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Intel Core 2 Extreme QX9650: Der 45 nm Yorkfield im Praxistest - 1/19
29.10.2007 by doelf
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Am 12. November wird Intel die ersten Prozessoren vorstellen, welche auf der 45 nm Hi-k Metal Gate Silizium Technologie basieren. Zu diesen Prozessoren, welche Intel unter dem Namen "Penryn" zusammenfasst, gehört das Modell Core 2 Extreme QX9650, welches zeitgleich mit der Vorstellung in den Handel kommen soll. Wir werden diesen Prozessor heute vorstellen und uns detailliert mit seiner Architektur beschäftigen.

Ein kurzer Hinweis zu den aktuellen Codenamen: Die neue Prozessorenfamilie bezeichnet Intel als "Penryn", dies bezieht sich sowohl auf die Server- und Workstation-Prozessoren als auch auf die Desktop- und Mobil-CPUs. Die Quad-Core Prozessoren im Desktop-Segment, also beispielsweise unser Core 2 Extreme QX9650, tragen zudem den Codenamen "Yorkfield", ihr Quad-Core Pendant für Server und Workstations wird als "Harpertown" bezeichnet. Dual-Core Prozessoren auf Basis der 45 nm Fertigungstechnik werden erst später folgen, im Desktop-Sektor werden diese den Codenamen "Wolfdale" tragen.

Rückblick: 15 Monate Core-Mikroarchitektur
Die letzten 15 Monate hat Intel den Markt für Mikroprozessoren klar dominiert - und nicht nur in Hinblick auf die Absatzzahlen. Wie ist es dazu gekommen? Seit der Einführung der ersten Athlon Prozessoren waren AMD und Intel stets auf Augenhöhe. Zuweilen erkämpften sich die Prozessoren der einen Firma einen Leistungsvorteil, dann hatten wieder die Produkte des Mitbewerbers die Nase vorn. Insbesondere in Bezug auf die Leistung pro Watt dominierten allerdings die Texaner lange Zeit im Desktop- und Serverbereich. Dies alles änderte sich am 27. Juli 2006, dem Tag, als Intel seine Core-Mikroarchitektur auf den Markt brachte. Intel deklassierte nicht nur seine eigenen Netburst Prozessoren der Pentium 4 und Pentium D Baureihen, sondern zugleich auch AMDs Athlon 64 und Athlon 64 X2. Die Core-Mikroarchitektur ermöglichte eine erstaunliche Performance bei zugleich moderatem Stromverbrauch und ließ die Preise der übrigen CPUs ins Bodenlose stürzen.


Core2 Extreme X6800 (links), Pentium Extreme Edition 965 (rechts)

Insbesondere der geringe Stromverbrauch ermöglichte es Intel, bereits am 2. November 2006 seinen ersten Vier-Kern-Prozessor, den Core 2 Extreme QX6700, auf den Markt zu bringen. Dessen Kentsfield-Kern besteht nämlich aus zwei Dual-Core Conroe-Kernen, Intel hat quasi zwei Prozessoren in ein Gehäuse gepackt. Diese Methode ist recht einfach umzusetzen und zudem kostengüstig, denn es werden die gleichen Fertigungsstrecken genutzt, wie für die Zwei-Kern-Modelle. Der Nachteil, welchen AMD nicht müde wurde zu betonen, liegt darin, dass sich jeweils nur zwei Kerne ihren Level 2 Cache teilen und somit nicht alle im Cache befindlichen Daten auch allen vier Kernen zur Verfügung stehen. Streng genommen ist Intels Kentsfield daher eine sehr platzsparende Dual-CPU-Architektur. AMD möchte das mit seinem K10 zwar alles besser machen, doch für das Desktop-Segement sind leider noch keine Prozessoren auf Basis dieser neuen Architektur verfügbar.


