AMD Athlon: Wie der K7-Prozessor am 23.6.1999 Intel herausforderte

Heute kaum vorstellbar, aber es gab einmal eine Zeit, in der brauchte es keine Benchmarks, um die schnellste PC-Gaming-CPU zu ermitteln. Sie war von Intel, in der Regel das aktuelle, teuerste Modell - (schon) immer. Beim Ur-PC 1981, weil es keine anderen x86-Hersteller gab. In den 80er-Jahren, weil Texas Instruments, AMD oder Siemens zwar, dank IBM-Druck, Nachbaulizenzen erhielten, aber entweder gar nicht weiterentwickeln konnten oder nur verzögert als Aufrüstoption für alte Systeme. Das gleiche Schicksal ereilte NexGen und Cyrix in den frühen 90ern, deren innovative, eigenständige Designs dem Tempo des Marktführers hinterherhinkten. Die schnellste CPU war also "immer" blau - aber nicht "ewig", und darum soll es heute gehen: Am 23. Juni 1999 ändert sich der PC-Markt grundlegend.

AMD Athlon: Der erste nachhaltige Angriff auf Intel

Quelle: PC Games Hardware "Athlon": Auch AMD setzt seit der Jahrtausendwende auf merk- und schützbare Namen statt auf Buchstaben-Zahlen-Kombinationen - was Nerds natürlich nicht davon abhält "1000er Tbirds" oder "9950X3D2" zu kaufen.

An diesem Tag stellt AMD die "K7"-Architektur vor. Bis die zugehörigen "Athlon"-Prozessoren tatsächlich in den Regalen stehen werden, dauert es noch zwei Monate, aber die Revolution ist ausgerufen. Sie steckt schon im Namen: K7. Die Ziffer spielt auf die Geschichte der Lizenzdesigns an - 80(1)86, 80286er, 80386er, 486er. Seit den 586ern gewinnen zwar Eigennamen wie "Pentium" an Bedeutung, dennoch ist am Abend des 22. Juni 1999 für jeden klar: AMDs "K6-III" und aktuelle Pentium III auf Basis der "P6"-Architektur gehören zur 686er-Familie. Nicht so der Athlon - AMD beansprucht, den ersten Prozessor der siebten Generation gefertigt zu haben. Und während in die Breite wachsende x86-Generationswechsel bis dato oft mit Rückschritten bei der Taktfrequenz einhergingen, startet K7 mit bis zu 600 MHz - der Pentium III 550 ist da gerade fünf Wochen alt.

K7-Architektur: Floating-Point-Monster

Zugegeben: Bei dem Generationen-Anspruch ist eine gehörige Portion Marketing im Spiel. Soviel, dass diese Differenzierung nie wieder bemüht werden wird. Tatsächlich übernimmt der Athlon vor allem im Integer-Bereich vieles von der K6-Familie, einer ursprünglich mit NexGen aufgekauften Fremdentwicklung. Deren Integer-IPC war bereits zuvor ansehnlich, Taktbarkeit und Anbindung an das restliche System dagegen nicht immer konkurrenzfähig. Ersteren Punkt bessert "K7" nach, ohne revolutionär zu sein, und den Änderungen an der Plattform widmen wir einen eigenen Absatz. Im eigentlichen Rechenkern zeichnet sich der Athlon aber vor allem durch seine neue Fließkomma-Einheit aus.

Quelle: PC Games Hardware Slot-CPUs sind groß genug, um den Kühler direkt zu befestigen - das resultierende Modul kann schnell ein- und ausgesteckt werden, ist der Traum jedes CPU- und Mainboard-Testers. Trotz der Einführung von 3Dnow!, der ersten (und selten genutzten) Befehlssatzerweiterung mit Spiele-Fokus, war dieser Bereich die traditionelle Schwachstelle von AMD. Eine, aus Gamer-Sicht, tödliche Schwachstelle: 3D-Grafikchips sind noch eine relativ neue Erscheinung, "Graphic Processing Units", die jenseits reiner Texturierung auch Geometrie und Beleuchtung beschleunigen, sind noch nicht etabliert. Dementsprechend muss der Hauptprozessor im Spieleeinsatz viel mehr als nur die (Integer-)Logik stemmen. Eine Herausforderung, welche die K6-Familie eher mittelmäßig bewältigt. Der Athlon fährt dagegen eine eigenständige Fließkommaeinheit mit drei dedizierten x87-Pipelines auf. Zum Vergleich: Der konkurrierende Pentium III bearbeitet derartige Befehle an den gleichen zwei Ports wie Integer-Aufgaben. Da AMDs Decoder "nur" dreifach superskalar arbeitet, hat die schon vom K6 bekannte Trennung in Fließkomma- und Integer-Bereich zwar keine Performance-Vorteile, aber 50 Prozent mehr parallele Ausführungskapazitäten sind, bei gleichem oder gar höherem Takt, eine Gaming-Kampfansage.

