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Aktuelle Intel-Prozessoren - die i3/i5/i7-Serie - Teil 1: der i7

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Lange Zeit hat Intel - im Gegensatz zu seinem Mitbewerber AMD - auf Wechsel im Anschlusssockel seiner Prozessoren verzichtet. 2001 führte es den "Sockel 478" für seine Celeron- und Pentium-Prozessoren ein. Dafür kann man heute noch Hauptplatinen und CPUs kaufen - vereinzelt zwar nur, aber immerhin. 2004 kam der Sockel 775 heraus, der für die neueren Pentium-4-Modelle und auch heute noch für die Core2-Quadcores geschaffen wurde. 2009 kam wieder eine neue - nein, oh Schreck, - gleich zwei neue Sockeltypen auf den Markt: der Sockel 1366 und der Sockel 1156.

Hierein passen aber nicht andere Bauformen der bekannten Core2Duo-Linie, sondern neue CPUs mit den Bezeichnungen i3, i5 und i7 (am Anfang waren es nur der Sockel 1366 und der i7, Anfang 2010 kamen die anderen hinzu).
(Bei AMD verlief das Ganze übrigens viel stürmischer: zu dem 2000er-Sockel "A" kamen 2003 der Sockel 754 und 2004 der "939", 2006 der AM2 mit seiner Erweiterung "AM2+" im Jahre 2007, und dem "AM3" in 2009.)

Intel versuchte also, zumindest bei den Bauformen, eine gewisse "Zukunftssicherheit" zu halten, und sicher war auch die Einführung der neuen Sockel gut überlegt. Tatsächlich gibt es eine Menge technischer Notwendigkeiten für die neuen Sockel, denn: die Zahlen sind die Anzahl der Kontakte, die in dem Sockel sind, und über die er sich mit dem Prozessor verbindet.

Die i7-Neuerungen

Betrachtet man die Intel-Werbeaussagen zu dem neuen Prozessor i7, findet man folgende "Schlagworte" mit ihren Erläuterungen:

Multicore-Technik:
- bis zu 4 physikalische Kerne

Intel® Turbo Boost Technology
- beschleunigt anspruchsvolle Anwendungen und
- passt die Leistung dynamisch an die Anforderungen an

Intel® Hyper-Threading-Technologie
- unterstützt Multithread-Anwendungen,
- dem Betriebssystem stehen acht Verarbeitungsthreads zur Verfügung.

Intel® Advanced-Smart-Cache
- Für die führenden Multithread-Spiele optimiert

Intel® QuickPath Interconnect
- Der integrierter Speichercontroller unterstützt drei Kanäle für DDR3-1066-MHz-Speicher und damit eine
- Speicherbandbreite von bis zu 25,5 GB/s

Intel® HD-Boost
- 128-Bit-SSE-Befehle werden mit einer Frequenz von einem Befehl pro Taktzyklus verarbeitet
- (47 neue Befehle, = „SSE4“, HD = Video/Audio)

Im Rahmen dieses Artikel werden wir verstehen lernen, was sich dahinter verbirgt. Dazu ist es aber nötig, mal einen Blick auf die bisher von Intel verwendete Technologie zu werfen.

Ein Pentium-/Core2-System

Ein solches System basierte in seiner Struktur auf 3 Chips: der CPU, der "Northbridge" und der "Southbridge". (Im Laufe der Zeit stellte Intel sie alle her - die anderen Chip-Hersteller aus den Anfängen bis zu der der Pentium-Zeit rangieren heute unter "ferner liefen" - wenn es sie überhaupt noch gibt.) Das untenstehende Bild (Quelle: Intel) zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Systems.

