IPC-Vergleichstest: Architekturen erklärt - Teil 1
Auf dieser Seite beschreiben wir die Vorgänge, die bei AMD und Intel zu IPC-Steigerungen geführt haben.
In diesem Artikel
Für alle Wissbegierigen unter uns erklären wir zum Abschluss noch einmal ausführlich, welche Maßnahmen AMD und Intel in die Wege geleitet haben, um ihre Prozessoren immer schneller und effizienter zu machen. Wir wünschen Ihnen viel Spaß beim Stöbern.
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Sandy und Ivy Bridge
Sandy Bridge bildet die Basis unseres Vergleichs der insgesamt elf Intel-Generationen. Die Kalifornier setzten bei Sandy Bridge erstmalig auf einen Ringbus, der die Caches mit den Kernen, dem Speichercontroller und der IGP verbindet. Des Weiteren wird AVX unterstützt und ein neuartiger dynamischer Turbo eingesetzt, der kurzzeitig über die eigentliche TDP hinaus boosten darf. Alles, was wir von aktuellen Core-Generationen wie Rocket Lake oder Alder Lake kennen und schätzen, nahm mit Sandy Bridge Fahrt auf. Mit Ivy Bridge lieferte Intel im Frühjahr 2012 mehr eine polierte Version von Sandy Bridge als eine neue Architektur. Unsere zweite Core-Generation im Test nutzt statt der bei der 32-nm-Fertigung genutzten Planartechnik fortschrittliche Multigate-Feldeffekttransistoren (FinFET), die auf 22 nm basieren. Der Vorteil dieser Fertigung liegt beispielsweise bei besseren elektrischen Eigenschaften (kurze Schaltzeiten, kleinere Leckströme), was eine Reduktion der TDP von 95 Watt (Core i7-2600K) auf 77 Watt (Core i7-3770K) erlaubt. Zudem benötigen FinFETs bei gleicher Leistungsfähigkeit weniger Platz, was eine höhere Integrationsdichte erlaubt. Außerdem hat Ivy Bridge als erste Core-Generation die Unterstützung für PCI-Express 3.0 mit an Bord.
Haswell und Broadwell
Haswell wurde wie der Vorgänger in 22 nm Strukturbreite gefertigt. Bei der Konzeption von Haswell hat Intel vor allem auf eine höhere Energieeffizienz sowie Leistung geachtet, die bei Ivy Bridge eingeführten FinFET-Transistoren sollten bestmöglich genutzt werden. Die größte Überarbeitung hat die IGP erfahren, welche rund 20 Prozent leistungsfähiger gegenüber dem Vorgänger ausfällt, während der CPU-Part aus IPC-Sicht nur leichte Anpassungen erhielt. Für diesen Artikel viel spannender ist Broadwell. Was Intel nämlich im vierten Quartal 2014 auf die Käufer losgelassen hat, ist im Desktop-CPU-Markt bis heute einzigartig. Dieses Mal gab es entscheidende Verbesserungen unter der Haube.
Mit größeren Instruktions-Schedulern und Puffern werden die Rechenherzen effizienter gefüttert, dazu wurde das Out-of-Order-Scheduler-Fenster auf 64 Einträge erweitert, um das Zurückholen von mehr Befehlen zu ermöglichen. Der Level-2-Cache-Übersetzungspuffer wurde auf 1.500 Einträge erweitert, um die Adress-Übersetzungs-Misses zu reduzieren. Dank Verbesserungen im entsprechenden Hardware-Block, konnte die Latenzzeit einer Gleitkomma-Multiplikation auf drei Taktzyklen verringert werden. Auch die verbaute IGP hat viele Verbesserungen erfahren, auf jeder Sub-Slice sitzen statt zehn jetzt acht Ausführungseinheiten bestehend aus 2 × 4 Vektor-SIMDs mit eigenem Local-Thread-Dispatcher, Instruktions-Cache und eigener Textur-Sampler-Einheit.