Athlon-Caches: Ein Schritt zurück, zwei nach vorn.

Seine Daten bezieht der neue Rechenkern aus einem gigantischen L1-Cache. Je 64 KiB für Daten und Instruktionen sind eine Verdopplung gegenüber den 2 × 32 KiB des K6-III und diese waren, verglichen mit 2 × 16 KiB beim Pentium III, schon üppig. Zum Vergleich: Ein Vierteljahrhundert später wird Zen 4 weiterhin mit 2 × 32 KiB arbeiten - und so unterstreichen, dass L1-Caches immer Größe gegen Latenz abwägen müssen, wobei sich der Athlon sehr einseitig platziert. Das liegt auch an der restlichen Speicherhierarchie.

Zen 4 teilt die unmittelbar am Rechenkern zu findenden Caches in einen sehr schnellen, winzigen L1 und einen ziemlich schnellen, stattlichen L2. Aus Sicht von K6-III, Pentium III und Athlon wären das eher "L0,8" und "L1,4", denn die zweite Cache-Stufe der 1999er-Modelle entspricht in der relativen Performance einem 2026er L3. Dieser langsame L2, von dem der große L1 möglichst viele Zugriffe abhalten soll, ist bei Pentium III und Athlon zugleich die letzte Stufe vor dem RAM, übernimmt also auch formell die "Last Level Cache"-Rolle, die heute vom L3 bedient wird.

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Der K6-III nutzte dagegen, als Unikum unter den x86-CPUs des 20. Jahrhunderts, weiteren Speicher auf dem Mainboard als dritte Cache-Stufe. Dessen Performance ist noch einmal deutlich langsamer, bestenfalls mit dem L4 von Broadwell (Core i-5000) oder dem HBM-DRAM von Xeon Max vergleichbar. Dieses Relikt, von 486ern als Onboard-L2 eingeführt, entsorgt AMD beim Athlon folgerichtig. Voll integrieren kann man die zweite K7-Cache-Stufe aber auch nicht: 512 KiB sollten es, passend zum Pentium III, schon sein, und so viele Transistoren passen in der aktuellen 250-nm-Fertigung nicht zusammen mit dem Rechenkern auf ein bezahlbares Stück Silizium. Bei der Lösung dieses Dilemmas kupfert AMD, je nach Interpretation, entweder 1:1 von Intel ab oder gelangt, vor das gleiche Problem gestellt, zu einer identischen Lösung.

Slot A: AMDs erste eigene Plattform

Beim Pentium III (und II) heißt diese seit 1997 "Slot 1": Auf einer Tochterplatine werden die eigentliche CPU und zwei SRAM-Cache-Bausteine verlötet. Das ganze Modul, an dem auch der CPU-Kühler direkt befestigt wird, wandert dann in einen Steckplatz auf dem Mainboard - statt CPU-Sockeln gibt es CPU-Slots. AMD mobilisiert alle Kreativität und nennt das Ganze "Slot A", sonst ändert sich mechanisch nichts. Sogar der Steckverbinder ist mit dem für Pentium II entwickelten identisch, AMD kauft beim gleichen Zulieferer ein, allein eine um 180° verdrehte Verlötung verhindert, dass man Intel-CPUs in AMD-Mainboards steckt oder umgekehrt.

Quelle: Appaloosa via wikimedia.org, CC BY-SA 3.0 Das gleiche in Braun: AMDs Slot A sieht aus wie ein um 180° gedrehter Intel-Slot-1 - weil es einer ist.

