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IDF2015: Die Skylake-Architektur im Detail

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idf2015logoDas IDF 2015 nutzte Intel, um erstmals Details zu ihrer neuen Skylake-Architektur zu präsentieren. Den Test der ersten Prozessoren hatten wir mit dem Core i5-6600K und dem Core i7-6700K bereits online – ungewohnterweise präsentiert Intel aber erst nach diesem ersten, vorgezogenen Launch die Architekturdetails.

Zunächst erklärte Intel die historische Entwicklung von Skylake im Unternehmen, die während der letzten fünf Jahre mehrmals verändert worden ist. Skylake wurde von Intel vor fünf Jahren als Prozessorgeneration für klassische Desktops und Light- und Thin-Notebooks geplant. Damit wurde zunächst an einem klassischen PC I/O-Set gearbeitet, bei welchem die TDP bei den beiden extremsten Produkten um den Faktor 3 auseinanderliegen kann, wie man es von bestehenden Desktop- und Mobile-Parts von Intel kennt. Es waren zunächst zwei Formfaktoren für Notebooks und Desktops geplant.

Dann kamen allerdings die Ultrabooks und 2-in-1-Notebooks – und das Skylake-Team musste ihre Pläne ausweiten. Die Entfernung zwischen dem kleinsten Skylake-Produkt und dem größten High-End-Skylake-Chip liegen nun um den Faktor 20 auseinander. Es gibt vier Formfaktoren und es wurden höhere Anforderungen an die Video- und Multimediafähigkeiten gestellt, die 40-60% weniger SoC-Power benötigen mussten.

Das Team arbeitete also neben an den Kernen und der Architektur auch an anderen Formfaktoren, anderen kleinen Plattformen, kleineren Mainboards und Verbrauchsszenarien für den Batteriebetrieb. Auf der anderen Seite musste man an der Grafikperformance arbeiten und auch neue Features, wie Sicherheitsfeatures implementieren. Vielleicht sind diese Ausführungen auch ein wenig als Entschuldigung zu werten, dass sich Skylake etwas verzögert hat und man auf neue Gegenheiten und Anforderungsprofile im CPU-Markt Rücksicht nehmen musste.

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Blockdiagramm der Skylake-Prozessoren in der Vierkern-Variante

Die Skylake-Mikroarchitektur besteht natürlich zunächst aus der neuen Core-Architektur, die in vielen Bereichen verbessert wurde. Man verbesserte auch die Ring-Architektur und erhöhte die Bandbreite des Rings. Es gibt nun drei verschiedene Grafikausbaustufen, jeweils mit und ohne eDRAM, die in zukünftigen CPUs eingesetzt werden. Der Speichercontroller wurde verbessert, sodass DDR3 und DDR4 unterstützt wird. Die weiteren Bereiche PCIe, Display, Chipsatz und DMI wurden ebenfalls überarbeitet. Zudem wurde an einer Camera ISP gearbeitet für Tablets und 2-in-1s. Zudem hebt Intel die Overclockingfähigkeiten hervor.

Die folgenden Ziele gab es bei der Entwicklung von Skylake: Höhere Instruktionen pro Takt und ein höherer Takt, um Leistungsgewinne zu ermöglichen. Eine Verringerung des Energieverbrauchs, Sicherheitsverbesserungen und eine bessere Konfigurierungsmöglichkeit waren weiter Ziele.

skylake2s
Verbesserungen im Kern-Bereich (Frontend)

Wie immer können dedizierte Server- und Client-IP-Konfigurationen von Skylake gebaut werden, wobei Intel hier eigenen Informationen nach die Flexibilität erhöht hat. Da man allerdings noch nicht über die kommenden Server-Xeons spricht, lässt sich dies noch nicht nachvollziehen.

Kern-Veränderungen bei Skylake

Auf Kern-Seite hat Intel das Front-End bei Skylake optimiert, eine Branch Prediciton mit höherer Kapazität integriert, größere Pufferspeicher implementiert und der Prefetch-Mechanismus verbessert. Die Out of Order Buffers wurden durch eine höhere Parallelisierung verbessert, weiterhin hat man auch die Ausführungseinheiten aufgebohrt. Hier wurde insbesondere auf eine verbesserte Latenz, mehr Einheiten und einen intelligenteren Abschaltungsmechanismus aus Stromverbrauchsgründen geachtet. 

