Testrapport Intel Ivy Bridge Quad-Core Processors

Al jaren staat Intel aan de frontlinie van de industrie als het gaat om het fabricage proces. De nieuwe 22-nanometer generatie is erg belangrijk en biedt wat interessante verbeteringen.

Rond 2002 begon de fabrikant met het leggen van de funderingen voor het proces dat in het begin bekend stond als P1270. De eerste grotere verbeteringen kwamen op het niveau van de transistor. Voor het eerst maakt Intel gebruik van Tri-gate transistors - een drie dimensionale structuur van source en drain die  uit de substrate steekt en in de gate. Vergeleken met de huidige (2D) plenaire transistors wordt het geleidbare kanaal groter in een actieve staat en vergroot de stroom. Dit effect wordt vergroot door meerdere "fins" te gebruiken. Intel belooft het grootste effect op lage voltages, wat vooral voor mobiele processors van pas komt. Afhankelijk van de applicatie is het mogelijk om te kiezen voor meer prestatie of een lager verbruik - of zelfs een combinatie als dat nodig is.

Naast deze verbeteringen blinken de nieuwe transistors vooral uit bij lage lekstroom, vergelijkbaar met geslonken silicon-on-insulator (FDSOI). In contrast met deze technologie, dat leidt tot ongeveer 10 procent hogere productiekosten, blijft de insteek van Intel om relatief goedkoop te blijven met een prijsstijging van ruwweg 2 tot 3 procent.

Een andere belangrijke drijfveer voor het kleiner maken van de chips is het vergroten van de componentdichtheid. Een quad-core gebaseerd op de Sandy Bridge architectuur weet ongeveer 1.16 biljoen transistors op een gebied van 212 mm² weet te plaatsen. Een vergelijkbare Ivy Bridge kan op een gebied van slechts 160 mm² een totaal van 1.4 biljoen transistors plaatsen - dat is ongeveer 60 procent per vierkante millimeter meer. De dichtheid kan op sommige plekken zelf verdubbelen.

Intel heeft op het moment drie van zijn fabrieken (D1D Oregon, Fab 32 Arizona, Fab 28 Israel) omgebouwd voor het nieuwe procedé en anderen zullen snel volgen. Naast Ivy Brdige zullen er in de komende maanden meer 22-nanometer producten op de markt verschijnen, zoals Valley View - de volgende iteratie van Atom. Intel is van plan de eerste 14-nanometer chips op zijn vroegst eind 2013 op de markt te brengen - maar daar is nog geen zekerheid over. Met elke verkleining van het procedé komen nieuwe technische uitdagingen en de kosten voor research & development stijgen enorm.

• 22-nanometer Tri-Gate procedé
• 1.4 biljoen transistors
• 160 mm² grote chip
• 32 + 32 KB L1 cache voor data en instructies (per core)
• 256 KByte L2 cache (per core)
• 8 MB L3 cache (verdeelt over de cores en GPU)
• HD 4000 graphics unit (GT2, DirectX 11 ondersteuning, 16 EUs)
• DDR3 (L) memory controller tot 800 MHz (PC3-12800)
• 16 PCIe 3.0 banen
• MMX, SSE, (1, 2, 3, 3S, 4.1, 4.2), AVX, AES-NI, Intel 64 ondersteuning
• TDP van 35, 45 of 55 watts

De Ivy Bridge processor core is fundamenteel gebaseerd op zijn Sandy Bridge voorganger, en beschikt dus over functies als Hyper Threading en Turbo Boost 2.0. Voor meer details over deze functies verwijzen we je naar ons testrapport van de Sandy Bridge. Er zijn enkele kleine optimalisaties die we hier in detail bespreken, tezamen goed voor een ongeveer 5% betere IPC.

MOV instructies, waarbij de inhoud van een register gekopieerd wordt naar een ander, worden nu efficiënter uitgevoerd: het physical register file (PRF) dat geïntroduceerd werd met de Sandy Bridge stelt je in staat om een referentie naar het doelregister op te slaan met andere veranderingen - dit spaart wat tijd van de uitvoerende units.

Andere verbeteringen zijn toegepast op de divider unit (verbeterde throughput),  shift/rotate operaties en AVX en SSE commando's die versnelt worden via 6 extra split/load registers. Intel heeft ook de prefetcher herzien: de data in het cache wordt nu dynamisch toegewezen en geeft de voorkeur aan bandwidth-heavy applicaties die het nauwe cache effectiever kunnen gebruiken, vooral bij multi-threading taken.

