Nummer 5 lebt!

Die fünfte Generation von Intels Core-i-Prozessoren für Notebooks und Mini-PCs

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Anderthalb Jahre nach Haswell steht der Nachfolger Broadwell vor der Tür: Die 14-nm-Fertigung verspricht längere Laufzeit, die integrierte GPU wurde aufgebohrt – sogar beim Sound hat Intel nachgelegt.

Gemäß Intels Planungen von Mitte 2014 sollte der Broadwell-Kern eigentlich bereits zum Jahresende flächendeckend erhältlich sein, doch dieses Ziel erreichten nur die besonders stromsparenden Core-M-Ableger für Hybrid-Geräte zwischen Notebook und Tablet [1]. Jetzt starten die Modelle für potentere Notebooks, und zwar wie gewohnt mit Core-i-Namensschild als fünfte Generation. Die zum Start verfügbaren siebzehn Varianten decken den Bereich von Core i7 über i5 bis zum i3 ab – und zusätzlich sind sogar Pentiums und Celerons darunter.

Bei allen Broadwell-CPUs handelt es sich um Doppelkerne mit einem U in der Modellbezeichnung. Dieses stand früher einmal für ULV (Ultra Low Voltage), also für teurere Sondermodelle für Subnotebooks, die gegenüber den normalen Prozessoren mit M-Nummer hinsichtlich der Leistungsaufnahme und Performance abgespeckt hatten. Seit Haswell alias der vierten Core-i-Generation, die Mitte 2013 das Licht der Öffentlichkeit erblickte, hat sich das Gefüge jedoch verschoben: Die U-Prozessoren findet man mittlerweile nicht mehr nur in Ultrabooks und anderen besonders mobilen Edel-Notebooks, sondern auch in unzähligen günstigen Brot-und-Butter-Geräten, die jeder Hersteller in seinem Portfolio hat. Sie sind also die neuen Normalo-CPUs für Notebooks aller Größen und sparsame Mini-PCs.

Tick-Tock

Im Intel-Jargon der aufeinanderfolgenden Prozessorgenerationen ist Broadwell ein „Tick“, also die Umstellung eines bestehenden Designs auf eine feinere Fertigungstechnik – im Unterschied zur „Tock“ genannten Einführung einer neuen Prozessorarchitektur. Alle Broadwell-Kerne bestehen aus FinFET-Transistoren mit 14 nm Strukturbreite. So kleine Transistoren fertigt derzeit kein anderes Unternehmen in der Massenproduktion.

Kleinere Fertigungsstrukturen haben mehrere Vorzüge, darunter geringere Verluste der einzelnen Transistoren – ergo weniger Abwärme. Bei gleicher Abwärme erreicht der Chip also einen höheren Takt und damit mehr Performance. Dieser Fortschritt ist nicht immer auf den ersten Blick ersichtlich. So erreicht das Haswell-Topmodell i7-4600U mittels Turbo bis zu 3,3 GHz, der neue Broadwell-Vertreter i7-5600U hingegen lediglich 3,2 GHz. Turbo-Takte werden allerdings nur für kurze Zeit erreicht, nämlich nur unterhalb definierter Temperaturen und Ströme. Für eine dauerhaft hohe Performance sind die garantierten (Nominal-)Taktraten ausschlaggebend, und diese steigen beim erwähnten Generationswechsel deutlich: von 2,1 auf 2,6 GHz.

Für Intel ist mindestens ebenso wichtig, dass durch die kleineren Strukturbreiten mehr Transistoren auf einen Wafer passen, was die Fertigungskosten senkt. Das Die eines 14-nm-Broadwell-Prozessors ist etwa 82 mm2 groß; das eines 22-nm-Haswell-Vorgängers umfasste noch 131 mm2. Gleichzeitig steigerte Intel die Transistoranzahl von knapp 1 auf rund 1,3 Milliarden.

Anhand der höheren Transistoranzahl ist klar, dass Broadwell etwas mehr als ein reiner Haswell-Shrink sein muss. Neue Prozessorbefehle oder Funktionseinheiten wie sonst bei einer neuen Prozessorarchitektur sucht man aber vergeblich: Einzig die integrierte Grafik hat ordentlich zugelegt (siehe Kasten). Wie wichtig die GPU inzwischen auch bei Intel ist, zeigt der Blick auf Die-Shots: Bei normalen Dice ist etwa die Hälfte der Fläche für die GPU vorgesehen, bei den größeren Dice mit der Grafikausbaustufe GT3 (133 mm2, 1,9 Milliarden Transistoren) sind es sogar fast zwei Drittel.

