Intel Core i9 / i7 / i5 / i3

Die Prozessoren Intel Core i7, i5 und i3 lösen seit Ende 2008 die Vorgänger Core 2 Duo und Core 2 Quad ab. Die Core-i-Serie basiert auf der Nehalem-Architektur, ab dem Jahr 2011 auf der Sandy-Bridge-Architektur, seit Mitte 2012 der Ivy-Bridge-Architektur. Dann folgten Haswell (2013), Broadwell (2014/2015), Skylake (2015) und Kaby Lake (2016/2017). Seit Skylake-X (2017) gibt es einen Core i9, der aufgrund des angekündigten AMD Ryzen Threadripper herausgegeben wurde.

Die Bezeichnungen i3, i5, i7 und i9 geben kaum Auskunft über die Leistungsfähigkeit der Prozessoren. Sie dienen in der Hauptsache der Klassifizierung der Leistung. Wobei ein Core i9 leistungsfähiger als ein Core i7 ist. Und der wiederum leistungsfähiger als ein Core i5, und der leistungsfähiger als ein Core i3.
Die unterschiedlichen Typen sind für unterschiedliche Anforderungen und Einsatzzwecke vorgesehen. Zustätzlich gibt es spezielle Varianten für Server, Desktop-PCs und Notebooks.
Der Core i9 Extreme Edition bildet das Performance- und High-End-Segment. Davor war das der Core i7. Der Core i5 positioniert sich als Mittelklasse-CPU. Der Core i3 kommt eher im unteren Preissegment zum Einsatz, die für typische Büroarbeiten, ein wenig Internet und Multimedia geeignet sind.

Die Besonderheiten

  • Einführung des QuickPath Interconnection (QPI)
  • serielle Verbindungen zum Chipsatz und Speicher
  • Wiedereinführung von Hyper-Threading (HT)
  • integrierter Speichercontroller
  • nativer Quad-Core
  • Turbo Boost

Prozessor-Architektur

Architektur: Intel Core-i-Serie

Die Architektur der Intel Core-i-CPU-Serie ist wie ein modulares Baukastensystem. Es sind viele Prozessor-Varianten für unterschiedliche Märkte und Anwendungen möglich. Darunter Server, Workstations und High-End-Desktop-Systeme. Die Architektur hält für preiswerte Desktop-Systeme auch einen integrierten Grafik-Controller bereit.

Eine Besonderheit der Core-i-CPUs ist der integrierte Speichercontroller, was ursprünglich eine Spezialität von AMD-CPUs war. Den optimalen Speicherdurchsatz erzielt man mit mehreren gleich großen Speichermodulen.

Durch die steigende Anzahl der Kerne (über 4) werden die Kerne, die L3-Caches, mehrere Speicher-Controller und I/O-Interfaces über ein Mesh miteinander verknüpft. Hierfür werden vertikale und horizontale Verbindungen genutzt. Dabei kommt es jedoch zu unterschiedlichen Laufzeiten, wenn Daten über mehrere Hops innerhalb der CPU übertragen werden.

Intel Core i7 (alt: Nehalem-Architektur)

Intel Core i7 (Nehalem-Architektur)

Die wichtigste Veränderung ist der integrierte Speichercontroller. Das bedeutet, der Arbeitsspeicher wird direkt mit dem Prozessor verbunden und nicht mehr über den Chipsatz. Die Kommunikation nach außen erfolgt nicht mehr über einen einzigen Front-Side-Bus, sondern über den QuickPath-Interconnection (QPI) mit skalierbaren Links und einen eigenständigen Speicherbus.
Der Aufbau eines Kerns entspricht dem Vorgänger Merom/Penryn der Core-Architektur (Core 2 Duo und Core 2 Quad). Für Nehalem wurde der Penryn-Kern stark überarbeitet und auf die parallele Verarbeitung zahlreicher Threads optimiert.

