin per Watt, conductive resistance in the cooler base from the contact to the fluid side
R_th,convection in Kelvin per watt, convective contact resistance from the inside of the radiator to the water
R_th,cooler in Kelvin per watt, total resistance of the cooler from contact to water temperature
R_th,total in Kelvin per Watt, total sum of all serial partial resistances from the die to the water

The cooler resistance is thus composed of the conduction and convection side, formally the following applies

R_th,cooler = R_th,block R_th,convection

The total serial thermal resistance from the GPU die to the water is accordingly

R_th,ges = R_th,Die R_th,TIM R_th,Cooler

The temperature on the GPU surface then follows from the usual relationship between power dissipation, total resistance and reference temperature of the fluid

T_GPU = T_Water P_GPU × R_th,ges

For the convective component, a physical relationship can be established via the heat transfer coefficient h and the wetted inner surface of the cooling channels A_Fluid, so that

R_th,convection = 1 ÷ (h × A_fluid)

In the practical implementation in the laboratory, this variable is not determined anew for each configuration, but is packed into a fixed boundary condition by selecting a powerful cooler, a defined volume flow and a constantly controlled chiller. R_th,cooler thus remains constant throughout the entire test program so that temperature differences between pastes are not distorted by fluctuating convection conditions. For the external TIM of the GPU, the relationship between layer thickness, thermal conductivity and surface area continues to apply formally. With d as the real layer thickness in meters, λ as the thermal conductivity of the paste in watts per meter and Kelvin and A_GPU as the effective contact area of the GPU Dies in square meters, the following results

R_th,TIM = d ÷ (λ × A_GPU)

In the calculation, I replace this theoretical expression with the effective resistance R_th,TIM,measured with TIMA, which already includes all real influences from BLT, micro-roughness and contact quality under pressure. A_GPU is therefore implicitly included in the measurement. The actual temperature calculation for various real power points is then carried out in the same way as Direct Die, except that I am now looking at a GPU instead of a CPU. For a typical high load of 600 watts, the result is

P_GPU,600 = 600 W

T_GPU,600 = T_water P_GPU,600 × R_th,ges

In all cases, R_th,ges contains the unchanged portion of the die and the cooler including convection, the differences between two pastes arise exclusively via the difference in R_th,TIM,measured, as the entire remaining structure remains constant. The GPU area A_GPU also determines via the heat flux density q double line how strongly the TIM and the die are loaded locally. Formally, the following applies here

q” = P_GPU ÷ A_GPU

The smaller A_GPU is at high P_GPU, the more sensitive the system reacts to additional Kelvin per watt in R_th,TIM or R_th,cooler, which increases the importance of the TIM on the GPU once again.

Practical temperature evaluation for GPUs based on complete resistor chains

Finally, I would like to make it clear for the GPU evaluation that the new, practical temperature calculation is only realistic if the complete path from the silicon surface to the cooling medium is included. The heat path does not physically end in the paste, but in the water of the circuit; the convective part in particular remains an essential link in the chain. In the laboratory setup, I use a powerful cooler, a stable volume flow and a chiller regulated to 30 °C to ensure that R_th,cooler including convection remains a constant and reproducible variable. This ensures that differences in R_th,TIM,measured are not masked by fluctuating cooling conditions.

This creates a very sensitive thermal situation, especially for GPUs with high power dissipation and often relatively small die area, in which even small differences in the external thermal resistance of the paste lead to clearly measurable changes in T_GPU. The calculation based on real measured R_th values of the TIMA system translates these differences directly into practice-relevant Die temperatures with a defined cooling concept and constant water temperature. In this way, the sequence of pastes for GPU use is not derived from theoretical data sheet specifications, but from a complete, physically consistent resistance chain including convection, which can be found in practice.

Please turn the page again, then there is a conclusion!

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eastcoast_pete

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3,083 Kommentare 2,046 Likes

Zunächst einmal: Gratulation zu der nochmals verbesserten Messmethodik und den Daten! 👍🏻👍🏻👍🏻
Das war viel Arbeit, und wird mit Sicherheit oft konsultiert und weite Verwendung finden!

Und auch Danke dafür, auch zumindest exemplarisch Notebook CPUs/APUs mit zu testen! Die produzieren zwar meistens weniger Wärme als große CPUs, aber die Entsorgung erfolgt dafür unter oft schwierigen Bedingungen, nicht zuletzt wegen der bauartbedingten Begrenzungen beim Luftstrom und der geringen Höhe und Volumens der Heatsinks.

