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Ivy Bridge im Test: Intel Core i7-3770K und alle i5-Modelle

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Seite 4: Transistoren zählen für den Stromverbrauch

Die größten Unterschiede zwischen Sandy Bridge und Ivy Bridge liegen im Bereich der Fertigungstechnik. Nicht nur wurde die Fertigung nun statt im 32-nm-Prozess in 22 nm realisiert, auch hat Intel erstmals eine neue Transistor-Form implementiert, bei der das Gate den Transistor dreidimensional umschließt. Durch diese Technik werden die Leckströme reduziert und die Energieeffizienz des Prozessors steigt - heraus kommt ein stromsparender Prozessor, der nicht nur durch die geringere Fertigunsgröße, sondern auch aufgrund der neuen Transistoren Strom sparender arbeitet.

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Ein Core i7-3770K besitzt mit integrierter HD Graphics 4000 insgesamt
1,4 Milliarden Transistoren. Bei Sandy Bridge waren es 995 Millionen Transistoren.
Die Größe des Kerns hat Intel von 216 mm² auf 160 mm² verkleinert.

Die Ivy-Bridge-Modelle besitzen knapp 405 Millionen Transistoren mehr als Sandy Bridge. Allerdings hat Intel dieses Mal nicht den Cache vergrößert oder die Anzahl der Kerne variiert. Auch ist der Memory-Controller technisch größtenteils unverändert und die Veränderungen im System Agent halten sich auch in Grenzen. Somit ist klar, wo die 405 Millionen Transistoren sich größtenteils verstecken: In der Intel-Grafik. Hier hat Intel nicht nur einen Zwischenspeicher eingebaut, sondern auch die Anzahl der Execution Units verdoppelt.

Interessant ist der Größenvergleich: Knapp 25 Prozent weniger Platz verbraucht ein Ivy-Bridge-Die auf dem Wafer, besitzt aber dabei deutlich mehr Transistoren.

Mehr Transistoren bedeuten normalerweise auch eine größere Abwärme. Durch intelligente Stromspartechniken sind jedoch nur die Bereiche tatsächlich aktiv, die der Prozessor auch nutzt. Einzelne Kerne, Bereiche des Caches oder die On-Chip-Grafik können deaktiviert werden, wenn diese im Idle-Betrieb sind. Hinzu kommen DDR3- und GT-Power-Gating. Durch die kleineren Strukturen und Tri-Gate-Transistoren gelingt Intel sogar eine deutliche Einsparung des Stromverbrauchs. Zudem unterstützt Intels Ivy Bridge nun auch Low-Voltage-DDR3 (DDR3L), kann also auf Plattform-Ebene durch 1,35-V-DDR3 noch einmal ein paar Watt sparen.

 

Intels 22-nm-Transistoren mit Tri-Gate-Technik

Intel hat bereits auf vielen vorherigen Veranstaltungen einen Einblick in die neue 22-nm-Fertigunstechnik gegeben. Hier führte man bereits mehrmals an, dass die 22-nm-Technik in der Tat etwas neuartiges ist: Im großen und ganzen sind die aktuellen, planaren Transistoren auf einem Design erstellt, welches bereits 1974 entwickelt und eingesetzt worden ist. Anschließend wurden diverse Tricks und Optimierungen implementiert, um die Leakage zu minimieren und die Transistoren bei einer kleineren Fertigungstechnik zu beherrschen – bis zum Jahr 2000 war dies kein größeres Problem, anschließend wurde die Leakage aber zu einem Problem. Die Hardwareluxx-Leser erinnern sich sicherlich an Northwood, Prescott und ähnliche Prozessoren, die mit dem Hitzeproblem zu kämpfen hatten.

Im Jahr 2003 setzte Intel bei der 90-nm-Technik auf Strained Silicon Transistoren für NMOS und PMOS-Transistoren, um Gate Oxide Scaling zu reduzieren und den Ansteuerungsstrom (drive current) zu verbessern. Mit der 45-nm-Technik führte Intel die High-k Metal Gate Transistoren ein, also ein neues Dielektrikum (SiO2) und ein auf Hafnium basierendes Metall-Gate. Auch hier konnte die Performance der Transistoren massiv verbessert werden, ohne Leakage-Probleme zu bekommen.

Mit der Einführung der 22-nm-Transistoren verändert man aber die Struktur der Transistoren selber.

Als Beispiel zeigte Bohr auf dem letztjährigen Intel Developer Forum eine Grafik für 22-nm-Transistoren mit unterschiedlichen Drive Current / Leakage-Werten – je nach Anwendungsbereich. Benötigt man einen schnellen Prozessor, muss man auch eine höhere Leakage in Kauf nehmen, kann aber auf der anderen Seite bei einer niedrigen Leakage eine höhere Performance erreichen. Im Endeffekt ist es also möglich, je nach den Anwendungsbereichen des fertigen Chips eine passende Prozessortechnik einzusetzen (High Performance, Standard Performance, Low Power).

trigate-performance

Bohr führte die Hauptvorteile der 22-nm-Tri-Gate-Fertigung an:

  • es besteht ein deutlicher Leakage-Vorteil aufgrund der Fully-Depleted-Gates. Bei geringerer Spannung schaltet der Transistor schneller ab und hat deshalb eine deutlich geringere Off-State-Leakage.
  • Bei High-Performance-Optimierung kann bei gleicher Off-State-Leakage wie bei einem Planar-Transistor eine deutlich höhere Schaltgeschwindigkeit erreicht werden.
  • Insgesamt kann der Tri-Gate-Transistor eine 37% schnellere Geschwindigkeit bei 0,7 V Spannung haben – oder umgekehrt eine um 50% niedrigere Active Power.
  • Wird eine höhere Performance benötigt, ist es dem Designer möglich, mehrere Fins zusammen zu schließen, um eine höhere Performance zu erreichen.

trigate-small

Den Aufbau der Transistoren kann man im obigen Bild schön sehen: Das Gate "umschließt" den Transistor besser und verhindert so das Durchsickern von Strömen.

Intel setzt für Ivy Bridge den P1270-Prozess für die 22-nm-Prozessoren ein. Im Jahr 2013 steht allerdings schon der P1272 genannte Prozess mit 14 nm ins Haus. Auf SOC-Seite sind die Prozesse P1271 und P1273 für Low-Power optimiert, der 14-nm-Prozess ist ebenso für 2013 geplant. Herstellen wird Intel die neuen Produkte in insgesamt fünf Fabriken, die auf den 22-nm-Prozess umgerüstet werden oder es schon sind. Neben den Fabriken in Oregon werden auch die beiden Fabriken in Arizona die Prozessoren herstellen. Hinzu kommt die Fabrik in Israel. 

Intel wird die 22-nm-Technik sowohl für die klassischen Prozessoren (Core, Xeon,...) wie auch für die SoC-Produkte einsetzen (Atom, etc.). Intel optimiert dabei auch die bestehenden Designs auf die neuen Tri-Gate-Prozessoren. Intel sieht hier einen Vorteil im Zusammenlegen der Design-Teams und fährt deshalb einen „Unified Design Approach“ und legt die bisherigen Teams (SoC, CPUs) zusammen, um besser und schneller auf neue Marktbereiche reagieren zu können.

In einer Galerie zu dem Thema haben wir Intels Folien zum Thema 22-nm-Technik hinterlegt: