Obwohl die Entwicklung in der Computerbranche meist rasend schnell zu gehen scheint, haben Prozessorarchitekturen oft ein erstaunlich langes Leben. Mit “Sandy Bridge” führt Intel nun nach sehr vielen Jahren wieder einmal eine neue ein.

Bei “Sandy Bridge” handelt es sich um Intels erste wirklich neue Prozessorarchitektur seit dem Pentium 4 vor zehn Jahren. Die CPUs der offiziell als “Core i7 Second Generation” bezeichneten Serie tragen denn auch vierstellige Typbezeichnungen statt der dreistelligen Modellnummern der bisherigen Prozessoren.

Freilich erfand der Halbleitergigant für Sandy Bridge das Rad nicht neu, auf den 32-Nanometer-Chips finden sich auch bekannte und bewährte Techniken, teilweise auch in verbesserter Ausführung. Die “Bridge” im Namen kommt nicht von ungefähr: Im CPU-Teil finden sich sowohl Techniken der Core-i7-Generation als des P6-Nachfolgers “Netburst”. Daneben flossen auch Erfahrungen aus der von Intel ursprünglich als GPU geplanten und später als Numbercruncher umetikettierten “Larrabee”-Serie mit ihren zig Kernen in Intels neueste CPUs ein. All das verheiratet Intel mit der aktuellsten Ausführung seiner integrierten Chipsatzgrafik, die dem Hersteller zufolge zumindest dedizierte Einsteiger-Grafikkarten schlagen soll.

Auf den ersten Blick (Abbildung 1) hat sich wenig geändert: Bis zu vier Kerne, 256 KByte L2-Cache pro Kern, Hyperthreading, integrierter Zweikanal-Speichercontroller und PCI-Express-Interface, 8 MByte L3-Cache, 3.4 GHz Taktrate, 95 Watt TDP – das kennt man alles schon von der Vorgänger-Generation. Die wirklichen Neuerungen zeigen sich erst beim Blick unter die Haube.

Abbildung 1: Der Sandy Bridge-Die mit seinen einzelnen Komponenten.

Neuerungen

Die sicherlich größte Neuerung stellt das mit 256 Bit gegenüber den Vorgängern doppelt so breite Vektor-Register dar. Mit den neuen AVX-SIMD-Befehlen (siehe Kasten “Advanced Vector Extensions”) verrechnet man damit 8 Fließkommazahlen doppelter Präzision oder 16 in einfacher Präzision in einem Rutsch. Das funktioniert, wie man es von anderen Architekturen (PA-RISC, Itanium, SPARC64, PowerPC) teils schon seit Jahrzehnten kennt, auch endlich nicht-destruktiv mit mehreren Operanden sowie Addition und Multiplikation in einem Befehl (FMA).

Ebenfalls völlig neu ist ein schneller Ring-Bus, der den L3-Cache, die CPU-Kerne, die GPU und den “Uncore”-Bereich mit der Schnittstelle zum Rest des Systems verbindet. Diesen bereits im Larrabee erprobten Ansatz vergleicht Intel mit einem Paternoster, auf den die Daten auf- und an der richtigen Stelle wieder abspringen. Der Bus besteht eigentlich aus vier Ringen (Data, Request, Acknowledge, Snoop), die zusammen mit einem eigenen Protokoll auch die Cache-Kohärenz sicherstellen. Der Vorteil zum bisherigen Crossbar-Switch-Ansatz: Es lassen sich beliebig viele Stationen (sprich: CPU-Kerne) hinzufügen, ohne den Ringbus anpassen zu müssen.

Der “Trace Cache” des Pentium 4 erlebt in Sandy Bridge einen zweiten Frühling. Der neuen Cache puffert als Micro-Ops (uOps) dekodierte x86-Instruktionen. Das erhöht den Datendurchsatz und verbessert die Latenz, da wiederkehrende Befehle nun nicht mehr aus dem L1-Befehls-Cache geladen und erst dekodiert werden müssen. Obendrein spart es Strom, da der Befehlsdecoder sich derweil schlafen legen kann. Intel nennt den neuen Trace-Cache L0, weil er quasi unter dem L1-Befehls-Cache sitzt (aber dennoch Teil von diesem ist). Bei einer Kapazität von 1500 Micro-Ops findet sich laut Intel in 80 Prozent aller Fälle die Instruktion bereits dekodiert im L0-Cache. Das ermöglichteinen besseren dauerhaften Durchsatz von 4 Micro-Instruktionen pro Takt (“4-issue”).

