Intel Ice Lake: 10nm, schnelle Grafik und eine neue Architektur

Mit der Ice-Lake-Architektur bringt Intel nach vielen Jahren der Iteration endlich wieder größere Änderungen im Chip. Insbesondere die Prozessorkerne und die verbaute Grafikeinheit wurden deutlich verbessert. Anfangs gibt es von Ice Lake nur einen Chip mit 4 Prozessorkernen und bis zu 64 Grafikeinheiten, welcher für zwei Mobil-Serien genutzt wird (Y- und U-Serie). Er wird bei Intel (in der Fab28 in Israel) im modernen 10 nm Prozess gefertigt und über 4 Jahre lang entwickelt.

Der Chip wird auf zwei verschiedene Packages mit einem zusätzlichen PCH gepackt. Die stärkere U-Serie benötigt etwas mehr Platz und ist typischerweise für 15 bzw. 28 Watt TDP vorgesehen. Die schwächere Y-Serie ist für kleinere Notebooks und Tablets gedacht und daher auf einem kleineren Package untergebracht. Sie bietet neuerdings jedoch auch bis zu 4 Kerne (da der selbe Chip genutzt wird).

Drei Schlüsselpunkte zeichnen die neue Ice-Lake-Architektur aus:

• Erster 10 nm Chip von Intel der in Masse hergestellt wird (Cannon Lake war sozusagen nur ein ungeplanter Testlauf)
• Neue Prozessor- und Grafik-Architektur
• (Teil-) Integration von Thunderbolt und WiFi-6 WLAN in Chip bzw. Package
  

Um die Performance im Vergleich zum Vorgänger zu erhöhen, wurden zwei Strategien umgesetzt:

1. Generelle Performanceverbesserungen - führten zu 18 % mehr IPC
2. Neue Befehle und Funktionseinheiten für bekannte Anwendungsbereiche
   

Um die einzelnen Kerne generell zu beschleunigen, wurden die Pipelines breiter und tiefer ausgeführt. Weiters wurde das gesamte Speichersystem überarbeitet und die meisten Caches vergrößert. Intel spricht davon, dass die komplette Architektur überarbeitet wurde, es handelt sich also nicht nur um kleinere Tweaks.

Ergebnis dieser Überarbeitung ist eine 18 % höhere Leistung pro Takt (IPC - Instructions per Clock). Dies wurde von Intel im Schnitt über zahlreiche Benchmarks gemessen.

Durch diese IPC-Verbesserungen kann Ice-Lake den Nachteil ausgleichen, dass man die Kerne nicht so hoch takten kann, wie bei den Whiskey Lake Prozessoren (14nm++ war optimiert für hohe Taktraten).

Weiters wurden zahlreiche neue Befehle und Funktionseinheiten für AI / Machine Learning (DL Boost, Cryptographie und De- / Komprimierung eingeführt. Auch die aus Servern bekannten AVX-512 Befehle findet man nun erstmal in einem Consumer-Prozessor. Die neuen Befehle müssen jedoch von den Anwendungen genutzt werden, um einen Performancevorteil zu erzielen. Dies wird sich also hauptsächlich in zukünftigen Apps auswirken.

Als erste Chipfamilie erhält Ice-Lake außerdem Support für Intel Dynamic Tuning 2.0 with Machine Learning. Hier nutzt Intel Machine Learning um vorherzusehen, wie die kommende Auslastung der Prozessorkerne sein wird und kann diesbezüglich die Turbotaktung intelligenter steuern. Dadurch kann man im Idealfall 5 % mehr Performance herausholen.

Auch bei der integrierten Grafikkarte gibt es zahlreiche Änderungen an der Architektur. Die Unified Shader (Execution Units - EUs) wurden ebenfalls breiter ausgelegt und eine Verdopplung der Pixels pro Takt soll helfen mehr Performance pro Kern herauszuholen. Dedizierten eDRAM wie in den älteren Iris Varianten (z.B. Iris Plus 650 oder Iris Pro 580) gibt es vorerst zwar nicht, jedoch kann zumindest die stärkste Variante Iris Plus auf 3 MB L3 Cache (in der Nähe der GPU) und 0,5 MB geteilten Hauptspeicher direkt zugreifen.

Bei der maximalen Taktrate von 1,1 GHz erreichen die 64 verbauten Execution Units (EUs) damit eine theoretische Leistung von 1,12 TFLOPS in FP32 (GeForce MX250: 1,25 TFLOPS) und 2,25 TFLOPS in FP16. Intel bietet jedoch auch noch abgespeckte Versionen mit weniger EUs an. Die Schwächste trägt nur noch den alten Namen UHD Graphics und findet in den Prozessoren mit G1 am Ende Verwendung. Aktuell wissen wir daher von drei Varianten in der U-Serie:

• Intel Iris Pro G7 - 64 EUs, bis zu 1,1 GHz 
• Intel Iris Pro G4 - 48 EUs
• Intel UHD Graphics G1 - 32 EUs

Neben der höheren Performance lernte die GPU auch ein neues Feature: Variable Rate Shading erlaubt es Spieleentwickler weniger auffällige Bereiche mit geringerer Auflösung zu shaden und damit Performance zu gewinnen. 

Um die Grafikeinheit mit Monitoren zu verbinden, verbaut Intel drei Display Pipes, die jeweils eine Auflösung von 5k bei 60 Hz unterstützen. Zwei können dabei kombiniert werden um einen 8k-Monitor anzusteuern. Weiters unterstützt man den offenen VESA Adapative Sync Standard (Freesync), um die Bildwiederholungsrate des Monitors auf die Framerate der Ausgabe automatisch anzupassen. Dies verhilft auch bei niedrigeren Frameraten zu einer optisch flüssigen Darstellung. Weiters integriert Intel eine FP16 HDR Display Pipeline und unterstützt dadurch HDR10 und Dolby Vision.

Auch die Media Encoders wurden überarbeitet und sollen nun deutlich schneller arbeiten und auch eine höhere Qualität bieten. Intel integriert zwei Encoder mit Unterstützung für HEVC und VP9 (bis zu 4K60 10b 4:4:4 bzw. 8K30 10b 4:2:0).

Um Thunderbolt 3 (und damit auch das kommende USB 4) günstiger, platzsparender und stromsparender anbieten zu können, integriert Intel nun den Controller direkt im SoC (System on a Chip). 2 bis 4 Ports können direkt von der CPU angesteuert werden und die Hersteller müssen nur noch einfache Retimer pro Port und einen PD (Power Delivery) Controller am Board unterbringen. Voll ausgelastet soll der Thunderbolt-Teil nur in etwa 300mW benötigen und dadurch wenig Strom und Kühlung von der CPU und Grafik abzwacken. Gerade bei Y-Modellen mit begrenztem thermischen und Strom-Budget soll dies einen deutlichen Vorteil bringen.

Nicht im Chip, aber auf dem zusätzlichen PCH (Platform Controller Hub - früher Southbridge) auf dem Package befindet sich ein Wi-Fi-6 (802.ax) MAC (CNVi 2) der nur noch eine zusätzlichen kleinen RF Chip benötigt (AX201).

Damit gehört Intel zu den ersten 802.ax Implementierungen und mit Support für 160 Hz und OFDMA möchte Intel mit dem Wi-Fi 6 Gig+ genannten Feature zu den Schnellsten am Markt gehören. Besonders mit zahlreichen Geräten im Netz soll WiFi 6 seine Stärken ausspielen.