Intel Core i5 (alt: Nehalem-Architektur)

Intel Core i5 (Nehalem-Architektur)

Der Intel Core i5 ist der kleinere Bruder von Intel Core i7, der in einer billigeren Variante für den Massenmarkt gedacht ist. Der Core i5 löst den Vierkerner Core 2 Quad ab.
Der Intel Core i5 ist gegenüber dem Core i7 abgespeckt. So hat er in der Nehalem-Gernation nur zwei Speicherkanäle und die DMI-Schnittstelle, die am 1-Chip-Chipsatz mit der Bezeichnung Platform Controller Hub (PCH) angebunden ist.
In diesem Prozessor vereint Intel die eigentliche CPU mit einem Grafikprozessor (GPU). Schaut man genauer hin, dann hat Intel einen Dual-Core-Prozessor und eine klassische Northbridge (Chipsatz) mit Speichercontroller und integrierter Grafikeinheit in ein gemeinsames Gehäuse verpflanzt. In dieser Form handelt es sich noch nicht wirklich um einen einheitlichen CPU-GPU-Prozessor. Der kommt erst in späteren Prozessor-Generationen.

QPI - QuickPath Interconnection

QPI ersetzt den Front-Side-Bus (FSB). Wie HyperTransport von AMD ist QPI eine serielle Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle. Das Interface ist eine Kombination aus HyperTransport und PCI Express. In Serverprozessoren eignet sich QPI auch zur CPU-Kopplung.
Ein Full-Width-QPI-Port besteht aus 20 Links pro Richtung, die jeweils bis zu 6,4 GBit/s übertragen. Weil 4 von 20 Links CRC-Prüfsummen übertragen, beträgt die Nutzdatenbreite 2 Byte (16 Bit). Ein Full-Width-Link kann also pro Richtung 12,8 GByte/s übertragen. Vollduplex kommt man sogar auf 25,6 GByte/s.
Full-Width-QPI auf einem 16x16-Link ist bei 6,4 GBit/s auch schneller als HyperTransport 3.0 mit nur 2,6 GHz (5,2 GBit/s). Das kommt daher, weil jeder einzelne Link zwei Signalleitungen nutzt. Weil pro Link ein ebenfalls differenzielles Taktsignal hinzukommt, braucht ein Full-Width-QPI-Link insgesamt 84 Signalleitungen.
Über den QPI fließen nur die Daten von und zu PCIe-Erweiterungskarten, sowie anderen Onboard-Einheiten. Die Geschwindigkeit des QPI ist deshalb weniger interessant als beim Front-Side-Bus (FSB).

Sandy-Bridge-Architektur (2. Generation)

Sandy-Bridge-Architektur

Mit Sandy Bridge geht Intel bei der Integration von Funktionen in den Prozessor, die üblicherweise außerhalb des Prozessors angeordnet waren, einen Schritt weiter. Die CPU und GPU sitzen auf demselben Die.
Das Sandy-Bridge-Die besteht aus einem länglichen Chip mit 4 CPU-Kernen, integrierten L1- und L2-Caches, sowie einem gemeinsamen L3-Cache, der auch als Last-Level-Cache (LLC) bezeichnet wird. Links von den CPU-Kernen sitzt der Grafikkern (GPU), der den L3-Cache mitbenutzt. Das entlastet den Hauptspeicher und spart Strom. Rechts von den CPU-Kernen sitzt der System Agent mit Memory-Controller, sowie den Ein- und Ausgabeschnittstellen. Die Speicherschnittstelle ist unterhalb angeordnet. Die Bereiche des Chips kommunizieren über einen Ring-Bus, der über 1000 Signalleitungen verfügt. Jeder CPU-Kern hat einen Anschluss an den Ring-Bus, der bis zu 300 GByte pro Sekunde übertragen kann.

Der Grundtakt des Prozessors ist auf 100 MHz festgelegt. Mit einem veränderlichen Multiplikator erzeugt eine PLL-Schaltung die Betriebsfrequenz für alle CPU-Kerne, den Hauptspeicher und auch die externen Schnittstellen. Das Direct Media Interface (DMI), ist eine abgewandelte PCIe-2.0-X4-Verbindung zwischen CPU und Chipsatz.
Die GPU unterstützt nur DirectX 10.1 und hat nur eine begrenzte 3D-Leistung. Die GPU ist zwar schneller als Onboard-Grafikprozessoren, aber für PC-Spiele trotzdem ungeeignet. Schon eine Low-Cost-Grafikkarte hat mehr Leistung als die integrierte GPU. Für Notebooks und Bürocomputer ist die GPU-Leistung ausreichend.