Diese Trennung ist aufgrund der elektrischen Unterschiede auch bitter nötig, 1999 aber ein Novum: Die K6 liefen bis zum Schluss im Sockel 7, den Intel für Pentium 1 einführte. Während sich die x86-Hersteller erfolgreich Zugang zum Pentium-System-Bus erklagten, gelingt dies beim P6-Front-Side-Bus des Slot 1 aber nur noch Cyrix im Rahmen eines Vergleichs. AMD muss sich für den Athlon also erstmals eine eigene, zeitgemäße Anbindung suchen. Fündig wird man bei DEC, deren Eigenständigkeit 1998 durch die 9,6 Milliarden USD schwere Übernahme durch Compaq endete. Von DEC übernimmt AMD nicht nur viele Athlon-Ingenieure, sondern auch das 64-Bit-DDR-Interface der "Alpha"-RISC-CPUs. Die Breite von 64 Bit ist dabei keine Besonderheit; in die x86-Welt zog sie mit dem Pentium 1 ein und blieb bis zu den letzten FSB-CPUs Athlon XP und Core 2 erhalten. "DDR" verdoppelt aber die Datenrate gegenüber Intels P6-FSB bei gleichen 100 MHz Referenztakt.

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Athlon 600 gegen Pentium III 600 - Intel kann einpacken

Die schnelle externe Anbindung nützt 1999 noch wenig. Zwar sitzt die Northbridge mit dem Performance-kritischen RAM-Controller bei Slot-A-Systemen noch auf dem Mainboard, der Front Side Bus zur CPU ist also von größter Bedeutung. SDR-SDRAM ist damals aber nur mit 100 MHz verfügbar und stellt so den Flaschenhals dar. Erst mit der Einführung von PC133 und DDR-RAM in den Folgejahren zahlen sich AMDs Reserven aus; zum Launch punktet der Athlon nur dank seiner inneren Merkmale. In Anwendungen reichen diese nicht immer - die gereifte Integer-Einheit ist zwar gut, aber pro Takt nicht mehr tonangebend, und im Zeitfenster zwischen K7-Vorstellung und -Launch wurde der Pentium III ebenfalls auf 600 MHz gepusht.

In Fließkomma-lastigen Spielen fliegt AMD dagegen auf und davon: Bis zu 18 Prozent Vorsprung bescheinigt PC-Games-Redakteur Thilo Bayer dem Athlon 600 gegenüber dem Pentium III 600. Der fünf Monate junge Vorgänger K6-III 400 und ein zwei Jahre alter Pentium II 300 werden um Faktor 2 geschlagen! Wehmutstropfen sind, damals wie heute, aber die Grafikkartenperformance und der Preis. Wer statt 640 × 480 Pixeln CPU-Benchmark-Auflösung das seinerzeit übliche XGA (1.024 × 768) oder gar ein 1.280er-Format nutzt, dem bleiben nur noch 5 bis 13 Prozent Performance-Vorsprung. Ebenfalls 13 Prozent betragen die CPU-Mehrkosten gegenüber dem bereits 1.550 DM teuren Pentium III 600, inflationsbereinigt auf das Jahr 2026 sind rund 1.500 Euro für einen Athlon 600 zu zahlen.

Das Gigahertz-Rennen: Nach dem Athlon-Shock

Dennoch kennt die weitere Entwicklung 1999 nur eine Richtung: nach oben. Intel will den Verlust der fast zwei Jahrzehnte lang für unantastbar gehaltenen Leistungskrone nicht akzeptieren; AMD ist gekommen, um zu bleiben. Den Startschuss bilden Refreshs respektive Redesigns im Herbst 1999: AMD shrinkt den Ur-Athlon (Codename "Argon") von 250 auf 180 nm ("Pluto"/"Orion"), was die Taktbarkeit deutlich verbessert. Intels "Coppermine"-Pentium-III, ebenfalls in 180 nm, geht noch zwei Schritte weiter; führt 133 MHz FSB-Takt und einen voll integrierten L2-Cache ein. Letzterer ist mit 256 KiB nur noch halb so groß, läuft dafür aber mit vollem CPU-Takt. AMDs externe, zugekaufte SRAM-Chips dagegen mit 1/2 bis 1/3 der Prozessor-internen Geschwindigkeit.

Quelle: PC Games Hardware Typisch Slot-A-OC: "Goldfinger"-Devices übergehen via Diagnosekontakte AMDs Multiplikatorsperre, dafür muss aber das Plastikgehäuse der CPU geöffnet werden.