Und dann noch die Frage: wo würde ich denn Daten für eine PTM Folie/Pad finden, wenn ich sie mit denen von guten Pasten vergleichen will? Geht das in der interaktiven Tabelle ? Gerade bei mobilen Geräten kann schon das einmalige Repasten der CPU/APU eine echte Zitterpartie sein (die Bandkabel - ribbon cables- sind zT mechanisch sehr empfindlich), weshalb man (ich) es wenn möglich nur einmal machen will. Daher auch das Interesse an PTM Pads/Folien, die halten wohl ziemlich lange.

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Vergleiche am besten die Rth werte bei 15 bis 25 µm. Vielleicht mache ich auch mal ein Special dazu, ist eigentlich eine gute Idee :)

PTM und Paste bei 4N auf min BLT pressen und dann den Rth checken. Natürlich mit mehreren Zyklen, sonst ist es ja sinnlos.

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ipat66

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1,791 Kommentare 1,993 Likes

Danke Igor für die morgendliche „Formelsammlung“ !

Einiges werde ich dann doch noch heute Nachmittag, mit aufgewecktem Gehirn, lesen. Zumindest das Fazit und einige grundsätzliche Betrachtungen habe ich begriffen …

Schön, dass Du die Anlage nochmals überarbeiten und verbessern konntest.

Gratulation zu den zwischenzeitlich fast 5 Millionen Views. Wünsch Dir den gleichen Erfolg mit der ( bald erscheinenden? ) Lüfter Testanlage :)

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Wir hatten mittlerweile noch diverse Änderungen und das hier war jetzt endlich die letzte Entscheidungsfindung vor dem finalen Druck, wie sie am besten angeordnet und aufgestellt werden. Man muss es ja auch ohne Verrenkungen ergonomisch korrekt bedienen können, egal ob man nun .170 order 1.80 Meter groß ist. Ich denke da auch an meinen Nachwuchs. Wir benötigen zudem zwei Anlagen, eine für 120 und eine für 140 mm. Das Problem von Aris' Longwin ist, dass sie keine Vorkammer besitzt, weil es ja eigentlich ein normaler Windkanal ist, der für Lüftertests lediglich umgewidmet wurde und alles umfassen muss. Kann man machen, aber es ist doch sehr abhängig von der Lüftercharakteristik und dem Durchmesser. Unsere Werte sind generell etwas höher als bei Aris, aber das Verhältnis zwischen den Lüftern ist das gleiche und die Werte passen auch ziemlich genau zu den Angaben der ehrlichen Hersteller. Das kann man so lassen. Wir arbeiten mit Sauermann-Technik einschließlich der Hitzedraht-Sonden und der Schnittstelle, die Software zur Auswertung und Steuerung kommt von Aqua Computer. Ich will definitiv keine Experimente mehr, ich bin damals lediglich vor den fünfstelligen Kosten zurückgeschreckt. Diese Hemmschwelle habe ich mittlerweile Gott sei Dank überwunden. :D

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Tronado

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5,503 Kommentare 3,115 Likes

Viele hier können sicher deine Auswahlliste nach Schichtstärke und Anwendungsfall bedienen.
Für unbedarftere Nutzer von außerhalb wären weniger wissenschaftliche, einfache WLP-Charts mit je einer CPU- und GPU-Liste sicher besser geeignet? Im Forum konnte man bereits lesen, dass teilweise Ergebnisse fehlerhaft interpretiert wurden.
Wer weiß schon genau, ob die Schichtdicke zwischen Kühler und CPU-Heatspreader 50, 75 oder 100 Mikrometer dünn ist?

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Deshalb ist doch die Unterteilung in Smooth, Rough und Gap Filler ideal. DIE beste Paste gibt es nun einmal nicht und mit Empfehlungen tue ich mich aus Gründen immer schwer. Für die meisten guten CPUs und Kühler sowie die GPUs gilt die Voreinstellung Smooth

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Steht alles drin. Vielleicht kann man ja noch den Text anpassen, für Vorschläge bin ich offen

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ssj3rd

Veteran

378 Kommentare 253 Likes

Auch von mir ein Danke, bin in letzter Minute dann doch von Duronaut zu HY-P17 gewechselt für den neuen Rechner, als ich erfahren hatte das sie einen eigenen eBay Shop mit garantiert Originalware haben 🙏

Tipp:
Wer laut Tabelle nicht weiß wer hier „beste“ ist, einfach Foto machen und durch eine Ki jagen, mir sagt auch einiges nicht. Bin nicht sooo tief im Thema drin, will ich aber auch nicht.