 

 

Der G41-Chipsatz (ein recht aktueller Vertreter seine Art) bildet die "Northbridge", der ICH10/R die "Southbridge".
Man kann an solchen Bildern sehr schön die "Zuständigkeiten" in einem solchen System darstellen: die Northbridge hat hier eine eingebaute Grafik (X4500), kann über PCI-Express 16x eine andere Grafikkarte ansprechen (=mit Daten bedienen) und kommuniziert mit dem RAM (DDR II oder III).  Die "Southbridge" bedient die anderen (bis zu 4) PCI-Express-Slots, die (bis zu 6) USB-Ports, die 4 S-ATA-Anschlüsse, das (HD-, bis zu 7.1 Kanäle) Audio sowie den Netzwerkanschluss und das BIOS. Interessant sind in diesem Zusammenhang noch die Datenübertragungsraten zwischen den Chips: Die CPU kommuniziert mit der Northbridge mit 10.6 GB/s, die North- mit der Southbridge mit 2 GB/s. Über diese Leitungen verläuft der ganze Datenverkehr. Bei der CPU spricht man in diesem Zusammenhang vom "Front-Side-Bus" und seinem "Takt", der bei maximal 1600 "MHz" (in Wirklichkeit 400 MHz "quadpumped", weil bei jedem Takt 4 Datenpakete übertragen werden können) liegt. Da mit jedem Takt 8 Byte (=64 Bit) übertragen werden, kommt man so auf 1,6x8 gleich etwa 10,6 GB/s. Die anderen Anschlüsse der Northbridge passen bedingt dazu: PCI-Express 16x bedeutet eine Datenübertragungsrate von bis zu 4GB/s, und wenn man da noch einen Speicherkanal (mit 6,4 GB/s) dazuzählt, ist die maximale Übertragungsrate ausgeschöpft - aber: 2 GB/s gehen ja auch IMMER noch davon ab, um die Southbridge zu bedienen! Fazit: es wurde zunehmend eng!!!

Ein i7-System und der X58-Chipsatz

Zu den i7-CPUs für den Sockel 1366 gibt es einen besonderen Chipsatz von Intel: den X58. Das folgende Bild (Quelle: Intel) zeigt, wie sich hier der Aufbau des Systems darstellt:

 

Man sieht hauptsächlich zwei Veränderungen mit gravierenden Auswirkungen:

- die CPU SELBST beinhaltet den Speichercontroller, d.h. die Kommunikation mit dem RAM geht NICHT mehr über die Northbridge;
- diese ist mit 25,6 GB/s angebunden (wie auch das maximale RAM!) und dient nur dazu, bis zu 36 "lanes" PCI-Express-2.0-Grafik zu versorgen (z.B. also 2 16x-Grafikarten, oder mehrere mit 8x, wie man es wünscht.

Die Southbridge sieht in etwa wie früher aus: Sie ist mit 2GB/s angebunden, kann halt nun mehr USB- und SATA-Ports bedienen und beherrscht Gigabit-LAN.

Hier haben wir also den ersten Grund für einen neuen Sockel: Allein die Anbindung der drei RAM-Kanäle direkt an die CPU erfordert eine Menge zusätzlicher PINs, über welche nun die Daten mit den Speichern ausgetauscht werden! Das führte dann zu den vielen Anschlüssen (s. Bild unten).

Intel verwendet die gleiche Technologie wie beim Sockel 775: Die CPU hat keine "Beinchen" (wie früher), sondern kleine Erhebungen, der Sockel hingegen eine Art Federn, die jeweils die Erhebungen aufnehmen.

Mit einem Klappmechanismus wird sie dann fixiert und gehalten.

Die Tabelle unten zeigt eine Übersicht über die aktuellen (Februar 2010) i7-Prozessorvarianten - die "normalen i7" und die Enterprise-Edition (wie Intel jeweils das höchste Modell nennt). Die unteren beiden Modelle (die mit dem *)-Kennzeichen sind Sockel 1156-Varianten, darüber wird ein weiter Artikel Aufschluss geben!)

 

CPU-Nr.
Cache
Taktfre-quenz
Busfre-quenz
Anz. Kerne
Virtuali-siergs.-Techn.
64 Archit.
Trusted Exec. Tec.
Exec-Dis-able-Bit
I7-975
8 MB
 
3,33 MHz
QPI mit 4,8 GT/s
4
ü
ü

 

ü
I7-960
8 MB
 
3,2 GHz
QPI mit 4,8 GT/s
4
ü
ü

 

ü
i7-950
8 MB
3,066 GHz
QPI mit 4,8 GT/s
4
ü
ü

 

ü
i7-920
8 MB
2,666 GHz
QPI mit 4,8 GT/s
4
 
ü
ü

 