Auch die Sprungvorhersage (Branch Prediction Unit, BPU) hat Intel verbessert. Moderne Prozessoren schauen per Lookahead-Buffer quasi in die Zukunft und versuchen Sprungziele vorherzusagen. Verschätzen sich die CPU, muss sie die gesamte Pipeline mit bis zu 100 “In-Flight-Instructions” leeren, den Code für das korrekte Sprungziel neu laden und ausführen (eine sogenannte “Bubble”). Durch Verkürzen der Sprungvektoren auf die relative Entfernung statt der absoluten Speicherposition kann Sandy Bridge mehr Sprungadressen im Branch Target Buffer (BTB) vorhalten, da die meisten Schleifen relativ klein ausfallen. Mehr History-Bits ermöglichen, die Wahrscheinlichkeit eines Sprungs nun auch besser zu bestimmen, die Confidence-Bits können nun obendrein für mehrere Sprungadressen gelten.

Neu arrangiert

Per Reorder-Buffer (ROB) arrangiert der Prozessor Befehlsfolgen zur effizienteren Abarbeitung. Diesen hat Intel ebenfalls verbessert: Es gibt nun wie beim Pentium 4 ein PRF (Physical Register File). Das erleichtert das Verwalten vieler Befehle, da nur Vektoren ins PRF geändert werden müssen, zudem benötigt auch AVX dieses Feature. Insider vermuten, dass Intel den ROB auch deswegen überarbeitet hat, um einen bekannten Hotspot besser über den Prozessorkern zu verteilen, was eine höhere Taktrate erlaubt.

Nicht zuletzt hat Intel auch den Turbo-Modus für CPU und GPU modernisiert (“Turbo 2.0”). Statt wie bisher einfach bei Erreichen der maximalen TDP herunterzutakten, orientiert sich der Modus nun auch an der tatsächlichen Temperatur. Intel vergleicht das mit einem Kessel Wasser, den man auf den Herd stellt: Auch bei voller Heizleistung kocht das Wasser erst nach einiger Zeit. Bis es soweit ist, übertaktet “Turbo 2.0” munter weiter und darf dabei sogar die TDP kurzzeitig überschreiten. Erst bei Erreichen der kritischen Temperatur taktet die CPU schrittweise herunter. Da sich in den meisten Programmen rechenintensiver und weniger anspruchsvoller Code abwechseln, funktioniert dieser Ansatz recht gut.

Der Grafikkern residiert nun wie beim “Pinetrail”-Atom direkt auf dem Prozessor-Die. Dies ermöglicht eine engere Integration von GPU und CPU: So können etwa beide auf den L3-Cache (von Intel nur noch LLC, also “Last Level Cache”, genannt) zugreifen. Intel verspricht eine gegenüber dem Vorgänger GMA HD verdoppelte Leistung. Ärgerlicherweise hat Intel der neuen GPU keine OpenCL-Unterstützung spendiert, auch neue Shader-Features wie Tesselation (OpenGL 4.0 / DirectX 11) sucht man vergeblich. OpenGL 2.1 und DirectX 10.1 bleiben das Höchste der Gefühle.

Die integrierte Media-Engine überarbeitete Intel ebenfalls. Sandy Bridge kann zwar immer noch zwei H.264-Streams gleichzeitig dekodieren, erledigt dies allerdings in der Media-Engine statt über die Shader des Grafikkerns. Das ist wesentlich energieeffizienter und lässt den Grafikkern für andere Aufgaben frei. Intel verspricht auch eine doppelt so hohe Encoding-Leistung wie zuvor, dies dann jedoch in Kombination mit dem Grafikkern.

Zu guter Letzt wäre noch die Crypto-Engine AES-NI zu nennen, deren Leistung Intel in Sandy Bridge deutlich verbessert haben will, insbesondere bei RSA und SHA-1.

Sockel und Varianten

Zusammen mit Sandy Bridge führt Intel nach LGA1366 (2008) und LGA1156 (2009) schon wieder einen neuen Sockel und Chipsatz ein: Der neue LGA1155 weist einen Pin weniger auf als sein Vorgänger, die zwei neuen Chipsätze H67 und P57 avisieren den Einsteiger-Markt und den “Top-Midrange-Consumer”. Damit zeigt Intel dem Upgrade-Markt einmal mehr die kalte Schulter. Bei AMD kann man auch aktuellste Sechskern-Chips noch in AM2-Motherboards von 2006 stecken – ein passendes BIOS-Upgrade des Board-Herstellers vorausgesetzt.