Im Prinzip arbeiten die Rechenwerke von Sandy Bridge nicht anders als bei Nehalem. Doch wegen AVX wurden die CPU-Kerne von Grund auf neu entworfen. Dazu zählen einige Detailverbesserungen. Von einige Maßnahmen profitiert auch die Software, die keine AVX-Befehle nutzt.

Ivy-Bridge-Architektur (3. Generation)

Ivy-Bridge-Architektur (3. Generation)

Ivy Bridge ist der Name der dritten Core-i-Generation. Gegenüber der Sandy-Bridge-Architektur weisen die Ivy-Bridge-Prozessoren leichte Architekturunterschiede auf und sind bei gleicher Taktfrequenz etwas schneller und sparsamer im Verbrauch. Im Vergleich zu Sandy-Bridge-Prozessoren weisen die Ivy-Bridge-Prozessoren 26 Prozent weniger Siliziumfläche bei 20 Prozent mehr Transistoren auf. Wobei die Transistoren überwiegend für die Grafik-Einheit HD 4000 verwendet werden. Neu sind auch die Tri-Gate-Transistoren, bei denen das Gate Drain und Source von drei Seiten umschließt, auf diese Weise Leckströme reduziert und für eine bessere Energieeffizienz sorgt.

Der integrierte Grafikprozessor (HD 2500 oder HD 4000) ist DirectX-11- und OpenCL-1.1-kompatibel. Die GPU HD 4000 hat 16 Kerne. Im Vergleich dazu die HD 2000 nur 6 und HD 3000 nur 12 Kerne. Die meisten Ivy-Bridge-Prozessoren haben jedoch nur eine HD 2500, die nur geringe Vorteile gegenüber der HD 2000 hat. Wer 3D-Spiele zocken will, der sollte sich nicht auf die interne GPU verlassen, sondern lieber eine externe Grafikkarte in den PC einbauen.
Der integrierte Grafikprozessor HD 4000 ist mit einer Einsteiger-Grafikkarte vergleichbar. Die kleineren Versionen eignen sich kaum für anspruchsvolle Spiele. Höchstens für die Büroarbeit und Videoschnitt.
Eine Besonderheit ist der integrierte HD-Video-Transcoder Quick Sync Video. Mit einer entsprechenden Software rechnet der Transcoder Videos in bestimmten Formaten in andere Formate sehr schnell um.

Mit Ivy Bridge ändern sich nicht nur die Prozessoren, sondern auch die Chipsätze. Hier hält unter anderem PCI Express 3.0 und USB 3.0 Einzug. PCI Express 3.0 ist direkt als PCIe Root Complex in der CPU integriert. Ebenfalls integriert ist ein Speicher-Controller für 2 mal DDR3-SDRAM.
Der Chipsatz, der als Plattform Controller Hub (PCH) bezeichnet wird, ist über das PCIe-ähnliche DMI (Direct Media Interface) mit dem Prozessor gekoppelt. Mit maximal 8 PCIe-2.0-Lanes (je nach PCH) zu jeweils 500 MByte/s.