Audio-Umbauten

Der zu Broadwell gehörende Chipsatz besteht aus einem eigenen Die, das wie bei Haswell neben dem Prozessor-Die auf einem gemeinsamen SoC-Träger sitzt. Intels Entwickler haben bei Broadwell aber Hand an eine ungewöhnliche Stelle gelegt: an den im Chipsatz integrierten Sound-Prozessor. Zwar war so ein DSP auch schon bei Haswell-SoCs an Bord, doch dort wurde er kaum genutzt. Der überarbeitete Broadwell-DSP versteht sich nun nicht mehr ausschließlich aufs Dekodieren von MP3 und AAC, sondern auch aufs Post-Processing sowie Wake on Voice.

Das wichtigste Detail am DSP ist, dass der zusätzlich benötigte Codec-Chip nicht wie sonst bei PC-Onboard-Sound üblich per HDA daran angeschlossen wird, sondern SoC-typisch per I2S. Diese Schnittstelle ist zwar auf Stereo limitiert, doch das reicht aus: Mehr als zwei Lautsprecher oder einen analogen Ausgang hat kaum ein Notebook. Mehrkanal-Ton kann weiterhin unabhängig vom Codec-Chip per HDMI digital an heimische Surround-Anlagen weitergereicht werden.

Der Verzicht auf HDA hilft beim Stromsparen, wenn man Videos guckt: Intel zufolge beträgt die Ersparnis etwa ein Drittel Watt. Das klingt gering, macht bei einer Gesamtleistungsaufnahme von unter 5 Watt inklusive Bildschirm aber einen deutlichen Unterschied: Zusammen mit anderen Optimierungen am Broadwell-SoC sollen beim Video-Abspielen im Vergleich zu einem sonst identischen Haswell-System mit HDA-Codec 8,7 Stunden statt 7,2 Stunden möglich sein – also umgerechnet zwei TV-Episoden mehr pro Akkuladung.

I2S ist jedoch kein Zwang für Broadwell-Systeme: HDA ist weiterhin möglich. Der Notebook-Entwickler hat also die Wahl – ähnlich wie beim WLAN-Chip, den er per PCI Express oder SDIO anschließen kann. Andere größere Veränderungen am Chipsatz sucht man vergeblich: PCIe 3.0 fehlt ebenso wie USB 3.1 – die neue Typ-C-Buchse lässt sich aber dennoch nutzen [2].

Verfügbarkeit

Gerne hätten wir bereits eigene Messungen präsentiert, doch bis Redaktionsschluss konnte uns kein Notebook-Hersteller mit Broadwell-Prototypen versorgen. Das lässt allerdings nicht den Rückschluss zu, dass solche Geräte generell noch nicht fertig sind: Broadwells auflötbare BGA-Gehäuse sind pinkompatibel zu Haswell. Ein Hersteller kann also ein bestehendes Notebook nehmen, das BIOS beziehungsweise UEFI-Setup anpassen und die Fertigungsmaschinen mit den neuen CPUs bestücken – fertig.

Ab Mitte Januar dürfen Hersteller und Händler Notebooks mit der fünften Core-i-Generation bewerben und verkaufen. Vermutlich wird es dann etliche bekannte Modelle in neuen Ausstattungsvarianten geben – und hoffentlich auch das ein oder andere ganz neue Notebook. Den Anfang machen laut Intel die Broadwell-CPUs mit HD-5500-Grafik; die potenteren HD-6000- und Iris-6100-Modelle sollen ab März folgen.

Viele Stromspar-Optimierungen am SoC-Prozessor, etwa durch die 14-nm-Fertigung, und die potentere integrierte Grafik stecken in sämtlichen Broadwell-Geräten; sie sollten also tendenziell längere Laufzeiten schaffen als nahezu baugleiche Haswell-Notebooks. Einen I2S- statt HDA-Codec muss der Hersteller allerdings explizit vorsehen. Bislang haben wir bei Notebooks noch kein I2S angetroffen, weshalb kaum eines der von Haswell auf Broadwell umgerüsteten Geräte von dieser speziellen Stromspar-Maßnahme profitieren kann.

Ausblick

Mit dem Core M und der jetzt gestarteten fünften Core-i-Generation für Notebooks sind Intels Broadwell-Pläne noch lange nicht am Ende. So fehlen weiterhin die leistungsstärkeren Quad-Core-Modelle und Iris-Pro-Ableger mit zusätzlichem eDRAM – und zwar sowohl für potentere Notebooks als auch für Desktop-PCs. Diese werden aber nicht vor Jahresmitte kommen – und das auch nur, sofern sich Intels Pläne nicht noch einmal verschieben.