Die ersten Sandy-Bridge-CPUs gelten offiziell als Nachfolger der LGA1156-“Clarkdales” und “Lynnfields” (bis Core i7 8xx) im Value-Segment. Den mit LGA1366 (Core i7 9xx) bedienten High-End-Consumer-Sektor will Intel erst 2012 mit der neuen Architektur beliefern. Mit dem Sandy Bridge EP (Dual-Socket) beziehungsweise EX (Quad-Socket) soll im zweiten Halbjahr 2011 eine Server-Variante ohne Grafik mit bis zu 8 Kernen und 16 MByte L3-Cache erscheinen, ebenfalls mit neuem Sockel: LGA2011 bietet Platz für vier Speicherkanäle und zwei QPI-Links in Version 1.1.

Intel bringt Sandy Bridge Anfang Januar in Core-i5- und i7-Varianten heraus, Ende Februar kommen dann die Core i3 dazu, noch etwas später Billigvarianten unter dem Pentium-Label (siehe Tabelle “Sandy-Bridge-Modelle”). Die bisherige Unterscheidung behält Intel bei:

• Doppelkern mit Hyperthreading und wenig Cache, aber ohne Turbo beim i3,
• Vierkern ohne Hyperthreading mit mehr Cache beim i5, und
• Vierkern mit Hyperthreading und maximalgroßem Cache beim Core i7.

Dem Sandy-Bridge-Pentium fehlen sowohl Hyperthreading als auch der Turbo-Modus. Die für Übertaktungswillige gedachten, nur wenig teureren K-Varianten verfügen über einen frei einstellbaren Multiplikator. Die Preise (in 10?000er-Stückzahlen) bewegen sich zwischen 64 US-Dollar für den günstigsten Pentium und 317 Dollar für den Core i7 2600K. Damit liegt selbst der teuerste Sandy Bridge preislich nur auf dem Niveau eines Core i7 870.

Core-i7-Mobilvarianten von Sandy Bridge sollen noch im Januar ebenfalls erscheinen, im Februar folgen weitere sowie mobile Core i5. Der Basistakt reicht hier je nach Variante von 2 bis 2,7 GHz, der Turbo-Takt von 3 bis 3,5 GHz. Die TDP beträgt je nach Modell 18 bis 55 Watt. Alle mobilen Sandy Bridges integrieren den HD-Graphics-200-Grafikkern mit 12 Shader-Units, 650 MHz Basistakt und bis zu 1300 MHz Turbo-Takt.

Von Intels HD Graphics gibt es zwei Varianten, die Standardausführung Intel HD Graphics 100 mit 6 Shader-Units und Intel HD Graphics 200 mit 12 Shadern, die jedoch nur der Core i5 2500(K) und Core i7 2600(K) mitbringen. Der GPU-Basistakt liegt bis auf wenige Ausnahmen bei 850 MHz, der Grafik-Turbo übertaktet in der Regel bis 1100 MHz. Ausnahmen machen hier der Core i3 2500T (bis 1250 MHz) und der beim Core i7 2600/2600K (bis 1350 MHz).

Sandy Bridge unter Linux

Wir testen den Core i7 2600K im High-End-Motherboard Intel DP67BG (Abbildung 2) mit P57-Chipsatz sowie den Core i5 2500K im DH67BL (Abbildung 3). Beide Motherboards haben nun zwei USB 3.0-Ports an Bord, die Intel jedoch mittels des bekannten NEC-Chips integriert, USB-3.0-Unterstützung in den Intel-Chipsätzen gibt es also immer noch nicht. Beeindruckt waren wir, wie problemlos die neuen CPUs mit Linux funktionieren, selbst mit ältere Distributionsvarianten wie Ubuntu 9.04.

Abbildung 2: Das “Burrage”-Motherboard DP67BG bietet viele Erweiterungsmöglichkeiten und unterstützt Nvidia/ATI-SLI-Grafik mit zwei mal acht Lanes.

Abbildung 3: Das DH67BL, Codename “Bearup Lake” hat wenig Steckplätze, aber dafür einen Grafikausgang für die integrierte Sandy-Bridge-GPU.

Ein anderes Bild zeigt sich in Sachen Grafik: Obwohl es von Intel erste Treiber für den Grafikkern HD Graphics 100/200 im 2010Q3-Linux-Graphics-Package [1] gibt, gelang es uns nicht, diese lauffähig zu kompilieren – wir sahen nach dem Installieren stets nur einen schwarzen Bildschirm mit Mauspfeil. Obwohl die aktuelle Beta von Ubuntu 11.04 bereits alle laut Intel für Sandy-Bridge-Grafik notwendigen Komponenten enthält, klappte es dort keine 3D-Beschleunigung. Immerhin: glxinfo bescheinigt aktives Direct Rendering (DRI), auch der Samsung-Monitor wird korrekt erkannt und die native Auflösung eingestellt. In älteren Ubuntu-Versionen lässt sich die Intel-Grafik dagegen nur im VESA-Framebuffer-Modus zur Mitarbeit überreden.

