Sandy Bridge: Der neue Core-Prozessor von Intel

Intel präsentiert auf der CES in Las Vegas die nächste Generation seiner Mainstream-Prozessoren für Desktop-PCs und Notebooks. Intel hat für die neuen 32-Nanometer-Prozessoren, die unter dem Codenamen Sandy Bridge entwickelt wurden, eine neue Prozessorarchitektur entwickelt.

Die Architektur von Sandy Bridge

Bei der Entwicklung neuer Prozessoren folgt Intel seit 2007 der Tick-Tock-Strategie: Ein neuer Fertigungsprozess mit kleineren Strukturen und eine neue Prozessorarchitektur wechseln sich ab. Der 2008 eingeführte 45-Nanometer Core i7 (Nehalem) war die letzte neue Architektur, gefolgt von einem Wechsel auf 32 Nanometer mit Westmere im vergangenen Jahr. Nun ist mit der 32-Nanometer-CPU Sandy Bridge wieder eine neue Architektur an der Reihe. In einigen Teilen ist die Sandy-Bridge-Architektur eine Weiterentwicklung von Nehalem, andere Elemente erinnern an den Pentium 4, wieder andere sind komplett neu.

Die wichtigste Neuerung ist die integrierte Grafikeinheit. Der Vorgänger Westmere besteht noch aus zwei über QPI verbundenen Chips auf einem gemeinsamen Prozessorgehäuse: Dem eigentlichen 32-nm-Core und einem 45-nm-Chip, der den Speichercontroller und die Grafikeinheit enthält. Bei Sandy Bridge bilden die Prozessorkerne und die GPU eine Einheit, sie teilen sich sogar einen gemeinsamen Last-Level-Cache (LLC). Der Speichercontroller und der Displaycontroller sind bei Sandy Bridge Bestandteile des so genannten System Agents. Die Verbindung zwischen den bis zu vier Kernen, dem segmentierten LLC und dem System Agent stellt ein Bus her, der aus vier Ringen besteht und voll pipelined mit Core-Taktfrequenz operiert.

 Der Ring-Bus bringt mehr Flexibilität für Intel, er allein macht den Prozessor aber nicht schneller. Dafür sind andere Architekturmerkmale bei Sandy Bridge verantwortlich. Eine Neuheit ist der Uop-Cache. Alle Intel-P6-Prozessoren seit dem Pentium Pro verarbeiten intern keine komplexen IA-32-Instruktionen, sondern einfache dekodierte Micro-Operations (Uops), die auf die verschiedenen Ausführungseinheiten verteilt werden und dort auch außer der Reihe verarbeitet werden können (out-of-order-execution). Das Problem dabei ist, das Dekodieren so schnell zu erledigen, dass die Pipeline des Prozessors immer gefüllt bleibt, auch für moderne Prozessoren keine leichte Aufgabe. Daher hat Intel bei Sandy Bridge einen eigenen Cache für Uops implementiert. Intel geht dabei von einer Trefferrate von 80 Prozent aus, da bei Sandy Bridge zusätzlich auch noch die Sprungvorhersage verbessert wurde. Das Frontend mit den leistungshungrigen Decoder-Einheiten kann also die längste Zeit in Schlaf versetzt werden.

Turbo mit Nachbrenner

Intel hat die Turbo-Boost-Technik zur dynamischen Übertaktung aller einzelner Prozessorkerne bei Sandy Bridge weiter verfeinert. So ist die GPU nun voll mit in das Jonglieren mit den Taktraten einbezogen. Arrendale, die Mobilvariante der Westmere-Prozessoren, verfügte zwar auch schon über einen Grafik-Turbo, er war aber durch die räumliche Trennung von CPU-Kernen und GPU nur eingeschränkt nutzbar. Beim Übertakten einzelner Kerne geht Sandy Bridge aggressiver vor als seine Vorgänger, offenbar hat Intel den 32-Nanometer-Prozess sehr gut im Griff. Turbo Boost verbessert bisher primär die Performance von Single-Threaded-Applikationen, bei Sandy Bridge soll diese Technik nun auch Programme die mehrere Threads nutzen kurzfristig beschleunigen. Dabei wird die Thermal Design Power (TDP) bis zu 25 Sekunden überschritten, um in diesem Zeitraum alle Kerne mit höherer Taktrate zu fahren. Das erfolgt aber nur, wenn die CPU vorher in einem Sleep- oder Low-Power-Modus war und so eine Art thermales Guthaben aufgebaut wurde. Bei steigender Prozessortemperatur wird die Taktrate wieder gesenkt. Dieses kurzfristige Übertakten soll etwa das Starten von Programmen beschleunigen. 

Verwirrspiel

Die Sandy-Bridge-CPUs kommen in Dual- und Quad-Core-Varianten auf den Markt, teils mit, teils ohne Hyperthreading. Neu ist dabei die Kombination aus vier Prozessorkernen und integrierter Grafik, die es beim Vorgänger noch nicht gab. Die im Prozessor integrierte Grafik gibt es in zwei Leistungsstufen: einmal als HD Graphics 2000 mit sechs und als HD Graphics 3000 mit zwölf Ausführungseinheiten. Die Notebook-CPUs sind grundsätzlich mit der großen Grafik ausgestattet.

Intel hat den neuen Core-i3-, i5- und i7-CPUs nun vierstellige Seriennummern verpasst, teilweise kombiniert mit Buchstaben wie "M" oder "QM" für mobile Dual-Core- oder Quad-Core-CPUs. Low- oder Ultra-Low-Voltage-Prozessoren werden bei Mobile-CPUs über die letzten beiden Ziffern identifiziert. Insgesamt besteht die Sand-Bridge-Familie aus dem Core i7 Extreme Edition i7-2920XM für Notebooks, 12 neuen Core-i7-Prozessoren, 15 Core-i5-CPUs und vier Core-i3-Modellen.

Besonders interessant sind die "K"-Prozessoren für Desktop-PCs: Bei ihnen ist der Multiplikator nach oben offen. Sie sind auch die einzigen Desktop-CPUs mit der schnelleren 3000er-Grafik, obwohl gerade hier wohl eher eine separate Grafikkarte zum Einsatz kommen dürfte.

Als Basis für die neuen Prozessoren dienen die neuen Chipsätze der 65er- und 67er-Serie. Sie unterstützen SATA mit 6 GBit/s, aber kein USB 3.0. Hier muss ein NEC-Zusatzchip aushelfen.