Um die Kerne ordentlich mit Daten füttern zu können wurde auch die Anbindung verbessert. Es gibt nun deutlich mehr load/store-Bandbreite durch Verbesserungen auf Prefetcher-Seite. Die Store-, Fill- und Write-Back-Buffer wurden vergrößert, bei Page Misses wurde ein schnelleres Handling implementiert („weniger intrusive“), identisches gilt für eine besseres L2-Cache-Miss-Handling, wodurch bei gleicher Bandbreite deutlich mehr Daten geliefert werden können. Hinzu kamen auch ein paar neue Instruktionen, die das Cache-Management betreffen. Das Hyperthreading hat Intel ebenso durch größere Reservation Stations und einen größeren Zwischenspeicher verbessert.

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Veränderungen bei den Zwischenspeichern/Buffern

Neue Sicherheitstechnologien

Ein weiteres Ziel bei der Entwicklung der Skylake-Architektur war die Implementierung neuer Sicherheitstechniken. Zwei verschiedene Techniken kommen dabei zum Einsatz: SGX (Software Guard Extensions Technology) und MPX (Intel Memory Protection Extensions). Bei SGX handelt es sich um eine Technik, um Malware- und Software-Attacken auf bestimmte Speicherbereiche zu verhindern, in dem das System Trusted Encalves, also geschützte Bereiche einrichtet, auf die von aussen auch über Debugging-Funktionen nicht mehr zugegriffen werden kann. Bei MPX handelt es sich hingegen um einen Schutz gegen Buffer Overflows, die oft für Attacken verwendet werden. Das System prüft vor dem Zugriff, ob es einen Buffer Overflow geben könnte und blockiert den Zugriff dann im Vorfeld.

Verbesserungen beim Stromverbrauch

Wie bei jedem Prozessor aus der Core-Generation hat Intel auch das Ziel der Reduzierung des Stromverbrauchs nicht aus den Augen gelassen. Die Skylake-Architektur setzt dabei zum einen auf die fortschrittliche 14-nm-Produktion, die man schon von Broadwell kennt, aber es existieren einige neue Techniken, die den Stromverbrauch auf CPU- und Plattform-Ebene senken können. Auf Core-Ebene können die AVX2-Bereiche jetzt komplett deaktiviert werden, wenn der Code kein AVX2 enthält. Einige Verbesserungen betreffen zudem spezifische Funktionen, wie die Medien-Wiedergabe: Hier hat Intel Hardwarefunktionen implementiert, die auch ohne Core-Belastung laufen können und somit Strom sparen. Auf Grafikseite wurden Optimierungen beim Stromverbrauch für hochauflösende Displays implementiert und für kleinere Skylake-Modelle wurde das Ziel ins Auge gefasst, dass diese komplett fanless laufen können.

Neu ist Intels „Speed Shift Technology“: Hier übernimmt Intel die Kontrolle der Betriebszustände der CPU. Aktuell wird dies über einen Software-Layer vom Betriebssystem mit den bekannten P-States vorgenommen, die es nun nicht mehr gibt. Allerdings muss das Betriebssystem die neue Art und Weise beherrschen - das kann aktuell nur Windows 10. Bei besonders leistungsintensiven Applikationen kann der Prozessor mit hohem Takt betrieben werden, um dann möglichst schnell in den Halt-Modus gebracht zu werden. Das Prinzip kennt man von älteren Intel-Prozessoren als „Hurry Up and Get Idle (HUGI)“, jetzt nennt es Intel Race to Halt. Bei manchen Anwendungen ist dies allerdings nicht möglich, da sie dauerhaft mit niedrigerer Performance laufen. Hier optimiert das Betriebssystem dann im Hinblick auf die verbrauchte Gesamtenergie.

