Im Test: Intel Haswell Prozessoren

• 22 Nanometer Tri-Gate-Prozess
• 1,4 Milliarden Transistoren
• 177 mm² Die-Size
• 32 + 32 KByte L1-Cache für Daten und Instruktionen (pro Kern)
• 256 KByte L2-Cache (pro Kern)
• bis zu 8 MByte L3-Cache (geteilt zwischen CPU und GPU)
• MMX, SSE bis 4.2, AVX, AVX2, FMA3, AES-NI, Intel 64
• HD-4600-Grafikeinheit (GT2, DirectX-11.1-fähig, 20 EUs)
• DDR3(L)-Speichercontroller bis 800 MHz (DDR3-1600)
• 16 Lanes nach PCIe 3.0
• TDP von 37, 47 oder 57 Watt

Seit dem Jahr 2007 folgt Intels Entwicklungsabteilung dem sogenannten "Tick-Tock"-Schema: Im jährlichen Rhythmus – kleinere Verzögerungen wollen wir hier vernachlässigen – stellt das Unternehmen abwechselnd eine neue Mikroarchitektur beziehungsweise einen neuen Fertigungsprozess vor. So repräsentierte Ivy Bridge ("Tick") einen leicht modifizierten Die-Shrink der Sandy-Bridge-Generation auf eine kleinere Strukturbreite, während Haswell ("Tock") eine neue Architektur im identischen 22-Nanometer-Prozess darstellt.

Das Adjektiv "neu" sollte man dabei nicht überbewerten: Auch Haswell erfindet das Rad nicht gänzlich neu, sondern orientiert sich in vielen Punkten an seinem Vorgänger. Dennoch gibt es einige bedeutende Veränderungen: Dazu zählen beispielsweise zusätzliche Befehlssatzerweiterungen wie AVX2 und FMA3, BMI (Bit Manipulation Instructions) und TSX (Transactional Synchronization Extensions). Während AVX2 stark vereinfacht als eine Art Integer-Erweiterung der ersten AVX-Generation angesehen werden kann, ergänzt FMA3 eine Reihe neuer Instruktionen für Floating-Point-Code mit 128- und 256-Bit-Operanden. Dabei gilt es zu beachten, dass FMA3 nicht direkt kompatibel zu FMA4 ist, welches bereits von einigen aktuellen AMD-Prozessoren (Trinity, Richland) zusätzlich zu FMA3 unterstützt wird. Der entscheidende Unterschied liegt in der Verwendung der Register: FMA4 erlaubt FMA-Operationen wie "a + (b * c) = d", während bei FMA3 das Zielregister "d" einem der drei Register "a", "b" oder "c" entsprechen muss. Die beiden anderen Erweiterungen zahlen sich unter anderem in Kryptographie-Anwendungen aus (BMI) beziehungsweise optimieren die Synchronisation zwischen parallel arbeitenden Threads (TSX).

Beim Blick auf die weiterhin 14- bis 19-stufige Pipeline (die genaue Länge hängt von der Trefferquote des µOP-Caches ab) offenbart, dass Intel diese nur zum Teil überarbeitet hat. Kaum angetastet haben die Ingenieure das Front-End, wo lediglich der Prefetcher verbessert sowie die Sprungvorhersage weiter optimiert wurde. Deutlich umfangreicher sind dagegen die Modifikationen am Back-End: Größere Buffer wie ein von 168 auf 192 µOPs aufgebohrter ROB (Reorder Buffer, auch OoO-Window genannt) erhöhen die Flexibilität und Effektivität des Out-of-Order-Schedulings, zudem steigt die Zahl der (ebenfalls modifizierten) Ausführungseinheiten von 6 auf 8. Speziell in diesem Punkt unterscheidet sich Haswell drastisch von seinen Vorgängern – alle "Core"-Architekturen seit Conroe, besser bekannt als die erste Generation des Core 2 Duo, konnten lediglich 6 µOPs parallel ausführen. Auszahlen dürfte sich diese Änderung vor allem unter Verwendung von SMT – ein einzelner Thread wird nur selten alle zur Verfügung stehenden Einheiten auslasten können.

