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Die Ivy-Bridge-CPUs von Intel

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Vorbemerkung

Am Ende meines letzten Vortrags über die Sandy-Bridge-Technologie von Intel Ende Juni 2011 in Marktheidenfeld gab ich auf der letzten Folie meiner Powerpoint-Präsentation folgenden "Ausblick": Ca. 2011/2012 kommt „Ivy Bridge“; hat „3D-Tri-Gate-Transistoren“: höhere Leistung/weniger Platz und Stromaufnahme; Technologie: 22 nm, Grafik: DirectX 11, eventuell 1GB eigener Speicher „on Die“. Die CPUs sollen auch für den Sockel 1155 geeignet sein - aber: neuer Chipsatz “Panther Point“, der auch USB 3.0 und Thunderbolt nutzen können soll. Nun ist Ivy-Bridge da - Zeit für eine nähere Betrachtung.

Grundlagen

Spät, nämlich erst etwa im April 2012, kamen die Ivy-Bridge-Prozessoren auf dem Markt. Die CPUs haben 4-stellige Nummern der Form ik-3xyz (wie i5-3570). Von der Technologie her hat Intel einen Übergang von 32 auf 22nm vollzogen. In der Sprechweise von Intel ist das ein „Tick“ (siehe unten).

Das Intel-Tick-Tock-Modell

Ein Tock ist jeweils die Einführung einer neuen Technologie (die letzte war "Sandy Bridge"), ein Tick dann der Übergang zu einem neuen Fertigungsprozess mit kleineren Strukturen.
Zum Einsatz einer Ivy-Bridge-CPU werden zwei Sockel vorausgesetzt: der S1155 (schon bekannt) und der S2011 (neu eingeführt Ende 2011). Der Sockel 1155 war für i3- und i5-CPUs mit vierstelligen 2xxx-Nummern aus der Sandy-Bridge-Reihe vorgesehen, zum Beispiel für eine i5-2700-CPU. Er ersetzte den S1156. Dieser war für 3-stellige ix-CPUs vorgesehen, zum Beispiel den i5-660. Ob Ivy-Bridge-CPUs auf älteren S-1155-Motherboards P67 Digrammeingesetzt werden können, hängt vom Chipsatz und dem BIOS ab. Für ein älteres Board (zum Beispiel eines mit einem P67-Chipsatz) sind ein neues BIOS und neue Treiber nötig. Zum Beispiel macht Asrock Platinen mit den P67- (siehe Bild rechts), den H67- und den Z68-Chips Ivy-Bridge-fähig. Achtung: Will man auf eine neue CPU umsteigen gilt: Das BIOS muss VOR dem CPU-Wechsel aktualisiert werden, da der Rechner sonst nicht bootet!

Der Sockel 2011 ersetzt den S1366. Dieser S1366 war für die 3-stelligen i7-CPUs vorgesehen, zum Beispiel also die i7-930-CPU. Der S2011 ist jetzt für die 4-stelligen i7-CPUs der 3xyz-Reihe vorgesehen - zum Beispiel also den  i7-3930.

Es gibt zur Zeit noch nicht alle Varianten der Ivy-Bridge-CPUs - momentan sind nur die echten i5er auf dem Markt. Sie haben den Grafikcontroller weiterhin auf dem gleichen Chip wie CPU (siehe Bild rechts). Allerdings wird statt der bisherigen HD3000- nun eine HD4000-Engine benutzt, das bedeutet 16 gegenüber bisher 12 Execution units. Der Standardtakt von 650 MHz, ist - wie in Spielen - bis über 1 GHz steigerbar. In einigen der i5- und i3-CPUs ist die Grafik-Engine allerdings abgespeckt und besitzt nur 6 der oben erwähnten Units. Die neue Grafik-Engine bietet eine DirectX11-Unterstützung. Genauso werden OpenGL 3.1 (OpenGL 4.0 sogar seit den 9.17.10.2729 Beta-Teibern) sowie OpenCL unterstützt. Die Leistungsfähigkeit wird als vergleichbar mit einfachen PCI-Express-Karten beschrieben - auf jeden Fall ausreichend für Büro-Anwendungen, aber auf keinen Fall aber für eher anspruchsvolle Spiele.

Varianten

Die Ivy-Bridge-CPUs werden in verschiedenen Varianten angeboten (ich gehe hier nur auf die Desktop-Prozessoren, nicht auf die Modelle für mobile Geräte wie Notebooks oder Tablets ein!):

  • Ohne Zusatzbuchstaben: „normale“ CPU
  • „K“ für Overclocking-Fans (= frei wählbarer Multiplikator)
  • „S“ = „Low Power“, also deutlich geringere TDP
  • „T“ = geringste Stromaufnahme

Betrachten wir zum Beispiel den 3770-Prozessor in der normalen, der (K)-/S- und T-Variante: Hier betragen die jeweiligen Leistungsaufnahmen ("TDP") 77W, 65W und 45W. (Zwischen der normalen und der K-Variante gibt es keinen Unterschied. Zum Vergleich: die TDP der Sandy-Bridge-CPU i5-2700K betrug 95W!