Bei allen derartigen Speed-Shift-Optimierungen hat Intel allerdings auch darauf geachtet, dass die Responsiveness des Systems nicht leidet. Um den Stromverbrauch im Leerlauf zu senken, hat Intel die Frequenz des Prozessors nicht weiter abgesenkt, da dann die Responsiveness leidet. Statt dessen baut man Duty Cycles ein, also quasi ein ständiges „Ein-Aus-Ein-Aus“ des Prozessors, da sich dann Bereiche komplett abschalten lassen. Ein weiterer Vorteil der Lösung in Hardware ist, dass die Responsiveness des Prozessors deutlich erhöht wird.  

Die Speed Step Technology kennt man schon von älteren Intel-Prozessoren und ist ja ein Klassiker, jetzt wurde sie auch für den System Agent und das Memory Subsystem implementiert. Diese Bereiche können jetzt auch je nach Belastung heruntergetaktet werden.

Um auch eine bessere Kühlung des Systems zu gewährleisten – oder die Energieeinsparungen durch OEMs in leisere Systeme umzusetzen, gibt es die Möglichkeit, die Skin-Temperatur des Prozessors und bessere Wärmesensor-Informationen auszulesen. Somit können bessere Kühllösungen gebaut werden und die Probleme, die in der Vergangenheit durch Throttling bestanden haben, sollen minimiert werden.

Verbesserungen der Caches und deren Anbindung

Diverse Tweaks hat Intel auch bei den Caches implementiert. Der Durchsatz des Last-Level-Caches ist um den Faktor 2 gestiegen, da man das Cache Miss Handling verbessert hat. Bei gleichbleibendem Stromverbrauch hat man zudem den Durchsatz des Ring-Busses verdoppelt. Die eDRAM-Cache-Architektur wurde verbessert, in dem er nun vollständig kohärent agiert und nicht nur für die Grafik, sondern auch für I/O, Display oder andere Zugriffe genutzt werden kann, ohne geflashed werden zu müssen. Dies wurde erreicht, in dem er jetzt über den System Agent angebunden ist und nicht mehr über den Last-Level-Cache.

Weitere Optimierungen

Um den Prozessor auch in Tablets einsetzen zu können, hat Intel im kompletten Skylake-Lineup einen Image Signal Processor integriert, der bis zu vier Kameras mit je 13MP verarbeiten kann. Intel hat diesen ISP in den Prozessor integriert, um ihn aus Stromverbrauchsgründen direkt auf dem Die steuern zu können. Zudem können für Tablets kleinere CPU-Formate realisiert werden und Platz gespart werden. Als Spezifikationen gibt Intel an, dass die Kameras mit 2160p und 30 Hz oder 1080p und 60 Hz mit niedrigem Stromverbrauch und hoher Performnace laufen können.

Auf Chipsatzebene ist es den Chipsätzen jetzt auch möglich, den Takt zu verändern und zu throttlen, zudem wurden – und das haben wir schon in den ersten Tests beschrieben – die I/O-Ports deutlich aufgebohrt und verbessert, sei es durch PCIe 3.0, NVME oder USB 3.0. Die Anbindung an die CPU ist mit dem DMI 3.0 ebenso verbessert, um nicht hier ein neues Bottleneck entstehen zu lassen.

Hinzu kommen noch die bereits bekannten Overclocking-Funktionen, die wir mit dem Core i7-6700K schon demonstriert haben.

Wer sich das komplette PDF einmal ansehen möchte, kann dies bei Intel im IDF-Bereich bei der zugehörigen Veranstaltung

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Kommentare (42)

#33
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Registriert seit: 06.01.2010
Großostheim
Kapitänleutnant
Beiträge: 1708
Zitat Tzk;23792296
Da glaube ich irgendwie noch nicht dran. Für mehr als 4 Kerne (und damit anspruchsvolle Anwender) gibts ja immernoch den großen Sockel.
Mal im Ernst: Wer braucht denn zuhause [U]wirklich[/U] mehr Leistung als ein 4790k oder 6700k bieten kann?
Also mal abgesehen von Spielern, die im Highend Bereich angesiedelt sind und Sysadmins/Entwickler sowie Leute die Filme konvertieren?