Die größte und wichtigste Neuerung, insbesondere für den IPC-Vergleich, ist aber der neue, als finaler Zwischenspeicher fungierende L4-Cache im Anschluss an den bekannten L3-Cache: Intel Core i5-5675C und i7-5775C stehen satte 128 MiByte EDRAM zur Verfügung. Diese wurden auf einem Cache-Die untergebracht, welcher getrennt gefertigt und neben dem übrigen Prozessor auf einem Substrat platziert wurde. Dank dieses Caches liegt die Pro-MHz-Leistung knapp auf Comet-Lake-Niveau.
Skylake und Kaby Lake
Schon ein Jahr nach Broadwell steht mit Skylake der Nachfolger vor der Tür. Ebenfalls in 14 nm gefertigt, soll Skylake abermals die Effizienz und die Leistungsfähigkeit der verbauten IGP (mit Direct-X-12-Unterstützung) erhöhen und Probleme des Vorgängers lösen. Skylake unterstützt im Desktop erstmals DDR4-Speicher, Thunderbolt 3 und 5K-Displays mit 60 Hz sowie das gleichzeitige Ansteuern von drei 4K-Displays. Die integrierten Grafikchips mit einer maximalen Frequenz von 1,15 GHz erreichen bis zu 1.152 GFLOPS. Erstmals stehen auch Xeon-Prozessoren für mobiles Computing zur Verfügung. Skylake bringt im Vergleich zur Vorgänger-Architektur erweiterte Unterstützung für hardwarebeschleunigtes De- und Enkodieren von Multimedia-Formaten und das Feature Quick Sync Video.
Zum Beispiel beschleunigt Skylake das 8-Bit-De-/Enkodieren von H.265/HEVC-Inhalten, partielles 10-Bit-Dekodieren von H.265/HEVC-Inhalten und das Enkodieren von JPEG-Bildern mit einer Auflösung von bis zu 16.000 × 16.000 Pixel. Handelsübliche Desktop-Prozessoren der Skylake-Generation mussten auf den üppigen Level-4-Cache des Vorgängers verzichten. Es gibt nur einen speziellen Core-i7-Prozessor mit der Bezeichnung "6785R", der auf den begehrten L4-Cache setzt. Diese CPU findet sich aber nur für den Sockel BGA-1440 wieder und wird fest auf der Platine verlötet.
Im dritten Quartal 2016 bringt Intel Kaby Lake auf den Markt. Dank der geringeren Leckströme durch erste Optimierungen der 14-nm-Fertigung dürfen Core-Prozessoren der siebten Generation etwas höher takten, was für die IPC auch der einzige Unterschied ist. Als neues Feature verfügt Kaby Lake des Weiteren über eine verbesserte Codec-Beschleunigung für H.265- und VP9-Videos. Außerdem wurde die Speed-Shift-Technologie verbessert, die unter Windows 10 für schnellere Reaktionen des Turbo-Boosts sorgt. Kaby Lake bekommt zudem einen separaten AVX(2)-Multiplikator, der den Takt automatisch niedriger halten (und damit natürlich auch die Performance senken) kann, sofern der entsprechende Programmcode für die Vektoreinheiten zum Einsatz kommt. Aus Sicht der Performance darf man Kaby Lake allerdings nur als sanfte Evolution von Skylake betrachten.
