Intel Ice Lake: 18 Prozent mehr IPC, aber 20 Prozent geringerer Takt

tl;dr: Erstmals hat Intel Details zur neuen 10-nm-Architektur Ice Lake geteilt. Dem Hersteller zufolge macht Ice Lake bei der IPC den größten Sprung seit Jahren und stellt mit neuer GPU und mehr Integration alle Vorgänger in den Schatten. Vorerst passiert das allerdings nur im Notebook. Und viele Fragen sind noch offen.

Fast vier Jahre nach der Vorstellung der Skylake-Architektur, die auch heute noch in Coffee Lake Refresh Verwendung findet, gibt Intel erstmals umfassend Details zum Nachfolger Ice Lake preis. Der soll mit einer deutlich gestiegenen IPC, der neuen Gen11-Grafik und einer hohen Integration punkten. Viele Fragen, auch zur Leistung, bleiben auch nach der Präsentation zur Computex 2019 aber noch offen.

Von der Architektur Cannon Lake, die eigentlich der Nachfolger von Skylake und somit Vorgänger von Ice Lake werden sollte, redet der Hersteller in diesem Zusammenhang gar nicht mehr. Zurecht: Bei Cannon Lake hatte sich das Unternehmen völlig verrannt, wollte zu viele Neuerungen (vor allem bei der Fertigungstechnologie) auf ein Mal und scheiterte auf ganzer Linie. Doch jetzt soll das alles vergessen sein, „jetzt“ übernimmt Ice Lake.

Der größte Sprung seit Nehalem und Merom/Conroe

Intel stellt Ice Lake heute auf eine Stufe mit Nehalem und Merom/Conroe. Merom/Conroe (Test) war 2006 der endgültige Abgang von der alten Architektur hin zu „Core“ und brachte einen enormen Leistungssprung. Nehalem war zwei Jahre später wiederum der Schritt in die Moderne, auf der selbst heutige Prozessoren noch aufbauen. Einerseits zu ihrem Vorteil, in Bezug auf die seit Anfang 2018 aufgedeckten CPU-Sicherheitslücken aber auch zu ihrem Nachteil. Viele haben in den Anpassungen bei Nehalem ihre Wiege.

Nehalem bot aber nicht nur mehr Leistung, er integrierte auch mehr Funktionsbausteine als jemals zuvor. So wurde erstmals auch bei Intel der Speichercontroller direkt in die native Quad-Core-CPU integriert (bei AMD längst üblich). Zuvor nutzte Intel für vier Kerne zwei Dual-Core-Dies auf einem Multi-Chip-Package und der Speichercontroller war in der Northbridge untergebracht.

Auch Ice Lake stellt laut Intel eine neue Stufe der Integration zuzüglich vieler Neuheiten in 10-nm-Fertigung dar. Diese läuft nun zwar zufriedenstellend, doch ist sie noch weit weg von der 14-nm-Fertigung, sowohl was Yield-Rate als auch hohe Taktfrequenzen betrifft, was sich schnell zeigt.

Ice Lake überbietet Skylake außer beim Takt

Ice Lake ist durch den Ausfall von Cannon Lake gegenüber Skylake am Ende ein deutlich größerer Schritt nach vorn. Drei bis vier Jahre Entwicklungszeit sind in das Produkt geflossen, erklärte Intel im Mai auf Pressebriefings in den USA, auf denen auch ComputerBase zugegen war.

Ice Lake unterscheidet sich schon in der Ausrichtung deutlich von Skylake, denn der Fokus-Markt für die ersten Modelle ist voll und ganz das mobile Segment. Hier dominiert Intel auch weiterhin den Markt, während AMD im Desktop mit Ryzen mittlerweile sehr stark aufgestellt ist und sich anschickt mit Ryzen 3000 ab Juli dort sogar die Leistungskrone an sich zu reißen.