Een aantal nieuwe instructies maakt de lijst van de modificaties van Ivy Bridge  af. Voor het eerst is er nu een speciale random number generator (Digital Random Number Generator, DRNG) die extreem krachtig is met een snelheid van 2 tot 3 Gbit/s. De nieuwe RDRAND instructie levert echt toegevoegde waarde, met name voor encryptie algoritmes.

Complementair aan de bestaande technologieën, zoals NX-bit, zal ook de zogenaamde Supervisor Mode Execution Protection geïntroduceerd worden. SMEP heeft de taak om belangrijke delen van de systeem kernel te beschermen tegen malware door deze te beveiligen met speciale vlaggen.

De zwaar aangepaste GPU is een stuk interessanter dan de marginaal verbeterde CPU - reden genoeg voor Intel om de Ivy Bridge de titel "Tick+" te geven.

Een van de belangrijkste innovaties is waarschijnlijk dat de feature set een update heeft gekregen naar DirectX 11 en Shader Model 5.0 (Sandy Bridge: DirectX 10.1 / SM 4.1) en nu ook beschikt over OpenGL 3.1 en OpenCL 1.1. Derhalve zijn er nu ook programmeerbare hull en domain shaders, alsmede een fixed-function tesselator, die schitterde door zijn afwezigheid in  voorgaande Intel GPU's. Eerste tests laten zien dat de angle dependency nu vrijwel op hetzelfde niveau is in termen van de kwailiteit van anisotropic filtering - ook een traditionele zwakte.

3D prestaties zijn hierdoor vele malen beter met Ivy. Zoals we al kort zeiden hierboven zijn er verschillende versies van de GPU, genaamd GT1 en GT2. GT2 zit in de mobiele sector en high-end desktop SKU's. De nieuwe HD 4000 GPU (GT2) heeft 16 execution units in contrast met de 12 van de HD 3000 (HD 2500/GT1: 6 EU's). Elke EU is ook significant sneller.

De verbeterde units kunnen twee MAD operaties per klok aan en dat samen met een tweede texture sampler (HD 2500: slechts een). Dit zorgt samen voor het grootste deel van de verbeterde prestaties. Om de ring bus en het beperkte bandwidth van het geheugen te verlichten beschikt de grafische unit nu ook over dedicated L3 cache. De cache van de CPU (tot 8MB) is echter ook nog beschikbaar.

We hebben de prestaties van Intel's nieuwe HD 4000 in een apart artikel bekeken, deze kun je hier vinden.

Naast de processor cores, de GPU en het L3 cache neemt ook de system agent een flink deel van het oppervlakte van de chip in.

De memory controller ondersteunt nu DDR3-1600 (800 MHz I/O) tot 1333mhz op Sandy Bridge. Deze ondersteunt nu ook officieel DDR3L-DIMM's op slechts 1.35 volt tegenover de 1.5 volt van het standaard DDR3. De lagere consumptie kan vooral verschil maken in energie-efficiënte apparaten zoals ultrabooks. De neuwe DDR I/O power gating zou ook een langere batterijduur op moeten leveren. Deze functie, volledig geïntegreerd in de hardware, kan het verbruik bij geen of lage belasting tot 100 milliwatt verlagen.

Na de onzekerheid rond de officiële PCI Express 3.0 ondersteuning in de high-end Sandy Bridge E platforms maakt de nieuwe standaard vanaf het begin onderdeel uit van de Ivy Bridge. Dankzij de verbeterde doorvoersnelheid van 5 naar 8 GT/s en de efficiënte 128b/130b encoding is de bandwidth per link verdubbeld naar bijna 1 GB/s. Er is een totaal van 16 lanes beschikbaar, te verdelen onder de slots, afhankelijk van de chipset.