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echolot

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1,312 Kommentare 1,060 Likes

Wow! Next level. Wissenschaflicher geht's nimmer. Was macht euer Prüfstand für Lüfter?

Nachtrag: Da war jemand schneller.

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Martin Gut

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9,265 Kommentare 4,664 Likes

"Während eine typische Desktop-CPU mit 65 bis 125 Watt und großem Heatspreader auf eine Fläche von rund 800 bis 900 mm² verteilt wird, arbeitet eine moderne GPU meist mit mehreren Hundert Watt Verlustleistung auf wenigen Hundert Quadratmillimetern. Das führt zu völlig unterschiedlichen Wärmestromdichten."

Das kann ich so nicht ganz stehen lassen. Bei einer GPU verteilt sich die Wärmeproduktion relativ gleichmässig auf die ganze Fläche des Chips. Dadurch gibt auch die ganze Oberfläche der GPU die Wärme gleichmässig an die Paste und den Kühler weiter. Somit passt da die Berechnung.

Bei einer CPU verheizen die Prozessorkerne etwa 80 bis 90 % der ganzen Abwärme. Diese verteilen sich aber nicht gleichmässig auf die Chipfläche und schon gar nicht auf die ganze Fläche des Heatspreaders gleichmässig, so dass man da nicht einfach Wärmestrom durch Fläche mal Wärmewiderstand rechnen kann um auf die Temperaturdifferenz zu kommen. Das ergibt die durchschnittliche Temperaturdifferenz auf der ganzen Oberfläche. Für den Prozessor entscheidend ist aber nicht der Durchschnitt sondern der Hotspot direkt über den Kernen. Die CPU muss ja abregeln, sobald dieser Bereich etwa 100 Grad erreicht. Also ist nur entscheidend, wie gut dieser Bereich gekühlt ist.

Die Fläche der CPU-Kerne ist bei älteren Intel-CPUs etwa 15 x 4 mm gross. Auf dieser Fläche werden gerne mal 100 bis 250 Watt verheizt. Bei anderen CPUs sieht das etwas anders aus. Bei Ryzen verteilt es sich teilweise auf zwei DIEs, aber die Prozessorkernfläche wird dadurch auch nicht bedeutend grösser.

Durch die ca. 0.5 mm Silizium des Chips verteilt sich die Wärme bis zur Chipoberfläche vielleicht auf eine Fläche von 16 x 5 mm, also nur etwa 80 mm2 und bei weitem nicht die ganze Chipfläche. Zur Fläche weiter aussen ist der Wärmewiderstand zu gross, so dass dieser Bereich recht wenig zur Kühlung beiträgt. Wenn die Wärme erst seitwärts durch 5 mm Silizium wandern muss, entsteht dadurch bereits eine viel höhere Temperaturdifferenz und der Anteil an der Kühlung bleibt gering. Bereits bei einer Direct-DIE-CPU kann man somit nicht die ganze Fläche gleichmässig in die Formel einsetzen um auf die entstehende maximale Temperaturdifferenz zu kommen.

Wenn von einer CPU nur ein oder zwei Kerne ausgelastet sind, sieht es noch schlechter aus. Auch nur ein oder zwei Kerne können bei maximalem Takt ja durchaus bereits die die Hälfte oder mehr der gesamten CPU-Leistung verheizen. Dann hat man sogar 100 bis 200 Watt auf etwa 4 x 4 mm, so dass diese Kerne meist ins Temperaturlimit laufen.