So geht AMDs kleiner Leistung-pro-Takt-Vorsprung zunehmend verloren und allein die absolute Taktfrequenz entscheidet über die im Schnitt schnellste CPU: Oktober 1999 - Pentium III 733. November 1999 - Athlon 750. Dezember 1999 - Pentium III 800. Januar 2000 - Athlon 850. Anfang März 2000 bricht AMD den wechselseitigen Schlagabtausch dann ab und veröffentlicht Athlon 900, 950 und 1000 am selben Tag; die Niederlage des Pentium III ist perfekt. Intel hat zwar 900er- und 1000er-Ausgaben in der Schublade und stellt diese zwei Tage später vor, man wird aber auf ewig der Zweitplatzierte im GHz-Duell sein. Versuche, die Scharte mit einem 1.133-MHz-Modell wieder auszuwetzen, enden in einem Stabilitäts- und damit Marketingdesaster, zementieren AMDs Triumph zusätzlich. Zu Ehrenrettung des Pentium III sei darauf verwiesen, dass Intel mit der Architektur auch den aufkommenden Mobilmarkt bedienen wollte und selbst als 1-GHz-Modell nur mit 29 W TDP (damals noch näher an einer konkreten thermischen Auslegungsgröße als heute) spezifiziert ist. Der Athlon 1000 verheizt dagegen 65 W und wird zur Initialzündung des PC-Wasserkühlungsmarkts - die Gründer von Aquacomputer, EKWB und Watercool wollen zunächst nur ihre übertakteten Athlons gekühlt bekommen.

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Athlon-Legacy

Quelle: PC Games Hardware Die Ära der Ur-Athlons währt nicht einmal ein Jahr. Am 5. Juni 2000 stellt AMD den "Thunderbird" vor, welcher den Ruhm des "Athlon" noch deutlich erweitern wird. Nur die Launch-Modelle bis 1.000 MHz werden auch für Slot A veröffentlicht, dann gibt AMD die erste eigene Plattform auf.

Nichtübertakter nehmen AMDs Mehrverbrauch dagegen mit einem Schulterzucken hin: Schnell und, in einem aufkommenden Preiskampf, meist etwas günstiger als die Pentium-Pendants, wurde der Athlon zum Verkaufsschlager. Mutmaßlich prägte er damit die CPU-Entwicklung weit über AMD hinaus. Intels kurze Zeit später veröffentlichte Vision von 10-GHz-CPUs bis 2010, die ihrerseits AMDs Bulldozer-Entwicklung motiviert, basiert auf einer Roadmap für Netburst-CPUs bis 250 W. Diese scheitert bekanntermaßen schon bei 3,8 GHz und "130 W Herdplatten" an der Ablehnung durch Käufer. Der Athlon dagegen durchbricht in seiner nächsten Ausbaustufe "Thunderbird" (256 KiB interner Cache mit vollem Takt) eine Schallmauer nach der anderen (inklusive dem 70-W-TDP-Limit der ersten Pentium 4), ehe die K7-Architektur zum Athlon XP weiterentwickelt wird. Auch in deren Nachfolgern, dem Athlon 64 alias K8 und der Phenom-Baureihe K10, finden sich Spuren des Ur-Athlons. So bleiben beispielsweise die Integer-Fließkomma-Organisation und die dreifache Superskalarität ein volles Jahrzehnt erhalten und werden erst mit Bulldozer alias "AMD FX" aufgegeben. Der Athlon-Launch am 23.6.1999 war somit nicht nur AMDs erster nachhaltiger Sieg im Kampf um die x86-Leistungskrone, sondern auch der Startschuss zu einem vollen Jahrzehnt, in dem AMD kontinuierlich um die Leistungskrone mitkämpft und aus Sicht von Gamern, insbesondere preisbewussten, auch die meiste Zeit über gewinnt.

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K7-Jubiläum: Wie AMDs Athlon als Fließkomma-Monster Intel das Fürchten lehrte X3D dominieren Gaming-Charts, AMD-Partner TSMC führt bei der Fertigung und Team Blue hechelt verzweifelt hinterher? Das war nicht immer so: Am 23.6.1999 startete AMD mit dem "Athlon" den ersten nachhaltigen Angriff auf Intels Leistungskrone, und das feiern wir mit einem Rückblick.

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