AMD Zen
Mitte 2016 wurde es bei AMD endlich konkret und der Grundstein für die heute sehr beliebten Ryzen-Prozessoren wurde gelegt. Der Fokus stand bei der Entwicklung von Zen von Anfang an auf einer möglichst hohen Effizienz. Der Name "Zen" stammt - Überraschung - von der Überzeugung, dass es sich um eine sehr ausbalancierte Architektur handle. Daneben wird die Performance in den Mittelpunkt gestellt. Für die Effizienz zeigt sich maßgeblich Globalfoundries 14-nm-FinFET-Fertigung 14LPP verantwortlich. Aber auch aggressives Clock-Gating, welches in mehreren Stufen gerade nicht genutzte Teile der x86-Kerne, des Front- und Backends schlafen legen kann, gehören dazu. Damit diese trotz hoher Pro-MHz-Leistung auch mal Pause machen können, gibt es einen großen Micro-Op-Cache, der bereits vor dekodierte und zerlegte Operationen zwischenspeichert, die im Falle einer Programmschleife oder ähnlichem häufig genutzt werden. Dieser Micro-Op-Cache wird als eine Kernkomponente der Zen-Architektur dargestellt. Aber es ist hinlänglich bekannt, dass die größte Neuerung endlich mehr CPU-Kerne im Desktop sind. Intel musste reagieren.
Ich konnte durch viel testen das von dir geschrieben ebenso feststellen. Habe ja den unterschied von 3,7(Standard takt rate beim 5950x) mit 4,3 GHz (ebenso beim 5950x) mit einem sehr kleinen Plus und sogar weit weniger als ich erwartet hatte, feststellen.
Auch sah ich den kleinen Plus durch gleichen takt zwischen 5700g zu 5800x wo dann mit der selben Taktrate getestet wurde. Da war der plus ebenso sehr gering und das obwohl es zwischen 16 und 32 MB war. Also im Grunde noch nicht mal der noch mehr l3 cache den man so bei den x3d so sieht. Ich ging zuvor davon aus das das normale Verhältnis also normale Menge man nen riesen unterschied sehen würde.
Auch dann verglich ich noch den Unterschied vom 2990wx zum 3970x an. Wenn man das genau anschaut haben beide gleich viel l1, l2 und l3 cache pro Kern. Nur das halt l3 cache beim 3970x mehr wahr. Sonst hat sich da ja nicht viel getan. Das spiegelt sich auch mit minimaler Leistungsteigerung wieder.
Ich habe also alles genau angeschaut und ja das ist ein sehr guter Vergleich.
Und auch das ab einer gewissen Menge an Kerne smt/ht sogar die Leistung mildert weil es dann zu viele threads sind.
Es kann also nur eine Erklärung geben, bei den 32 Kerner, das diese zu wenig register haben um smt ebenso zu füttern. Oder das die Anwendung nicht genug Befehle erzeugen kann sodas dann die register nicht ausreichend gefüttert werden können,weshalb dann smt Leistung kostet. Oder das die anwendung so schlecht ist das dies ebenso leistung kostet.
Was auch immer die Erklärung dazu ist, ist ne gute frage. Ich habe ja den progmiercode nicht und kann nur vermuten.
Fakt ist, ich verwendete bei allen den genannten CPUs 2 x die selbe anwendung.
Zurzeit scheint wohl das betriebstem was nicht zu stimmen, weshalb wohl der 5950x langsamer als vor einiger Zeit zu sein. Das os spielt also ebenso ne gehörige Rolle.
Naja wenn ich aber bedenke wie knapp der 5950x dem 3970x mit nur 6 % dahinter ist. Also register hat ja der 3970 x mehr. Wenn das also stimmen würde, müsste der 3970x weiter weg sein. Das es bei mir nicht der Fall. Register scheint also auch keine Wunder Waffe zu sein. Und IPC bei 2 die selbe Software gleichzeitig hat auch noch keiner berechnet. Macht halt kaum einer. Und ja die Software ist so schlecht das ich das ohne 2 x die selbe Software nicht ausnutzen kann also die 16 Kerne.
Ich hoffe ich kann in Zukunft dennoch mehr leistung erwarten.
Und was meinst du mit compute Leistung. Ich dachte das wäre bei der gpu der Fall und deren games,nicht aber bei den arbeitsanwendung.
Zocken steht bei mir jedenfalls ganz hinten an. Für mich steht die arbeitsanwendung auf Platz 1.