Ein derartig breites Design will natürlich auch gefüttert werden. Ohne eine ausreichend schnelle Versorgung mit Daten entstehen Lücken in der Pipeline und der Durchsatz sinkt. Um hier keinen Flaschenhals zu provozieren, hat Intel nicht nur die Größe des L2 TLB verdoppelt, sondern auch die Anbindung der L1- und L2-Caches verbreitert – und zwar ebenfalls um den Faktor zwei. Auch die Bandbreite der einzelnen, zwischen allen Kernen geteilten Abschnitte des L3-Caches (LLC) wurde durch zwei dedizierte Pipelines für Daten und sonstige Zugriffe gesteigert. Gleichzeitig wächst die Flexibilität: War der LLC bei Ivy Bridge noch in der gleichen Clock Domain wie die CPU-Kerne, lässt er sich bei Haswell nun vollkommen unabhängig takten. Dies ist insbesondere in Grafikanwendungen hilfreich: Bei hoher GPU-, aber geringer CPU-Last können die Prozessorkerne nun mit niedriger Frequenz laufen und damit Strom sparen, während der Grafikeinheit dennoch die volle Geschwindigkeit des Caches zur Verfügung steht.

Insgesamt versprechen die mit Haswell vorgenommenen Änderungen durchaus nennenswerte Performancesteigerungen, die sich nicht nur in zukünftiger Software mit Unterstützung der neuen Befehlssatzerweiterungen, sondern zum Teil auch in bestehenden Anwendungen zeigen sollten. Gleichzeitig steigt die Energieeffizienz: Nicht benötigte Chipteile werden durch ein noch feiner differenziertes Power Gating von der Stromversorgung getrennt. Weiterhin sinkt die Umschaltzeit zwischen verschiedenen Power-States (darunter ein neuer, extrem sparsamer S0ix-Modus für die ULV-Modelle) um rund 25 Prozent.

Einen wirklich grundlegenden Umbau der GPU hat sich Intel für den Haswell Nachfolger Broadwell aufgehoben. Dessen ungeachtet übertrifft der Sprung der Grafikleistung die Zuwächse bei der CPU-Performance bei weitem.

Entscheidend dafür ist vor allem eine deutliche Steigerung der Anzahl der von Intel als "Execution Units" (EUs) bezeichneten Shadereinheiten. Statt 6 (GT1) oder 16 EUs (GT2) wie bei Ivy Bridge integriert die Haswell GPU 10 (GT1), 20 (GT2) oder gar 40 (GT3) EUs. Für alle Ausbaustufen identisch ist dabei das leicht überarbeitete Front-End, welches zum Beispiel den neu eingeführten Resource Streamer (Teil des Command Streamers, reduziert den Treiber-Overhead), aber auch bekannte Teile wie den Tessellator umfasst. Diese und andere Fixed-Function-Einheiten sollen im Vergleich zum Vorgänger die doppelte Leistungsfähigkeit besitzen.

Daran schließen sich die eigentlichen Ausführungseinheiten an, welche in skalierbare Slices ("Scheiben") unterteilt sind. Ein Slice umfasst dabei den GPU-eigenen L3-Cache, das Pixel-Back-End sowie den Rasterizer. Hinzu kommen ein (GT1) oder zwei (GT2) sogenannte Sub-Slices, die unter anderem jeweils 10 EUs, die Befehlsspeicher sowie einen stark überarbeiteten Textur-Sampler mit vierfacher Durchsatzrate gegenüber Ivy Bridge enthalten. Im Falle der GT3-GPU werden zwei Slices und vier Sub-Slices verbaut, woraus sich folglich die bereits erwähnte Gesamtzahl von 40 Shadereinheiten respektive EUs ergibt.

Die maximale Ausbaustufe der Grafikeinheit (GT3e) bekommt obendrein einen zusätzlichen, 128 MByte großen eDRAM-Cache spendiert, der direkt neben dem Chip auf dem gleichen Package platziert wird. Dank einer extrem breiten 512-Bit-Anbindung – der normale Arbeitsspeicher wird nur über zwei 64-Bit-Kanäle angesprochen – steht der GPU so eine durchaus stattliche Bandbreite zur Verfügung, die sich bei einer Taktrate von beispielsweise 500 MHz (sehr defensive Schätzung) auf immerhin 64 GByte/s beziffert. Zum Vergleich: Dies entspricht einer Nvidia GeForce GT 650M mit GDDR5-Speicher. Es bleibt allerdings abzuwarten, inwieweit die geringe Kapazität des eDRAMs den Grafikspeicher einer dedizierten GPU wirklich zu ersetzen vermag. Zusätzlich kann die Grafikeinheit auch auf ihren eigenen L3-Cache (siehe vorheriger Absatz), den LLC von bis zu 8 MByte und natürlich auch ganz klassisch auf den DDR3-RAM des Systems zurückgreifen.