Haswell-Architektur (4. Generation)

Haswell bzw. Haswell-E (Refresh) ist der Name für die vierte Core-i-Generation. Neben verschiedenen Verbesserungen liegt das Hauptaugenmerk auf Advanced Vector Extension 2 (AVX2). Dabei handelt es sich um eine Vektoreinheit, die Integer-Operationen mit 256 Bit ausführen kann. Ebenso Fused Multiply-Add (FMA), eine Einheit, die Multiplikation und Addition in einem Verarbeitungsschritt kombinieren kann. Insgesamt haben die Prozessorkerne mehr Funktionseinheiten. Die Pipeline bleibt gleich und basiert im Prinzip immer noch auf dem alten Pentium Pro.
Dank umgebauter Spannungsversorgung sind die Haswell-Prozessoren sparsamer. In dem der Großteil der Spannungswandler direkt im Prozessor integriert ist. Sie nennen sich Fully Integrated Voltage Regulator (FIVR).
Die Haswell-Architektur ist nur um ca. 10 Prozent schneller, im Leerlauf noch sparsamer und erst mit spezieller Software, die AVX2 und DMA unterstützt, richtig leistungsfähig.
Die integrierte Grafikeinheit (IGP) nennt sich Iris Pro 5200 und arbeitet mit einem eDRAM, dass sich wie ein cachekohärenter L4-Cache im Adressraum der GPU und CPU verhält. Die Iris Pro 5200 kommt nicht ganz an eine Mittelklasse-GPU heran. Doch Einsteiger-Grafikchips lässt sie klar hinter sich.

Broadwell-Architektur (5. Generation)

Broadwell ist der Name für die fünfte Core-i-Generation. Die Einführung Anfang 2015 brachte CPUs mit Doppelkernen für Notebooks und sparsame Mini-PCs. Vereinzelt gibt es leistungsstärkere Quad-Core-Modell für Desktop-PCs.
Diese Mikroarchitektur umfasst nur kleine Verbesserungen. Der Unterschied zur Haswell-Architektur sind geringere Taktraten, mit weniger Stromverbrauch und einer stärkeren Grafikeinheit. Die CPU-Kerne können den zusätzlichen eDRAM-Chip verwenden, der die GPU beschleunigen soll. Zusätzlich gibt es einen L4-Cache. Gefertigt wird mit FinFET-Transistoren in 14-nm-Technik.
Die Broadwell-Prozessoren wird es nur kurz geben, weil in der zweiten Jahreshälfte 2015 bereits die Prozessoren der Skylake-Architektur folgen sollen. Zu erwarten ist, dass Intel mehrere Prozessor-Architekturen parallel auf dem Markt und je nach Marktsegment unterschiedliche Architektur-Generationen pflegt.
Außer, dass sie effizienter sind, haben Broadwell-CPUs gegenüber Haswell-CPUs keinen Vorteil. Wer mehr Leistung braucht, der muss auf die Skylake-CPUs warten.

Skylake-Architektur (6. Generation)

Seit der zweiten Jahreshälfte 2015 gibt es die CPUs der Skylake-Architektur. Die Skylake-Architektur ist die erste Core-Architektur, die für Server, Desktop und Notebooks unterschiedliche Chips mit entsprechenden Optimierungen aufweist. Das komplette Design wurde überarbeitet und hauptsächlich für die Energieeffizienz optimiert.
Die Skylake-CPUs sollen dank AVX3 bzw. AVX512 mit 512-Bit-Rechenwerken das Performance-Potenzial im Vergleich zu Haswell pro Kern und Taktzyklus verdoppeln. Der Basistakt ist unabhängig von der Taktfrequenz von PCIe- und der DMI-Verbindung zum Chipsatz. Zusammen mit den externen Spannungsreglern freut das die Übertakter.
Der Umstieg auf DDR4-SDRAM mit DDR4-2133-Chips mit einer Bandbreite von 17 GByte/s ist vorgesehen. DDR3-SDRAM mit DDR3-1600-Chips mit einer Bandbreite von 12,8 GByte/s werden auch unterstützt. Ein neuer Speicher bedeutet, eine neue CPU-Fassung (LGA2011v3) und damit neue Mainboards. Die Intel-Chipsätze beherrschen dann auch PCIe 3.0 und USB 3.1.