Durch einen Heatspreader verteilt sich die Wärme der Prozessorkerne natürlich auf etwas mehr Fläche. Aber auch hier kann man nicht die ganze Heatspreaderfläche gleichmässig rechnen. Wenn sich die Wärme schräg ein wenig ausbreitet, sind es vielleicht 13 x 20 mm, die den grössten Teil der wärme abführen können müssen. 260 mm2 sind aber noch weit von der ganzen Heatspreaderoberfläche entfernt (im Beispiel 840 mm2). Im Bereich über den Prozessorkernen ist die Temperaturdifferenz in der Wärmeleitpaste also auch etwa drei mal so hoch, wie wenn man die durchschnittliche Differenz mit der ganzen Fläche berechnet. Die Äussere Fläche des Heatspreaders trägt zur Kühlung der mittleren Bereiche recht wenig bei.

Dass eine CPU eine bedeutend kleinere Wärmestromdichte hat als eine GPU hat, stimmt so nicht. Über den Kernen kann sie durchaus ähnlich oder höher sein. Darum ist auch die Temperaturdifferenz höher und die Prozessorkerne laufen heisser als bei einer GPU üblich. Die Wärmeleitpaste ist bei einer CPU dadurch auch nicht weniger wichtig als bei einer GPU.

Ich würde darum nicht die ganze Chipfläche und auch nicht die ganze Heatspreaderfläche als gleichmässig Wärme abgebende Fläche rechnen. Vereinfacht kann man eine kleinere Fläche über den Chips rechnen. Wenn man das ganze genauer rechnen möchte, dann muss man das auch richtig dreidimensional simulieren und nicht einfach die ganze Fläche als voll wärmeabgebend rechnen. Sowohl Silizium als auch Kupfer sind viel zu schlecht leitend, als dass auf einem Weg bis zur Seite der einen cm länger ist immer noch gleich viel Wärme abgeführt würde. Entscheidend für die CPU ist immer die Situation direkt über den am stärksten heizenden Bauteilen und nicht die durchschnittliche Situation auf den ganzen Heatspreader verteilt gerechnet. Sonst würden schwächere CPUs mit weniger Leistung die ja den gleich grossen Heatspreader haben ja nie warm.

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Robofighter

Veteran

153 Kommentare 89 Likes

Vielen Dank Igor für deine Mühe und deinen finanziellen Einsatz was heutzutage nicht mehr selbstverständlich ist. Du hilfst allen Anwendern bei der Wahl ihrer Wärmeleitpasten. Die Auswahl ist mittlerweile so groß ,das mittels deiner Datenbank , jeder für sich entscheiden kann auf welche Kriterien er Wert legt.Gut das du auch immer wieder mal neue Chargen testet. Den Herstellern kann man speziell bei diesen hochpreisigen Pasten nicht mehr trauen. Schade aber das ist das real Life.

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eastcoast_pete

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3,083 Kommentare 2,046 Likes

Als Vorschlag für zusätzliche Informationen zu den Unterteilungen (Smooth - Rough - Gap Filler): ein paar (Paar) Bilder mit Beispielen für jedes Szenario. Diagramme hast Du ja bereits drin, die sind auch sehr hilfreich, aber man muss dann immer noch überlegen, wann das jetzt zutrifft. Manchmal sagt ein Bild eines konkreten Beispiels tatsächlich mehr als 1000 Worte.
Ich würde zB annehmen, daß ein ziemlich konkaver Heatspreader wie bei einem Raptor Lake (also Socket 1700) irgendwo zwischen smooth und uneven liegt, aber annehmen heißt eben auch daß ich es nicht sicher weiß.

Und, zum Thema Lüfter: bei Lüfter für Gehäuse (und auch für Radiatoren) gehen die Dimensionen bereits bis 180 mm Durchmesser und 40 mm Dicke. Braucht man dann für die nochmal eine Anlage? Wenn ja, ist dann irgendwann einmal das Kosten/Nutzen Verhältnis wohl nicht mehr gegeben. Wie macht Aris denn das mit dem Anpassen an die Größen in seiner LongWin?

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Im Heatspreader des Ryzen sind diese Faktoren im Rth mit eingepreist. Sowohl Headspreader als auch Heatsink funktionieren besser als man glauben möchte. Genau deshalb unterscheiden sich ja direct die und IHS so extrem. Ich habe die Annäherung aus einem realen Ryzen System abgeleitet und zurück gerechnet. Einschließlich Konvektion im Kühlsystem.

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Er wechselt einfach eine Platte am Einlass. Strömungstechnisch ist das Käse, aber annähernd kommt das schon hin. Allerdings sind 180er Nische. Die Dicke spielt fast keine Rolle. Das System ist flexibel.