CPU-Variante Takt Kerne/HT TB 2.0 Cache TDP Features
i7-3770T 2.5 GHz 4/8 3.7 GHz 8 MB 45 W HT, TXT
i7-3770S 3.1 GHz 4/8 3.9 GHz 8 MB 65 W HT, TXT
i7-3770 3.4 GHz 4/8 3.9 GHz 8 MB 77 W HT, TXT
i7-377K 3.1 GHz 4/8 3.9 GHz 8 MB 77 W HT

HT=HyperThreading, TB=Turbo-Boost, TXT=Trusted-Execution-Technologie

CPU-Typen

CPU-Typen Ivy-Bridge

In dieser Tabelle sieht man, wie die verschiedenen Leistungsmerkmale auf die CPU-Typen verteilt werden: Die i3s zum Beispiel haben zwei echte Kerne und Hyperthrading, die i5s vier echte Kerne ohne Hyperthreading und nur die i7-CPUs haben vier echte Kerne und Hyperthreading. Auch die Cache-Größe wächst mit der Typenbezeichnung, ebenso die Leistungsfähigkeit der Grafikeinheiten In der untersten Zeile erkennt man die für diesen Typ jeweils empfohlenen Chipsätze. Wie schon gesagt - es sind zur Zeit (Juni 2012) noch nicht alle Typen verfügbar!

Aufbau der Prozessoren

Die Ivy-Bridge-Reihe nennt Intel die Dritte-Generation-Intel-Core-Prozessoren. Hier wird der prinzipielle Aufbau deutlich:

3rd-Generation CPUs Intel

Er unterscheidet sich nicht sehr von dem der CPUs der zweiten Generation (siehe auch diesen Artikel), deswegen ist es ja auch ein Tick-Übergang. Im Detail aber hat sich eine Menge getan - bei der Transistor-Konstruktion begibt sich die Firma mehr denn je in die 3. Dimension. 3D-Tri-Gate-Transistoren werden die neuen Elemente von Intel genannt. Transistoren sind seit ihrer Erfindung (etwa 1947) planar aufgebaut - das heißt, hier werden verschiedene Schichten verwendet. Eine Schicht für Source und Drain, wie es bei diesen Transistortypen heißt, eine andere für das Gate. (Die 3D-Tri-Gate-Transistoren sind Fin Field Effect 3D Tri Gate TransistorTransistoren (FinFET), eine Abart der MOSFET-Typen (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor)). Tri-Gate geht einen anderen Weg: Bei der neuen Intel-Technologie ragt die Drain-Schicht wie eine Art Segel aus dem Substrat heraus und wird von der Gate-Schicht auf drei Seiten umschlossen (siehe Grafik links).

Vorteile: Der Stromfluss wird auf 3 Seiten des Kanals kontrolliert (oben, links, rechts) im Gegensatz zu bisherigen Planar-Transistoren, bei denen nur von oben kontrolliert werden kann. Dadurch benötigen dieses Transistoren deutlich weniger Schaltstrom, stellen dabei aber dabei eine bis zu mehr als einem Drittel höhere Schaltgeschwindigkeit zur Verfügung. Das Resultat ist eine wesentlich bessere Kontrolle über den Transistor, eine Erhöhung des Stromflusses (für mehr Rechenleistung), wenn der Transistor eingeschaltet ist, und weniger Verlust (geringere Leckströme), wenn der Transistor ausgeschaltet ist. Es können so bis zu 100 Milliarden Schaltvorgänge/Sekunde stattfinden.

Für die neuen CPUs bedeutet diese Technologie: weniger Stromverbrauch (geringere TP) und mehr Leistung (5-10%) bei gleichem oder sogar leicht geringeren Preis als vergleichbare i2xxx-Prozessoren.

Chipsätze

Z77-Express-Chipsatz von IntelDie 7er-Serie (vorher PantherPoint) ist zur Zeit mit drei Vertretern auf dem Markt: dem H77- und dem Z77-Express sowie dem X79. Schauen wir uns zuerst den Z77 an (Blockdiagramm links). Es fällt als erstes die schon von der Sandy-Bridge bekannte Technologie auf: Der Prozessor selbst steuert Grafik und RAM (und hier sogar noch Audio), der "PCH" (eben der Z77) den Rest des PCs. Also: nur ein Chip außer der CPU ist auf einer Hauptplatine nötig.