Kaby-Lake-Architektur / Skylake-Refresh (7. Generation)

Kaby Lake ist im Prinzip nur ein leicht verbesserter Skylake und geschickterweise zu diesem pinkompatibel. Die um rund 12 Prozent gesteigerte Leistung resultiert vor allem aus höheren Frequenzen bei Basis- und Turbo-Takt.
Natürlich gibt es auch ein paar Neuerungen, die hauptsächlich die integrierte Grafikeinheit betreffen. Unterstützt werden 4K-Videos in HEVC und VP9, mit HDR-10 und ohne dabei die CPU zu belasten. Das bringt einen leiseren Lüfter und längere Laufzeiten (Akku-Betrieb).

Kaby-Lake-Refresh-, Coffee-Lake- und Cannon-Lake-Architektur (8. Generation)

Seit September 2017 gibt es die Prozessoren der achten Core-i-Generation mit bis zu 40 Prozent mehr Rechenleistung gegenüber dem Vorgänger. Es existieren verschiedene Prozessor-Codenamen, weshalb es hier gelegentlich zu Verwirrung kommt.

  • Kaby Lake Refresh (Desktop- und Notebooks)
  • Coffee Lake S (Sechskerner mit 12 Threads für Desktop- und Notebooks-Prozessoren)
  • Cannon Lake (besonders dünne Notebooks und lüfterlose Windows-Tablets)

Ice-Lake-Architektur (9. Generation)

Mitte 2018 kommt mit Ice Lake eine neue Prozessor-Architektur.

Core-i9-X (Kern: Skylake-X)

Die Intel Core-i9-X ist High-Performance-Prozessor mit 10, 12, 14, 16 und 18 Kernen für Desktop-Rechner für Gaming und VR. Jeder Kern verfügt über die Befehlssatzerweiterung AVX512, breitere Pfade in den Rechenwerken, sowie 1 MByte großen Level-2-Cache pro Kern. Nach außen existieren vier DDR4-Speicherkanäle und 44 PCIe-3.0-Lanes.
Eine weitere Besonderheit ist, dass alle Core X sich dank unbeschränkten Multiplikatoren übertakten lassen.

Mobiler Core-i-Prozessor mit Radeon-Vega-GPU von AMD

Der von AMD und Intel gemeinsam entwickelte Kombiprozessor besteht aus einer Core-i-CPU von Intel und einer Radeon-Vega-GPU von AMD. Dieser Prozessor soll in Mini-PCs und flachen Gaming-Notebooks arbeiten.
Der Intel-Prozessor und die AMD-Grafikeinheit sitzen zusammen auf einer Trägerplatine (Package) und kommunizieren über acht PCIe-3.0-Lanes miteinander. Der Grafikchip ist mit den gestapelte Speicherchips des Typs High Bandwidth Memory 2 (HBM2) per Embedded Multi-Die Interconnect Bridge (EMIB) verbunden.
Die leistungsfähigen Quad-Core-CPUs mit AMD-GPU und HBM2-Speicher ersetzen in flachen Notebooks die mobile Grafikkarte. Intel verspricht genug Performance für Full-HD-Gaming und VR-Anwendungen.

GPU / HD Graphics / Iris Pro

Die GPU, die integrierte Grafikeinheit, ist je nach Prozessor-Typ (i3, i5, i7) eine andere. Die einfacheren haben den Namen HD Graphics. Die leistungsfähigeren nennen sich Iris Pro.
Sie unterstützen DirectX, OpenGL und OpenCL. Die Iris-Pro-Grafik hat ein eigenes eDRAM, das über einen eigenen Bus angesteuert wird.
Ab der Skylake-Architektur unterstützt die GPU eine Auflösung von 4K per DisplayPort 1.2 und HDMI 1.4 (auf 3.840 x 2.160 px mit 30 Hz begrenzt).

Power-Management

Der Prozessor hat eine Power Control Unit (PCU) eingebaut. Die PCU enthält einen integrierten Mikrocontroller für das Power-Management. Alleine dafür werden mehr als eine Million Transistoren verwendet. Damit ist es möglich, den Stromverbrauch bei einigen Teilen des Prozessors, die nicht benötigt werden, wirklich auf Null zu stellen. Zusätzlich gibt es Sensoren, die ständig die Temperatur der einzelnen Kerne und die Leistungsaufnahme überwachen. Hat ein Kern nichts zu tun, dann wird er in den Tiefschlaf geschickt.
Mit der Skylake-Architektur wurde eine Technik namens Speed Shift eingeführt. Sie ersetzt die vom Betriebssystem verwalteten P-States. Hier konnte erst unter Volllast der Prozessor in den Turbo-Modus schalten. Bei Speed Shift entscheiden nun Hardware-Algorithmen über die richtige Wahl von Taktfrequenz und Spannung. Damit kann das System viel schneller auf sich verändernde Anforderungen reagieren.