2+2: Der Kentsfield Kern

Während Intel seinen Mitbewerber AMD in Bezug auf die absolute Leistung sowie die Leistung pro Watt überholen konnte, steckt in der Core-Mikroarchitektur auch weiterhin eine gravierende Schwachstelle. AMD hatte bei seinem Wechsel vom K7 zum K8 erkannt, dass der traditionelle Frontsidebus eine Sackgasse ist. Hierbei befindet sich der Speichercontroller im Chipsatz und der Prozessor greift über den Chipsatz auf den Arbeitsspeicher zu. Steigt die Bandweite des Arbeitsspeichers, muss zugleich auch die des Frontsidebus wachsen. Um dieses Problem zu vermeiden, hat AMD den Speichercontroller in die CPU verlagert, Intel verwendet indes auch weiterhin den Umweg über den Chipsatz. Bildlich gesprochen wechseln die Daten von einer Autobahn auf die Landstraße, welche dann auf eine zweite Autobahn führt. Zwar baut Intel diese Landstraße seit Jahren immer besser aus - zuletzt im Juli 2007 auf FSB1333 -, doch um den Bau eines Autobahnkreuzes wird auch Intel nicht mehr lange herumkommen.


45 nm SRAM-Chip

Mission Moore's Law
Wer nun erwartet hatte, dass sich Intel nach der Einführung der Core-Mikroarchitektur erst einmal zurücklehnen und abwarten würde, sah sich getäuscht. Bereits im Januar 2007 demonstrierte Intel erstmals lauffähige Prozessoren mit einer Strukturgröße von 45 nm. Etwa ein Jahr zuvor, am 25. Januar 2006, hatte Intel erstmals voll funktionsfähige SRAM-Chips im 45 nm Herstellungsprozess gezeigt. Ende März 2007 gab Intel dann den Fahrplan für die nächsten Jahre bekannt: Quasi im Tick-Tack Rhythmus eines Uhrenpendels soll in einem Jahr (Tick) eine neue Architektur eingeführt werden, im folgendenden Jahr erscheint dann ein Refresh (Tack), also eine Überarbeitung dieser Architektur, welche eine kleinere Strukturgröße verwendet. Es folgt wieder eine neue Architektur (Tick), dann deren Refresh (Tack) usw... Nachdem 2006 die Core-Mikroarchitektur (Tick) eingeführt wurde, ist 2007 deren Refresh (Tack) namens Penryn an der Reihe und zugleich auch das Thema unseres heutigen Artikels.

Der stramme Zeitplan soll dazu beitragen, dass Intels Mitbegründer Gordon Moore seine Aussage von 1965 nicht noch ein zweites Mal überarbeiten muss. Moore hatte in einer Ausgabe des Electronics Magazine vom 19. April 1965 vorrausgesagt, dass sich die Zahl der Schlatkreise auf einem Computerchip jährlich verdoppeln wird:

"The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year ... Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65,000. I believe that such a large circuit can be built on a single wafer."

Zehn Jahre später korrigierte er diese Aussage und verlängerte den Zeitraum auf zwei Jahre. Diese Korrektur kündigte sich allerdings bereits im ursprünglichen Mooreschen Gesetz an, da er seine Aussage von 1965 nur für die nächsten zehn Jahre traf. Dass seine Vorraussage allerdings bis 2007 Bestand haben sollte, dürfte Gordon Moore in seinen kühnsten Träumen nicht erwartet haben. Für Intel scheint indes die Einhaltung des Mooreschen Gesetzes oberste Priorität erhalten zu haben. Es wurde zu einer Art ewigen Zeitplan, an dem die Entwickler der Firma ihre Ziele festmachen.

Weiter: 2. 45 nm: High-k und Metal Gates

1. 15 Monate Core-Mikroarchitektur
2. 45 nm: High-k und Metal Gates
3. Wide Dynamic Execution und Radix-16 Divider
4. Advanced Digital Media Boost, SSE4 und Super Shuffle Engine
5. Intelligent Power Capability, DPD, EDAT und CC3 State
6. Smart Memory Access, Advanced Smart Cache, VT und FSB1600
7. Intel Core 2 Extreme QX9650 und Testsystem
8. CPU-Leistung (synthetisch)
9. Multithreaded (synthetisch)
10. Datendurchsatz von Speicher und Cache
11. Primzahlen und Pi
12. Raytracing und Rendering
13. Kompression und mp3-Encoding
14. Video-Encoding
15. 3DMark06 und F.E.A.R.
16. Riddick und UT2004
17. Stromverbrauch
18. Übertakten
19. Fazit

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