Wieso nicht? Unvorstellbar ist das nicht, wenn Zen wirklich einschlagen sollte.

I3=4Cores
I5=6Cores
I7=6Cores + HT
#34
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Registriert seit: 29.04.2015

Banned
Beiträge: 965
da traue ich Intel zu beim i3 eine maske mit 3 kernen aufzulegen:O
#35
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Registriert seit: 06.05.2005

Fregattenkapitän
Beiträge: 2829
I3=4Cores
I5=4Cores+HT
I7=6Cores

Sockel 2011 broadwell
I7=6Core + HT mit allen lanes
I7=8core + HT mit weniger lanes
I7=8Core + HT mit allen lanes


http://www.computerbase.de/bildstrecke/64670/3/

Das lineup ist bei amd bekannt und Amd wird sich darunter positionieren wie bei den grafikkarten. Man will keine zweikämpfe und sich gegenseitig den Markt kaputt machen. Das topmodell wird daher 600-700 Euro kosten.

@elkinator
Top recherchiert. Was kommt als nächstes ? Leserbrief aus der Bild?
Ne ernsthaft. Bitte hör auf Dinge zu Posten die Intel selbst schon anders bestätigt hat.
#36
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Registriert seit: 13.06.2003
RheinMain
Vizeadmiral
Beiträge: 7441
Es wäre durchaus denkbar, dass Intel die Atom-Strukturgröße schneller "shrinkt", um eben jenen Anforderungen gegenüber TSMC & Samsung gerecht zu werden.

Aber bei den komplizierten Strukturen der Desktop-CPUs werden wohl kaum die Strukturgrößen übersprungen. Die hatten ja schon mit dem Schritt auf 14nm ihre Problemchen. Da werden sie die 10nm garantiert nicht überspringen. Dann lieber den Atom schneller durch die 10nm jagen und so Erfahrungen sammeln.
#37
customavatars/avatar220193_1.gif
Registriert seit: 29.04.2015

Banned
Beiträge: 965
Zitat G3cko;23792484

@elkinator
Top recherchiert. Was kommt als nächstes ? Leserbrief aus der Bild?
Ne ernsthaft. Bitte hör auf Dinge zu Posten die Intel selbst schon anders bestätigt hat.

was ist eigentlich dein problem?
ich kenne die roadmaps von intel!
ich habe mich im gegensatz zu dir informiert, wer von einem i3 mit 4 kernen fantasiert ist ein träumer...
aber gut, bist du halt ein weiterer dummschwätzer auf meiner liste!

die von dir verlinkte AMD-Roadmap ist übrigens eine fälschung, ist aber auch schon sehr sehr lange bekannt^^^
#38
customavatars/avatar124910_1.gif
Registriert seit: 10.12.2009
Heidelberg
Flottillenadmiral
Beiträge: 4289
Zitat ELKINATOR;23792630
was ist eigentlich dein problem?
ich kenne die roadmaps von intel!
ich habe mich im gegensatz zu dir informiert, wer von einem i3 mit 4 kernen fantasiert ist ein träumer...
aber gut, bist du halt ein weiterer dummschwätzer auf meiner liste!

die von dir verlinkte AMD-Roadmap ist übrigens eine fälschung, ist aber auch schon sehr sehr lange bekannt^^^


Like a boss !!! :hail:
#39
customavatars/avatar44491_1.gif
Registriert seit: 08.08.2006
Weinböhla (Sachsen)
Moderator
Beiträge: 31959
Zitat Tzk;23792296
Da glaube ich irgendwie noch nicht dran. Für mehr als 4 Kerne (und damit anspruchsvolle Anwender) gibts ja immernoch den großen Sockel.


betrachtet es mal von der anderen Seite... Die S2011er sind Abfallprodukte vom Servergeschäft. Gleicher Sockel, der kleinste Chipsatz mit anderem Namen und ggf. in den Funktionen noch etwas rumgefummelt und ohne Reg. ECC Support.
Das heist aber auch, fährt man diese Schine für die "große" Platfrom im Desktop weiter, dann hängt auch direkt die Coreanzahl davon ab, was oben im Serverbereich passiert.