Die Leistungsfähigkeit der neuen integrierten Grafik, auf die Intel so stolz ist, lässt sich also unter Linux bisher noch nicht ermitteln. Im ersten Quartal 2011 sollen die Treiber finalisiert den Weg in den offiziellen Kernel finden. Laut Planung soll Ubuntu 11.04 den GMA HD 3000 inklusive 3D bereits von Haus aus unterstützen – ob das auch klappt, ist noch nicht klar.

Leistung

Der schnellste Sandy Bridge – der Core i7 2600K mit vier Kernen, Hyperthreading und 3,4 GHz – schlägt sogar einen Vierkern Core i7 975 (LGA1366) mit 3,33 GHz um rund 12 Prozent. Lediglich der Sechskerner Core i7 980X mit 3,33 GHz für 1000 Dollar kann sich noch gegen den 2600K behaupten, er bringt je nach Linux-Version noch 5 bis 8,5 Prozent mehr Leistung. Auch der Core i5 2500K mit 3,3 GHz ohne Hyperthreading muss sich nicht verstecken: Er ist in Summe nur unwesentlich langsamer als der Core i7 975 (je nach Linux-Version 0 bis 4 Prozent). Der Vergleich zum direkten Vorgänger, der günstigen LGA1156-Plattform, fällt noch vorteilhafter aus: Der 2600K ist je nach Linux-Version 15 bis 21 Prozent schneller als der Core i7 870.

Um zu messen, wieviel Sandy Bridge Takt-für-Takt mehr bringt als der Vorgänger, deaktivieren wir den Turbo-Modus und takten den Core i7 2600K auf 2,9 GHz herunter. Dann vergleichen wir mit einem Core i7 870 mit 2,93 GHz und ebenfalls deaktiviertem Turbo. Das Sandy-Bridge-Ergebnis in LUbench liegt rund 9,3 Prozent höher – bei Einzelanalyse der Tests zeigt sich, dass insbesondere unoptimierte Software zulegt. Das gut optimierte x264 und 7zip laufen nur 3,5 Prozent schneller, H.264-Replay via Mplayer nur 2,5 Prozent. Dagegen legen der Compilebench und Bzip2 stolze 23 Prozent zu. Lame-MP3-Encoding ist 14 Prozent schneller, der Rest der CPU-Tests liegt auf dem Sandy Bridge zwischen 6 und 9 Prozent im Plus.

Der größte Anteil der Mehrleistung beruht jedoch auf dem neuen Turbomodus. Insbesondere in Singlethread-Tests wie OGG- und LAME-Encoding oder Bzip2-Kompression liegt der mit 3,4 GHz getaktete 2600K um 23 Prozent vor den mit 3,33 GHz ähnlich getakteten Core i7 975 und Core i7 980X. Er ist auch 19 Prozent schneller als der Core i7 870 mit seinem aggressiveren Turbo-Modus. Der im Vergleich zum i7 870 deutlich höhere Basistakt hat bei einigen Multithreaded-Tests einen deutlichen Einfluss, wie etwa beim Raytracing (19 Prozent Plus).

Dank der Verkleinerung der Strukturbreite auf 32 Nanometer und neuen Stromsparmaßnahmen begnügt sich der Sandy Bridge trotz höherem Takt mit deutlich weniger Stromsparender als die 45-Nanometer-Vorgänger. Beim Core i7 2600K messen wir ein Last/Leerlauf-Delta von 77 Watt, beim 2500K beträgt es nur 75 Watt. Das liegt ungefähr auf dem Level des ebenfalls in 32 Nanometer gefertigten Sechskerners Core i7 980X (83 Watt). Dagegen verbrauchte der direkte Sandy-Bridge-Vorgänger Core i7 870 unter Last rund 90 Watt mehr. Beim Vergleich zum Core i7 870 zeigt sich, dass bei soweit wie möglich identischen Parametern das Sandy-Bridge-System im Leerlauf etwa 22 Watt weniger verbraucht, unter Last spart es sogar 33 Watt.

Fazit

Mit Sandy Bridge stellt Intel eine beeindruckende neue Architektur vor. Zahlreiche Verbesserungen erlauben höheren Takt, mehr Leistung und gleichzeitig niedrigeren Stromverbrauch, nebenbei belässt Intel die Preise im noch erschwinglichen Rahmen. Insbesondere die neuen Möglichkeiten von AVX versprechen viel Leistungs-Spielraum nach oben, sobald erst einmal angepasste Software herauskommt. AMDs später im Jahr erscheinende Konkurrenz “Bulldozer” dürfte an Intels neuer Architektur ordentlich zu beißen haben.