Wenn ich also nicht unwandle langweilt sich meine CPU zu Tode.
Darum war auch das zögern beim threadripper 3970x sehr stark gewesen. Der hohe Preis machte es nicht leicht. Und die geringe mehr Leistung machte die Sache ebenso nicht einfach.
Zurzeit wandle ich also 20%(manchmal sogar noch weniger pro tag) um und der Rest ist nur idle wenn man es genau nimmt.
Da verbraucht halt im idle der 3970x auch mehr Strom als ein ryzen CPU.
Naja ob ich mir jemals einen holen werde, ist sehr fraglich. Angesichts der immer stärker werdenden ryzen CPU,wohl eher nicht denke ich mal.
IPC=Instructions per Clock das heißt wenn die CPU dank mehr Cache weniger lang auf Infos warten muss kann sie öfter rechnen also mehr instructions per clock machen. Oder ?
Um den Einfluss von L3 Caches auf die Performance abzubilden, greift man stattdessen zu einer anderen Metrik, nämlich Performance per Clock (PPC). IPC und PPC wird von Laien oftmals miteinander vermischt, was aber streng genommen falsch ist.
PPC skaliert in der Regel auch nicht linear mit dem Takt. Eine der bekanntesten Benchmarks, um die PPC zu bestimmen, ist SPEC CPU 2017. Man hat zwischen 3 und 5GHz einen Skalierungsverlust von 3-5%, je nach Architektur.
Spiele skalieren zumeist noch viel schlechter mit dem Takt. Man hat oftmals 2-stellige Skalierungsverluste, je höher der Takt, desto höher ist der Verlust. Dafür haben größere Caches einen enormen Einfluss auf die PPC von Spielen.
IPC=Instructions per Clock das heißt wenn die CPU dank mehr Cache weniger lang auf Infos warten muss kann sie öfter rechnen also mehr instructions per clock machen. Oder ?
Die meisten Broadwell hatten auch keinen so großen Cache. Das ist eine Sonderlocke wie AMDs 3D Cache.
Natürlich kann man drüber streiten. Ein nicht ausreichend großer Cache ist die Ursache weshalb die IPC am Ende nicht ausgereizt werden kann. Äquivalent zu einem nicht ausreichend großem RAM. Ein unendlich großer Cache/RAM bringt auch irgendwann nichts mehr.
Man kann natürlich argumentieren, dass Broadwell ja nichts dafür kann, dass die anderen Architekturen keine Sondermodelle mit XXL Cache bekamen um zu zeigen wo das Limit der IPC ist. Dennoch verzerren diese Sondermodelle das Bild. Ich würde sie getrennt, bzw Broadwell und Zen mit 3DCachr gesondert nochmal aufführen.
Ansonsten super Test.
Ich habe für mein System im BIOS verschiedene Übertaktungsprofile angelegt. "Ausgequetscht" Mit 5,3 GHz auf allen Kernen (HT off), 5.0 GHz auf dem Ring und brutal getunetem RAM (2 x 16 GB, 4600 MHz, CL 17-17-17-37, 2T) liegen WELTEN zwischen dem Stock-Betrieb und dem System, wie es bei mir läuft.:
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Da bin ich, zumindest was die Multicoreperformance in Spielen anbelangt, verdammt nah an einem Core i9-12900K oder einem Ryzen 7 5800X3D dran, auch was die Min.-FPS anbelangt. Das liegt aber natürlich hauptsächlich am RAM. Mit einer niedrigen Latenz kann man auch fehlenden Cache ganz gut kaschieren. Die Skylake-Architektur konnte man echt noch ganz gut tunen und da viel rausholen.
Das nächste Upgrade steht bei mir wohl erst an, wenn die IPC mindestens verdoppelt wurde oder ich Funktionen neuer Platformen unbedingt benötige. Multicoremäßig und für Spiele sehe ich da kurz- und mittelfristig keinen Sinn drinne...