Warum gab es wohl für Sandy-E keine acht Core i7 CPUs? -> weil das dem großen Xeon vorbehalten war. Und warum gibts für Ivy-E keine acht Core Xeons? Weil bei Ivy-E nur ein natives sechs, zen und 12 Kern Design existierte.
Warum gibts denn nun bei Haswell-E keine vier Core i7 mehr? -> wohl weil das Design ein acht Core Prozessor ist und man damit ~50% abschalten müsste... Durch dieses Design kann man aber auch acht Kern i7 Modelle bringen.

Und bei Broadwell-E? Hier kommts wohl in erster Linie drauf an, was Intel für Designs fahren wird. Nach oben hin gehts wohl bis 22 (24 für die EX Reihe). Aber das ist weniger interessant. Interessanter ist, was fährt Intel für Designs in der Servermittelklasse. Bei nem nativen acht Core Design, wovon ich ausgehe, wird es wohl keine Ambitionen geben, sechs Cores für den Mainstream zu bringen. Denn das deckt der S2011er ab.
Mit Skylake-E könnte sich das aber ändern. Denn dort könnte man nach und nach die Modelle mit weniger Cores aus der Xeon E5 Familie rauslassen... Bei angenommen minimum acht Cores (was dann sicher ein teildeaktivierter 10 oder 12 Core Prozessor ist), ist es sehr warscheinlich, dass es sechs Cores auch im Mainstream gibt. Mainstream meint i7 UND! die Xeon E3 Reihe. Denn es geht ja Intel in erster Linie lange nicht mehr um den Spieler oder Desktop User. Sondern Intel fährt einen riesigen Teil ihrer Umsätze aus besagtem Serverbereich, auch Xeon E3 gehört dazu, ein.

Ob sich da nun mit Zen an den Plänen etwas ändert oder nicht? Ich glaube es ehrlich gesagt nicht. Intel hat durchaus die Mittel um auch kurzfristige Nachteile mittelfristig auszugleichen.
Es gab da doch auch schon einige Aussagen von Ex-Mitarbeitern, dass gerade Intel sehr sehr strickt in ihrer Planung und Einhaltung des Plans vorgeht und Visionen neben dem Plan oftmals gar nicht gewünscht sind... Ob da nun AMD mit nem Zen xx Core Prozessor so und so mal mehr MT Power abliefert als die Mainstream Intel Plattform, wird Intel wenig bis gar nicht stören... Das gleicht man dann aus, wenn man es das nächste mal kann.
#40
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Registriert seit: 29.04.2015

Banned
Beiträge: 965
Zitat r4u$ch;23793106
Like a boss !!! :hail:

es ist einfach lächerlich, da macht jemand auf wichtig und kommt dann mit einer alten gefälschten roadmap:\
Zen APUs für 2016 waren von anfang an falsch, soetwas hat AMD von anfang an ausgeschlossen, die APU war immer für 2017 geplant!
#41
Registriert seit: 09.04.2011

Leutnant zur See
Beiträge: 1107
Zitat fdsonne;23793120
Und warum gibts für Ivy-E keine acht Core Xeons?

Die gibt es aber! Xeon E5-2650-v2
#42
customavatars/avatar22571_1.gif
Registriert seit: 06.05.2005

Fregattenkapitän
Beiträge: 2829
Fdsone, volllkommen korrekt. Und wenn 6 Kerne im mainstream kommen rutscht eben alles ein step runter. Ein i3 mit 4 Kernen ohne ht nichts überraschendes.Lange überfällig, da die chipflache so klein ist wie bei celerons vor einigen Jahren.

@elkinator
Du ignorierst einfach alles. Sogar die Aussage von Intel selbst.(Cb Artikel) da steht alles drin. Meine Frage nach einer Quelle kommt nicht von ungefähr. Da hast du bisher nichts geliefert was deine aussagen auch nur ansatzweise unterstützen würde.
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