Neuer Intel-Prozessor Haswell mit AVX2-Befehlssatz im Test

Mit „Haswell“ bringt Intel wieder eine neue Mikroarchitektur an den Start. Der Vorgänger „Ivy Bridge“ ist seit April 2012 in den Serien Core i3, Core i5 und Core i7 in Desktop-PCs und Notebooks im Einsatz. Haswell rollt Intel ebenfalls wieder über sein komplettes Produktportfolio aus, von Ultrabooks bis hin zu Servern. So hat Intel bereits im April den Xeon E3 v3 mit Haswell-Architektur angekündigt.

Für den Einsatz in Business-PCs und Heimrechnern geht Intel mit den neuen Serien Core i5-4500, Core i5-4600 und Core i7-4700 an den Start. Von den 13 Desktop-Prozessoren der drei Modellreihen sind bis auf eine Ausnahme alle mit Quad-Core-Technologie ausgestattet. Die Core-i7-Prozessoren verfügen zusätzlich über Hyper-Threading. Während beim letzten Architekturwechsel von Sandy Bridge auf Ivy Bridge die Strukturbreite von 32 auf 22 nm reduzierte, bleibt Intel mit Haswell auf der 22-nm-Fertigungstechnologie mit 3D-Transistoren. Wie inzwischen von Intel gewohnt, gibt es durch das Tick-Tock-Modell im Jahresrhythmus eine neue Architektur oder einen Die-Shrink.

Mit den neuen Desktop-Prozessoren der vierten Core-Generation führt Intel auch eine neue Plattform ein. Abwärtskompatibilität zu den Mainboards mit LGA1155-Sockel der Vorgänger-CPUs gibt es nicht. Die Serien Core i5-4500, Core i5-4600 und Core i7-4700 benötigen den neuen Sockel 1150. Mit dem Steckplatz wechselt Intel auch den Chipsatz. Die neue „Intel 8 Series“ gibt es in den Varianten Z87, H87 und H81 für Consumer-PCs sowie in den speziell für Business-PCs zugeschnittenen Modellen Q87, Q85 und B85. Im Vergleich zu den bisherigen Chipsätzen der 7er Serie hat sich die Anzahl der USB-3.0- und SATA-6-Gb/s-Ports erhöht. Außerdem gibt es eine überarbeitete Version von Intels Rapid Storage Technologie sowie reduzierte TDP-Werte.

Der Fokus der neuen Haswell-CPUs liegt bei den Desktop-Prozessoren einerseits auf einer höheren Rechenleistung und Grafik-Performance, aber auch auf der weiter verbesserten Energieeffizienz. Mit Haswell sollen auch noch kleinere und schmalere Formfaktoren bei PCs möglich werden, beispielsweise in den All-in-One-Systemen. Beim neuen Topmodell Core i7-4770K der Haswell-basierenden Desktop-CPUs bleibt es im Vergleich zum Vorgänger Core i7-3770K bei vier Kernen. Auch die Grundtaktfrequenz von 3,5 GHz sowie die per Turbo 2.0 möglichen 3,9 GHz sind identisch. Beim Speicher steuert die Haswell-CPU weiterhin DDR3-1600-DIMMs in einer Dual-Channel-Konfiguration an.

Für mehr Performance sorgt beim Core i7-4770K aber die verbesserte Mikroarchitektur von Haswell mit Features wie dem neuen Befehlssatz AVX2. Intel integriert bei den Desktop-Prozessoren mit Haswell-Architektur wie schon bei den Vorgängern mit Ivy-Bridge-Design die CPU-Kerne und die Grafik-Engine auf einem gemeinsamen Siliziumplättchen.

Die Mikroarchitektur von Haswell lässt die grundlegenden Pipelines (einzelne Schritte bei der Befehlsabarbeitung) unverändert. Verbessert wurden aber unter anderem die Sprungvorhersagen. Haswell besitzt im Vergleich zu Ivy Bridge auch ein größeres Fassungsvermögen für seine Out-of-Order-Struktur. Beim Out-of-Order-Prinzip werden die Befehle für die optimierte Abarbeitung im Prozessor umsortiert. Das Out-of-Order-Prinzip wird auch bei allen Core-Prozessoren oder AMDs x86-Architekturen verwendet. Haswell kann laut Intel mehr Befehle nach dem Out-of-Order-Prinzip verarbeiten und besitzt die dafür notwendigen Strukturen.

Die Haswell-Architektur besitzt die neue Befehlssatzerweiterung AVX2. Gegenüber den AVX-Instruktionen, die auch die Vorgängerarchitekturen Sandy Bridge und Ivy Bridge beherrschen, sorgt AVX2 mit seinen 256-Bit-Vektoren für den doppelten Durchsatz – sowohl bei einfacher als auch doppelter Präzision. Die neuen AVX2-Befehle sollen unter anderem für eine höhere Performance im HPC-Bereich, bei Audio und Video sowie der Verschlüsselung sorgen. Insbesondere die im AVX2 integrierten neuen FMA-Befehle (Fused Multiply-Add) sollen für einen Geschwindigkeitsschub sorgen.

Eine weitere Architekturneuheit von Haswell ist die TSX-Erweiterung „Transactional Synchronization Extensions“. Die Technologie ist ein neuer Ansatz um die Performance von parallelen Threads beim Zugriff auf einen gemeinsamen Speicher zu beschleunigen. Normalerweise werden Locks verwendet, um den parallelen Zugriff auf einen gemeinsamen Speicher zu synchronisieren. Die Lock-basierende Synchronisation ist oft komplex und bremst die Performance. TSX nutzt eine sogenannte „atomare“ und „isolierte“ Ausführung von Tasks. Ein alternativer Kontrollmechanismus für die Koheränz der Daten soll Deadlocks verhindern und die parallele Programmierung laut Intel stark vereinfachen. Die TSX-Erweiterung sorgt aber nur in Multi-CPU-Umgebungen für Vorteile.

An der Ringstruktur ändert Intel nichts: Wie schon bei Sandy Bridge und Ivy Bridge sind die einzelnen Cores und die Grafik-Engine an den gemeinsamen Last-Level-Cache (LLC) angebunden sind. In einem unidirektionalen Ringbus im LLC lassen sich die Daten transportieren und gemeinsam nutzen.