ü
i7-870 *)
8 MB
2,93 GHz
DMI mit 2,5 GT/s
4
ü
ü
ü
ü
i7-860 *)
8 MB
2,8 GHz
DMI mit 2,5 GT/s
4
 
ü
ü
ü
ü

Nun wird es Zeit, einmal den technologischen Inhalt der Werbeaussagen vom Anfang dieses Artikels zu überprüfen.
Multicore-Technik: Ist klar, denn die Tabelle zeigt schon, dass alle i7 "Quadcores" sind, also 4 Kerne haben.
Intel® Turbo Boost Technology: Das ist schon was Neues! Bei einer Quadcore-CPU kann es auch einmal vorkommen, dass nur ein oder zwei Kerne beschäftigt sind und der Rest "ruht". In genau diesem Fall kann bei dieser Technologie die Taktfrequenz (genauer: der Multiplikator) von einzelnen Kernen in mehreren Schritten angehoben werden. Das heißt, das die "arbeitenden" Kerne höher getaktet werden als normal. Die Grenze ist die "TDP", also die maximale Leistung (in Watt) der CPU (135W). Bei der EE-Variante kann sogar ein höherer TDP-Wert vorgegeben werden. Intel erläutert die Technologie in diesem Filmchen (englisch).
Intel® Hyper-Threading-Technologie: wie die Tabelle zeigt, beherrschen dies alle i7-Prozessoren. jeder Kern kann quasi noch einen weiteren "virtuellen" Prozessor simulieren, so dass 8 "Threads" parallel abgearbeitet werden können.
Intel® Advanced-Smart-Cache: Hierunter verstehen die Intel-Ingenieure einen für alle 4 Kerne gemeinsamen Cache (8MB), der nach bestimmten Kriterien an die Kerne verteilt wird, die ihn gerade am meisten benötigen. Die Alternative wären 2 MB Cache pro Kern - das ist heutzutage ein bisschen wenig.
Intel® QuickPath Interconnect: Dieses Prinzip ist die direkte Konkurrenz zu AMDs HyperTransport-Technologie. Ein Common System Interface-Link (QuickPath Interconnect) besteht jeweils aus einem 20-Bit breitem Bus (in beide Richtungen), welcher seriell unidirektional arbeitet. Die Übertragung findet in 80-Bit Paketen statt, wofür 4 Übertragungszyklen benötigt werden. Dabei sind 64-Bit Nutzdaten, die restlichen 16-Bit Headerwerte. Die i7-Prozessoren haben - wie schon gesagt - drei solcher Kanäle, über welche das RAM direkt an die CPU angebunden ist. Im Röntgen-Bild des Chips sieht man die Strukturen recht deutlich:

In der Tabelle sind die Übertragungsraten als GT/s angegeben, nicht wie bisher üblich in GB/s. Das große T steht für "transports". Zur Erläuterung: Die Transferraten liegen zwischen 4,8-6,4 GT/s, was eine Übertragungsrate von 8,52 GB/s (Netto) bis 12,8 GB/s (Netto) einfach bedeutet. Der bidirektionale Bus bewirkt hier, dass der Wert mit 2 multipliziert werden muss, also: Die Transferraten bewegen sich in einem Bereich von bis zu 19,2 GB/s bzw. 25,6 GB/s (Netto).
Im Vergleich zum höchsten Front-Side-Bus (FSB-1600), (Transferrate: 12,5 GB/s; da 4x 400 MHz*8 Byte(64Bit)/1024 gleich 12,5 GB/s ist) arbeitet der am schnellsten getaktete QPI also glatt doppelt so schnell!
Intel® HD-Boost: Dahinter steckt eine neue "Multimedia"-Erweiterung, eigentlich "SSE4". Es handelt sich um 128-Bit-SSE-Befehle, die mit einer Frequenz von einem Befehl pro Taktzyklus verarbeitet werden. Genau genommen sind es 47 neue Befehle aus dem "HD"-Bereich (also Video und Audio!).

Im nächsten Teil geht es um die anderen CPUS der neuen i3/i5/i7-Reihe.

Ergänzung: i7-980X

Intel hat obige CPU ins Programm genommen. Besonderheit: sie ist ein Sechs-Kerner! Da sie als i7-CPU hyperthreadingfähig ist, zeigt der Gerätemanager in Windows damit zwölf CPUs an. Beeindruckend!