Kurz ergänzen wollen wir an dieser Stelle noch eine weitere Besonderheit des eDRAMs: Dieser wird laut Intel nicht nur der GPU, sondern auch den CPU-Kernen zur Verfügung stehen – man könnte demzufolge auch von einem sehr großen, "off-Die" L4-Cache sprechen. In bestimmten Anwendungsfällen mit besonders starker Bandbreitenabhängigkeit könnte dieser erhebliche Geschwindigkeitsvorteile bieten; für genauere Analysen gilt es aber erste Benchmarks der entsprechenden Modelle (Core i7-4850HQ, Core i7-4950HQ) abzuwarten.

Auch in puncto Features hat sich bei der GPU einiges getan: Haswell unterstützt nun alle wichtigen aktuellen APIs wie DirectX 11.1, OpenGL 4.0 und OpenCL 1.2. Die Rechenleistung der GPU lässt sich somit auch für GPGPU-Zwecke nutzen, was sich bereits in eingen aktuellen Anwendungen wie Adobe Photoshop und Premiere Pro, vor allem aber in zukünftiger Software auszahlt. Die Bildausgabe erfolgt weiterhin an bis zu drei Displays, welche in verschiedenen Konfigurationen Auflösungen von maximal 4k x 2k darstellen können (Details siehe nachfolgende Folien). Als Schnittstellen stehen HDMI 1.4a und DisplayPort 1.2 inklusive Daisy Chaining zur Verfügung, VGA gibt es dagegen nur noch bei den non-ULV-Versionen. Soll das Signal drahtlos übertragen werden, profitiert der Anwender von der neuen Wireless-Display-Version 4.1, die eine reduzierte Verzögerung für latenzkritische Anwendungen wie Spiele verspricht. Als letzte bedeutsame Neuerung sei noch der überarbeitete Quick-Sync-Transcoder mit abermals verbesserter Geschwindigkeit erwähnt.

Großer Wurf oder überflüssiges Update? Beim Blick auf die nackten Leistungswerte dürften sich wieder einmal die Geister scheiden, ob Intels neue Architektur als Erfolg zu bezeichnen ist. Die Zugewinne in aktueller Software sind sicherlich zu klein, um den Umstieg von einem Sandy-Bridge- oder Ivy-Bridge-Prozessor zu rechtfertigen – zumindest bei den hier getesteten Quad-Core-Modellen.

Man darf dabei allerdings mehrere Dinge nicht vergessen: Zum einen, auf welch hohem Niveau sich bereits der Vorgänger bewegt hat. Intels Tick-Tock-Zyklus sorgt zwar dafür, dass die Sprünge zwischen einzelnen Generationen relativ klein ausfallen, doch bringen die jährlichen Updates einen konstanten Leistungszuwachs – Hauptkonkurrent AMD kann sich mittlerweile nur noch mit den CPUs der Core-i3-Serie und darunter messen. Zum anderen ist Haswell mit Features wie AVX2 und FMA vor allem auf künftige Anwendungen ausgelegt, die von den neuen Befehlssatzerweiterungen drastisch profitieren könnten.

Noch einmal spannend dürfte es werden, wenn Intel in Kürze die neuen Ultrabook-Modelle vorstellt, zu denen bereits einige interessante Details durchgesickert sind – zum Beispiel das moderne 1-Chip-Design, die auf 15 Watt TDP verringerte Leistungsaufnahme sowie eine deutlich stärkere Grafikeinheit. Einen kleinen Vorgeschmack zum Thema GPU bietet unser Spezialartikel zur HD Graphics 4600, der mittleren Ausbaustufe ("GT2") der Haswell-Grafik.

Abschließend nochmals unser Dank an die Firma Schenker, die uns diesen Test ermöglicht hat. Unter diesem Link können Sie das Testgerät konfigurieren und bestellen.