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Lagavulin

Veteran

360 Kommentare 302 Likes

Vielen Dank für die sehr aufwändige Arbeit die Du Dir machst, um uns mit fachlich fundierten und belastbaren Daten zu versorgen. Die Datenbank und Vergleichsmöglichkeiten von Pasten und Pads sowie die Ausführungen zur Interpretation der Daten helfen mir sehr. Für mich ist das der Gold-Standard für Tests von Wärmeleitmaterialien (Silber und Bronze habe ich im Web noch nicht gefunden). Und ein gelebter KVP (kontinuierlicher Verbesserungsprozess) unterscheidet den Profi vom „Kelvin-Horst-Youtuber“.

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StreamFidelity

Mitglied

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Igor Wallossek

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Man lernt je sebst ständig dazu und ich bilde mich ständig weiter. Fachliteratur und Fachgespräche sind da eigentlich Pflicht. Allerdings stoße ich immer wieder an Grenzen, was den Stand und die Verfügbarkeit von soliden und validen Informationen betrifft, weil es in vielen Bereichen gar keine gibt. Das ist in vielerlei Hinsicht nämlich ein neues und noch reichlich unbeschriebenes Thema, weil die Entwicklung so rasant weitergeht, dass außerhalb der Großkonzerne gar keiner mehr so richtig nachkommt.

Mich hat ein großer chinesischer Distributor kontaktiert, der die eigenen Prüfstellen mittlerweile unter meinem Level einsortiert, denen nicht mehr traut und gern kooperieren möchte. Dahinter stehen auch Unis und viele junge Firmen, die Produkte entwickeln und dann von den schieren Masse billiger Plagiate einfach totgewalzt werden. Da sehe ich auch ein großes Potential. Wenn ich sehe, wie viele große Firmen die Datenbank als Grundlage nehmen, um das eigene Portfolio wieder etwas mehr zu pushen, dann freue ich mich manchmal über mich selbst. Mitte Dezember kommt z.B. eine neue Paste von Arctic, die wird die Charts gut aufmischen können, im nächsten Jahr sind andere Player auch mit am Start. Ich teste die ganze Secret Sauce ja schon vorab und ja, es wird sich noch so einiges ändern, denn ich habe viele regelrecht aufgeschreckt :D

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Igor Wallossek

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Den gibt es:

Und die HY-P17 wird als Alphacool Apex2 demnächst auch über Aquatuning erhältlich sein. Aber beim Forenkollegen kannst Du gern kaufen.

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RazielNoir

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791 Kommentare 384 Likes

Vielen Dank für deine Arbeit und die Datenbank.

Aber genaugenommen machst du dir hier die Arbeit, weil andere Ihre Hausaufgaben nicht machen (wollen). 600W Grafikkarte und ne Paste die mit viel guten Willen 2 Jahre hält? Naja, der Kunde soll ja baldmöglichst wieder neu kaufen.... Böswillige Zungen reden von geplanter Obsoleszenz. Aber auch wenn man es nicht explizit "plant", so ist es doch scheinbar so, das manche Hersteller einfach billigend in Kauf nehmen, das Ihre Produkte unnötigerweise vorzeitig den Betrieb einstellen, weil man aus Kosteneinsparungsgründen falsch/zu gering dimensionierte Bauteile oder (wie hier) minderwertiges Material verwendet. Der Glaubwürdigkeit und Reputation dient das nicht, auch wenn manche Hersteller noch lang von Ihrem einmal aufgebauten Image zehren können. Daher frage ich mich, warum wir es akzeptieren, das im Consumerbereich WLP verwendet wird, die kaum die gesetzliche Gewährleistungsfrist übersteht, im Profi-Workstation-Lager aber PTM und hochwertige WLP normal sind. Klar, die Margen sind da größer, die Kundschaft verzeiht da wohl weniger, da ja der Verdienst dran hängt. Als Privatkunde ist man bei Grafikkartenpreisen bis zu 3000€ da die gemolkene Kuh...

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Igor Wallossek

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13,159 Kommentare 26,153 Likes

Ich mache morgen eine kleine Dienstreise, vielleicht gibt es danach noch über ein Highlight zu berichten, was echte Haltbarkeitstests betrifft. Denn dann müssen alle die Hosen runterlassen.... :D

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Danke für die Spende



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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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