Hyper-Threading

Die Intel Core i9, i7, i5 und i3 haben Hyper-Threading (Simultaneous Multi-Threading, SMT) vom Pentium 4 geerbt. Es handelt sich allerdings um ein weiterentwickeltes Hyper-Threading, das wesentlich effizienter ist. Durch Hyper-Threading hat jeder physische Kern zusätzlich einen virtuellen bzw. logischen Kern. Das Betriebssystem erkennt doppelt so viele Kerne, wie physisch vorhanden sind.
Hyper-Threading wirkt sich dann positiv aus, wenn die Abarbeitung eines Threads (Code-Faden) wegen Daten, die nachgeladen werden müssen, verzögert wird. Dann wird intern umgeschaltet und ein anderer Thread abgearbeitet. Auf diese Weise bringt Hyper-Threading zwischen 10 bis 20 Prozent mehr Leistung.

Turbo Boost

Anwendungen, die nicht alle Kerne auslasten, werden beschleunigt, in dem ein einzelner Kern höher getaktet wird. Hinter diesem Mechanismus steckt eine Übertaktungsautomatik mit der Bezeichnung Turbo Boost.
Mehrkern-Prozessoren arbeiten mit geringerer Taktfrequenz, als Single- oder Dual-Core-Prozessoren. Das bedeutet, dass herkömmliche Programme, die nur einen Kern unterstützen langsamer arbeiten. Mit Turbo Boost in Mehrkern-Prozessoren bietet Intel eine Technik, mit der sowohl moderne als auch alte Software optimal unterstützt werden.

VT-d - Virtualization Technology for Directed I/O

VT-d ist eine Erweiterung um Virtualisierungsfunktionen. Sie steigert den I/O-Durchsatz von virtuellen Systemen und ermöglicht zum Beispiel das Durchreichen von Erweiterungskarten an die Gastsysteme. Prinzipiell kann man die Virtualisierung auch komplett per Software emulieren. Doch mit zusätzlichen Virtualisierungsbefehlen und mit der Unterstützung des Prozessors laufen die Virtualisierungsumgebungen wesentlich schneller und stabiler.

AVX - Advanced Vector Extensions

AVX ist eine Befehlssatzerweiterung, die ein Teil der Sandy-Bridge-Architektur ist. AVX ist vergleichbar mit der Befehlssatzerweiterung SSE. Während SSE nur 128 Bit breite Daten verarbeiten kann, können es bei AVX bis zu 256 Bit sein. Damit die Software von AVX profitiert, muss sie AVX unterstützen. AVX soll beispielsweise die Videodatenverarbeitung beschleunigen.
AVX ist nur eine Vorstufe zu weiteren Beschleunigungseinheiten in der Zukunft.

Prozessor-Bezeichnung

Als die Core-Serie eingeführt wurde, beschränkte sich Intel auf dreistellige Ziffernfolgen, um die Prozessoren einzuteilen. Weil dieses Nummernschema nicht mehr ausreichte, erweiterte Intel die Bezeichnung mit einer vierten Ziffer. Neben der allgemeinen Ausführen gibt es von vielen Typen auch Spezialvarianten mit den Zusatzbezeichnungen "K", "S" und "T". Während die Standard-Prozessoren ohne Zusatz und die mit freiem Multiplikator ("K") mit denselben Taktfrequenzen arbeiten, liegen die Nominaltaktfrequenzen der S-Typen (65 W) deutlich darunter. Die T-Baureihe läuft deutlich langsamer als die übrigen und mit 35 oder 45 Watt TDP.

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