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Intel Core i7-4930K - Ivy Bridge-E mit sechs Kernen

Autor: doelf - veröffentlicht am 28.02.2014
s.2/22

Vergleich: Ivy Bridge-E, Sandy Bridge-E und Haswell

Strukturgröße und Stromverbrauch

In erster Linie ist Ivy Bridge-E ein DIE-Shrink von Sandy Bridge-E. Dies bedeutet, dass Intel feinere Fertigungsstrukturen verwendet, die einen geringeren Stromverbrauch bzw. höhere Taktraten versprechen. Während unser Core i7-3960X (Sandy Bridge-E) im 32-nm-Prozess gefertigt wurde, nutzt der Core i7-4930K (Ivy Bridge-E) dreidimensionale 22-nm-Strukturen. Diese Tri-gate-Transistoren hielten bei Intel am 23. April 2012 mit den normalen "Ivy Bridge"-Modellen Einzug, werden aber auch von der aktuellen Haswell-Generation genutzt. Da Core i7-3960X und Core i7-4930K fast identische Taktraten verwenden, sollte man denken, dass Intel für den Ivy Bridge-E eine geringere TDP nennt. Dem ist aber nicht so, beide Prozessoren sind mit 130 Watt spezifiziert. Dem Core i7-4770K, derzeit die schnellste Haswell-CPU, genügen 84 Watt, doch dieser Prozessor umfasst auch nur vier Kerne.

PCIe-Lanes und Arbeitsspeicher

Die wichtigste Neuerung der normalen "Ivy Bridge"-CPUs war der verbesserte Grafikkern, doch einen solchen besitzt die E-Variante nicht. Dafür stehen 40 PCIe-Lanes zur Anbindung von Grafikkarten zur Verfügung. Während Sandy Bridge-E seitens Intel nur eine Freigabe für PCI-Express 2.0 erhalten hatte, unterstützt Ivy Bridge-E nun offiziell PCI-Express 3.0. Hierdurch verdoppelt sich die maximale Bandbreite auf 1 GB/s pro Lane und Richtung - einer Grafikkarte, die über 16 Lanes angebunden ist, stehen insgesamt 32 GB/s zur Verfügung. Die 40 PCIe-3.0-Lanes des Ivy Bridge-E lassen sich auf drei (16/16/8), vier (16/8/8/8) oder fünf Grafikkarten verteilen (16/8/8/4/4). Die Haswell-CPUs verfügen lediglich über 16 PCIe-3.0-Lanes, was den Einsatz auf zwei (8/8) oder drei Grafikkarten (8/4/4) beschränkt. Auch beim Arbeitsspeicher hat Haswell das Nachsehen: Offiziell unterstützt Intels modernste Plattform vier DDR3-1600-Module und bindet diese über zwei Kanäle an. Sandy Bridge-E und Ivy Bridge-E besitzen jeweils vier Kanäle und unterstützen bis zu acht Module. Bereits Sandy Bridge-E hatte Intels Segen für DDR3-1600 erhalten, Ivy Bridge-E darf nun auch mit DDR3-1866 kombiniert werden.

Befehlssatzerweiterungen

Bezüglich der Befehlssatzerweiterungen unterscheiden sich Ivy Bridge-E und Sandy Bridge-E nicht, beide Architekturen beherrschen MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2, AVX, EMT64T und AES-NI sowie die Virtualisierungstechniken VT-x und VT-d. Anders verhält es sich mit Haswell, denn diese Architektur bringt die zweite Generation von AVX. AVX 2.0 erweitert die mit Sandy Bridge eingeführten " Advanced Vector Extensions" um FMA (Fused-Multiply-Add). Normalerweise wird zunächst das Produkt berechnet, dann gerundet und erst im Anschluss erfolgen die Addition und eine zweite Rundung. Bei FMA gibt es nur die abschließende Rundung, wodurch die Ergebnisse genauer sind und der Durchsatz gesteigert wird. Verglichen mit Sandy Bridge verdoppelt sich die Rechenleistung auf 32 FLOPs/Cycle bei einfacher und 16 FLOPs/Cycle bei doppelter Genauigkeit. Zudem benötigt Haswell für ein Multiply-Add nur noch fünf Zyklen, Ivy Bridge hingegen acht.
Eine weitere Neuerung von Haswell ist "Transaktionaler Speicher", welcher bei Intel das Kürzel TSX ("Transactional Synchronization Extentions") trägt. TSX soll das parallele Verarbeiten vieler Threads beschleunigen, indem die Häufigkeit der Synchronisierungsvorgänge minimiert wird - somit wäre TSX bestens für sechs Kerne und zwölf Threads geeignet. Statt vor jedem Datenzugriff einen Abgleich mit allen anderen Threads zu machen, welche auf den selben Adressbereich zugreifen, arbeiten die einzelnen Threads zunächst asynchron. Bevor die Daten weiter verwendet werden, findet eine Prüfung auf Zugriffskonflikte statt. Hat es einen solchen gegeben, was statistisch eher selten vorkommt, wird dieses Ergebnis verworfen und muss neu berechnet werden. Leider bleibt TSX einigen Haswell-CPUs, darunter alle K-Modelle, vorenthalten.

Ausführungseinheiten und Cache

Wie bei praktisch jeder CPU-Generation hat Intel auch bei Haswell wieder an der Sprungvorhersage geschraubt, zudem wurden etliche Puffer vergrößert. Für einen generellen Leistungsschub sorgt zudem ein weiterer Ausbau der Ausführungseinheiten. So gibt es nun vier statt drei ALUs, eine dritte AGU (Adress-Generierungs-Einheit) und eine zweite Sprungeinheit. Und damit diese neuen Einheiten auch ausreichend Futter erhalten, hat Intel dem Scheduler des Haswell acht Ports zur Verfügung gestellt. Diese Maßnahmen stellen einen deutlichen Umbruch dar, denn vom ersten Core 2 auf dem Sockel LGA775 bis zum Ivy Bridge-E hatte Intel an sechs Ports festgehalten. Mit 64 Byte/Cycle lädt der L1-Cache des Haswell die Daten doppelt so schnell und auch die Schreibrate verdoppelt sich auf 32 Byte/Cycle. Zudem wurde die Bandbreite zwischen der ersten und zweiten Cache-Ebene von 32 auf 64 Byte/Cycle erhöht.
Die Haswell-Architektur bietet mit AVX 2.0 und TSX klare Vorteile gegenüber Ivy Bridge-E, doch in der Praxis werden sich diese nur selten auswirken, da diese Befehlssatzerweiterungen eine Anpassung der Software voraussetzen. Mit ihren aufgebohrten Ausführungseinheiten und schnelleren Cache-Zugriffen erreichen Haswell-Prozessoren allerdings auch eine höhere Rechenleistung pro Megahertz, von der alle Programme profitieren. Man darf also gespannt sein, ob die Optimierungen des Haswell ausreichen, um die beiden zusätzlichen Kerne des Ivy Bridge-E in der einen oder anderen Messung aufzuwiegen.
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