Für die zweite Jahreshälfte 2015 steht bereits der Broadwell-Nachfolger Skylake auf Intels Roadmap. Dieser kann sich freilich noch verzögern, oder aber Broadwell beschert uns nur ein kurzes Intermezzo. Angesichts von Intels Offensiven im Mobilbereich könnte auch ein drittes Szenario eintreten, nämlich dass gleich drei CPU-Generationen parallel auf dem Markt sind – je nach Segment: Skylake für flache Mobilgeräte mit langer Laufzeit, Broadwell für leistungsstarke Notebooks und Desktop-PCs sowie Haswell-E für extreme Gaming-PCs, Workstation und Server. (mue)

Literatur
  1. [1] Florian Müssig, Erstlinge, HP Envy x2 und Lenovo IdeaPad Yoga 3 Pro: Notebook-Tablet-Hybride mit Core-M-CPU, c’t 26/14, S. 102
  2. [2] Florian Müssig, Toller Typ, Der Typ-C-Stecker für USB und USB 3.1, c’t 22/14, S. 76
Broadwell-Grafik

Bereits im September gab Intel einen ersten Ausblick auf die neuen Broadwell-Grafikeinheiten und stellte die HD-5300-Einheit vor – sie steckt in allen Core-M-Prozessoren. Mit den neuen Core-i-Ablegern kommen die schwache Grafikeinheit Intel HD mit 12 Shader-Rechenkernen (Execution Units/EU), die Standard-GPU HD 5500 mit 24 EUs und die leistungsstärkeren Varianten Intel HD 6000 und Iris 6100 mit je 48 Shader-Rechenkernen hinzu. Intel-intern heißen die Ausbaustufen je nach EU-Anzahl wie beim Haswell-Vorgänger GT1, GT2 und GT3; dort enthielten sie aber nur 10, 20 beziehungsweise 40 EUs.

Iris-GPUs stecken nur in Prozessoren mit einer Thermal Design Power von 28 Watt, die restlichen GPUs in jenen mit 15 Watt. Neue Iris-Pro-GPUs mit zusätzlichem eDRAM erscheinen erst mit den für Mitte 2015 erwarteten Quad-Core-Broadwells für Desktop-PCs und Notebooks.

Die Broadwell-Grafikeinheiten unterstützen DirectX 11.2 und sollen laut Intel schon „DirectX 12 ready“ sein. Ob damit eine vollständige Hardwarekompatibilität gemeint ist oder die GPUs auch unter DirectX 12 nur das Funktionsniveau 11_2 unterstützen, konnte Intel bis Redaktionsschluss nicht beantworten. Kompatibel sind die Broadwell-GPUs außerdem zur plattformübergreifenden 3D-Schnittstelle OpenGL 4.3 und dessen Mobil-Ableger OpenGL ES 3.1.

Laut Intel soll die 3D-Performance der HD 5500 etwa 22 Prozent höher sein als die der Haswell-GPU HD 4400, bezogen auf den Grafik-Benchmark 3DMark Icestorm Unlimited. Bei echten Spielen dürfte der Abstand etwas schrumpfen. Zudem gilt, dass die mittlerweile achte Generation von Intels Prozessorgrafik immer noch nicht schnell genug ist, um Spiele mit detailreichen 3D-Welten in Full HD flüssig und halbwegs hübsch darzustellen. Für Indie- und Browser-Spiele oder Google Earth reicht die Grafikleistung allerdings aus.

Broadwell-GPUs enthalten darüber hinaus Neuerungen für allgemeine Berechnungen (GPGPU), vor allem ist die Unterstützung von OpenCL 2.0 willkommen. Intel ermunterte Entwickler sogar, Compute-Berechnungen auf die Grafikeinheit auszulagern – ähnlich wie es AMD seit der Einführung seiner APU-Kombiprozessoren tut. Quick Sync kodiert Videos laut Intel nun bis zu 50 Prozent schneller als noch bei Haswell in andere Formate, wahlweise auch mehrere Streams parallel.

Die Video-Engine der neuen GPUs wurde aufgemotzt und unterstützt nun HEVC, VP8 und VP9 – allerdings wohl nicht vollständig GPU-beschleunigt. HDMI belässt Intel bei 1.4a, wodurch maximal 3840 × 2160 Bildpunkte bei 30 Hz drin sind. 4K bei 60 Hz gibt es weiterhin bestenfalls per DisplayPort. Wireless Display (WiDi) macht mit Broadwell den Sprung auf Version 5.1, unterstützt nun DirectX-9/11-Vollbildformate und mit einem kommenden Treiber-Update sogar 4K. (mfi)

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