Bei der Grafikansteuerung fällt auf: PCI-Express 3.0. Das PCI-Express-Prinzip ist eine "Punkt-zu-Punkt" Verbindung, die durch eine "lane" realisiert wird. Bei Grafikkarten werden bis zu 16 dieser lanes parallel benutzt, deshalb steht im allgemeinen "PCI-Express 16x" an den Steckplätzen für diese Karten. Bisher galt: PCI-E Version 1 hatte eine Taktfrequenz von 1,25 GHz, ermöglichte also 2,5 GT pro Sekunde und „lane“ (GT="GigaTransfers"). Bei PCI-E V2 waren es jeweils genau das Doppelte: 2,5 GHz, und damit 5 GT/s und „lane“. Nun kommt PCI-Express 3.0: Der Takt beträgt jetzt 4,0 GHz, was 8 GT/s und „lane“ ermöglicht. 8 lanes bei PCI-E 3 sind also etwa so schnell wie 16 lanes bei PCI-E 2 (7877 vs. 8000 MB/s). Die 16-PCI-Express "3" lanes des Z77 können also zwei 8x-Grafikkarten der neuen Sorte mit der jeweils gleichen Datenmenge ansteuern wie alte Chipsätze einen PCI-Express "2"- 16x-Steckplatz.

Weiterhin entnehmen wir dem Diagramm zum Beispiel, dass unabhängig voneinander drei Bildschirme angesteuert werden können und USB 3.0 nun auch mit an Bord ist. Zum Beispiel enthält das schon auf dem Markt erhältliche Asrock-Z77-Extreme4-Board 2x PCIe 3.0-Grafik-Steckplätze, weiter 2x PCIe 2.0 x1 sowie 2x PCI - für die Abwärtskompatibilität. Für die eingebaute Grafik sind 1x VGA, 1x DVI und 1x HDMI vorhanden, an Schnittstellen bietet es insgesamt  6x USB 3.0 und 8x USB 2.0. Dementsprechend sieht das rückwärtige Anschlusspanel auch etwas anders aus als gewohnt:

Asrock Z77 Panel

Intel X79-ChipsatzDer X79 ist eine Nummer größer - er dient als Chip auf Sockel-2011-Mainboards. Rechts sehen Sie das Blockdiagramm des Chips. Als erstes fällt rechts neben der CPU die hohe Anzahl von RAM-Bänken auf. Tatsächlich handelt es sich hier um ein Quad-Channel-Interface (bisher war Dual-Channel üblich!). Das bedeutet, dass hier vier RAM-Module gleicher Art eingesteckt werden müssen, damit die maximale Geschwindigkeit bei der Datenübertragung erreicht wird. Für die Hauptplatinen heißt das, dass sie bis zu 8 RAM-Steckplätze beinhalten. Asrock X79-BoardLinks sehen Sie das oben beschriebene Asrock-Board mit den 8 RAM-Steckplätzen.Links oben sehen Sie eine PCI-Express-Anbindung: Zwar ist sie noch "2.0", aber 40 "lanes" sind eine ganze Menge! Baut man 2 16x-Grafikkarten ein, sind immer noch 8 lanes übrig. Auch die restlichen Daten des Chips sind beeindruckend.

 

Thunderbolt

ThunderboltDiese Technologie hat Intel entwickelt - sie könnte eSATA und USB 3.0 ersetzen und findet bisher nur auf Macs ihre Anwendung. Die Thunderbolt-Schnittstelle arbeitet mit Hilfe von Display-Port (also dem Grafik-Teil der CPU) und PCI-Express in Kombination. Durch ein eigenes Protokoll kann sie unabhängig voneinander Daten und Video-Informationen übertragen, und zwar 10Gbps im bidirektionalen 2-Kanal-Datentransfer. 6 Thunderbolt-Geräte können (mit jeweils eigener Stromversorgung) hintereinander geschaltet werden. Da die Kabel einen Übertrager an jedem Ende beinhalten, sind sie sehr teuer - aber die Technologie ist sehr schnell. Zur Zeit gibt es meines Wissens externe Datenträger sowie Bildschirme für Thunderbolt. Wenn die Schnittstelle sich aber auf Windows-PCs etabliert hat, wird die Anzahl der Peripheriegeräte bzw. -typen sicher zunehmen.

Ausblick

Natürlich geht es auch nach Ivy-Bridge schon geplant weiter: Haswell heißt die neue Technologie zur Zeit, die - so ist es geplant - 2013 auf den Markt kommen soll. Einen neuen Sockel soll es dann geben: LGA 1150 wird er heißen. Viele vermuten einen eigenen L4-Cache für GPU. Die zugehörigen Chipsätze werden aus der "Serie 8" sein, der geplante Z87 heißt zur Zeit  „Lynx Point“. Er soll dann 6x USB 3.0-, sowie 6x SATA-III-6GB/s-Anschlüsse beinhalten und mit einer SSD-Optimierung versehen sein.
Auch die zugehörigen CPUs und Chipsätze für Notebooks und Tablets sind schon geplant. Die aktuelle Behauptung lautet: Laptops laufen dann 10 Tage bei täglicher Nutzung und Standby-Betrieb statt Ausschalten.

"Schaun mer mal"!

http://www.elektronikpraxis.vogel.de/hardwareentwicklung/articles/314340/

Bilder: intel, asrock