In tegenstelling tot wat de meesten denken zijn de display controller en de Quick Sync video decoder geen onderdeel van de GPU, maar zitten in de system agent. Waar Sandy Bridge slechts 2 monitors met een maximale resolutie van 2560 x 1600 aan kon kunnen er nu tot 3 monitors aangesloten worden met 4k resoluties (via HDMI 1.4a of Displayport 1.1). Het decoderen van zulke hoge resolutie video's wordt nu ook ondersteund. De Quick Sync encoding unit is herzien en doet zijn werk nu sneller dan eerst. Intel's Wireless Display (WiDi) 3.0 verzend nu ook 1080p met 60 fps. Tenslotte een puntje voor de cinema fans: Haperingen tijdens 24p playback (23.976 Hz) zouden nu opgelost moeten zijn.

Ongeveer twee weken voor de lancering van Ivy Bridge onthulde Intel zijn nieuwe Series 7 chipset, met 5 verschillende modellen in de notebook sector. Een zesde versie, QS76, is een speciale energie zuinige versie van de QM77 voor ultrabooks.

Berhalve van het instapmodel, de HM75, beschikken de chipsets voor het eerst over 4 native USB 3.0 poorten wat een significante stap is in de distributie van de nieuwe snelle standaard. Er zijn geen verbeteringen te zien wat betreft SATA III, geen van de nieuwe chipsets bieden meer dan 2 interfaces. Alle modellen zijn waarschijnlijk gebaseerd op dezelfde 'die built' van een ouderwets 65-nanometer proces en hebben een TDP van tussen de 3.0 en 4.1 watt.

In principe is Sandy Bridge compatible met de Series 7 chipsets net als de Ivy Bridge backwards compatible is met de Series 6 chipsets. Dit laatste is alleen waar in de desktop sector. Het gebrek aan BIOS updates zal waarschijnlijk alle plannen op notebooks te upgraden dwarsbomen.

Een kleiner fabricage proces verbeterd vaak ook de efficiëntie van een chip - echter, hoewel de desktop varianten voordeel hebben met de Ivy Bridge door een lagere TDP verandert er (bijna) niets bij de consumenten notebooks.

Ivy Quad-cores hebben nog steeds een TDP van 45 watt, net als de Sandy Bridge (en Clarksfield daarvoor). Waar eerst alleen het topmodel "Extreme Edition" de uitzondering was met een TDP van 55 watt is er nu voor het eerst      ook een 35 watt model beschikbaar - de Core i7-3612QM.

Het vooruitzicht van het aanpassen van het TDP tot een bepaalde hoogte is fundamenteel nieuw. Deze functie, genaamd "Configurable TDP" verhoogt de thermische felexibiliteit. Het verhogen van het TDP maakt het mogelijk om de maximale Turbo kloksnelheid langer aan te houden als de laptop verbonden is met een geventileerd docking station. Het verlagen van het TDP zou kunnen leiden tot verbeterde batterijduur bij mobiel gebruik.

Volgens de bestaande informatie zullen alleen de i7-3920XM (55 watts nominaal, 45 to 65 Watts aanpasbaar) en de ULV CPU's (17 watts nominaal, 13 to 33 Watts aanpasbaar) even aanpasbaar zijn. Alle TDP veranderingen kunnen gemaakt worden via software.

Nadat Sandy Bridge ons vorig jaar trakteerde op een gigantische sprong voorwaarts is ons oordeel wat betreft Ivy Bridge wat meer ingetoomd. Hoewel je slechts een lichte verbetering van de prestaties mag verwachten bij 'tick' (en zlefs 'tick+') jaren vallen ze toch een beetje tegen, levend in de schaduwen van de spannende 'tock' jaren. 

Ondanks deze kleine teleurstelling zijn er twee dingen zeker: Ten eerste is Intel nog steeds de beste als het gaat om high-end notebook processors. Ivy Bridge is sneller dan AMD's Llano, en zal waarschijnlijk ook sneller zijn dan Trinity - in ieder geval in termen van CPU prestaties. Ten tweede verwachten we een update in kloksnelheid in de herfst wat het voordeel van Invy over Sandy zal vergroten. Als je echter in het bezit bent van een Sandy Bridge notebook zule je weinig reden zien om over te stappen naar een Ivy Bridge.

Onze favoriete chip in de Ivy familie is de Core i7-3610QM. Het verlies in prestatie is meetbaar, maar niet echt opvallend en de chip is beduidend goedkoper. Vooral de prijsgevoelige kopers zouden moeten kijken naar Sandy Bridge machines die uit de productie zijn of wachten op de lancering van de dual core modellen in het begin van de zomer.