Die Fortschritte von Ice Lake gegenüber Skylake-Produkten, die aktuellsten sind die Whiskey-Lake-U-Modelle, beginnen beim Prozessorkern. Die neue Architekturlinie, die mit Sunny Cove beginnt und in den kommenden Jahren weiterentwickelt werden soll, übernimmt viele der klassischen Eckpfeiler von Skylake und Haswell, erweitert diese zum Teil aber deutlich.

Sunny-Cove-CPU-Kerne

Im Front End beginnt das bei der so wichtigen Sprungvorhersage. Diese galt bei Intel-Prozessoren schon immer als extrem gut, doch die Architekten haben nach eigenen Angaben noch weiteres Potential gefunden. Vor allem das Zusammenspiel mit dem Micro-Op-Cache (µOP-Cache) wurde verbessert. Der µOP-Cache wurde gegenüber Skylake auch um 50 Prozent ausgebaut, so können mehr Informationen schneller direkt zum Back End geliefert werden. Damit dies auch funktioniert, wurden viele der Buffer erweitert.

Das Back End beginnt in Zukunft mit einer neuen 5- statt einer 4-Wide-Out-of-Order-Architektur-Pipeline. Bei Haswell war es noch eine Unified Reservation Station (RS) für acht Ports, ab Skylake waren es bereits zwei getrennte für weiterhin acht Ports, nun sind es sogar vier sogenannte Reservation Station für zehn Ports. Das ermöglicht eine nochmals deutlich erhöhte Parallelisierung in gewissen Bereichen. Während die ursprünglichen Ports nahezu gleich bleiben und nur im Detail geändert werden, bekommt die AGU (Adress-Generierungs-Einheit) für Speicherbefehle nun insgesamt vier Ports zugewiesen, wobei jeweils zwei vollständig mit Load/Store-Einheiten versehen wurden. Bisher war Port 7 als exklusiver Store für Port 2 und 3 gedacht, damit dort neue Loads aufgefangen werden konnten.

Um die neuen Store-Einheiten mit notwendigem Rückhalt zu versehen, wird in dem Bereich der L1-Datencache um 50 Prozent auf 48 KByte ausgebaut – der größte Sprung seit über einer Dekade. Und auch der L2-Cache wächst um 100 Prozent.

AVX-512 kommt mit Ice Lake ebenfalls im Mainstream-Markt an, bisher war diese Funktion Server-Prozessoren vorbehalten. Zwei FMA-Einheiten sind in Sunny Cove zugegen, einer für 512-Bit-Operationen, die zweite für 256 Bit. Das AVX-512-Set wurde zudem um weitere Einträge erweitert, die in gewissen Szenarien noch mehr Leistung ermöglichen.

Für Leistungssteigerungen sorgen in AI- und Verschlüsselungs-Szenarien wie bei Cascade Lake-SP Deep-Learning-Boost (DL Boost) oder das neue Vector AES und SHA-NI. Letzteres kann für bis zu 75 Prozent mehr Leistung sorgen, DL Boost zeigt Intel in Form eines Ice-Lake-U-Chips sogar mit dem Faktor 2,5 gegenüber dem dem direkten Vorgänger Whiskey Lake-U.

18 Prozent mehr IPC gegenüber Skylake

Im Schnitt über eine Vielzahl an Anwendungen (SPEC 2016, SPEC 2017, SYSmark2014 SE, WebXPRT, CinebenchR15) stellt Intel für Sunny Cove auf dieser Basis 18 Prozent mehr IPC gegenüber Skylake in Aussicht, wobei die Zuwächse je nach Test auch bis zu 40 Prozent betragen können, oder es gar einen minimalen Rückschritt gibt. Mit der Berücksichtigung einer ganzen Bandbreite an Tests kommt Intel dem eigenen Ruf nach einem breiten Testparcours nach.

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Die IPC-Steigerung bei Intel ist aber auch nötig, denn AMD hat seinerseits massive Fortschritte in Aussicht gestellt: Mit 15 Prozent Wachstum von Zen+ auf Zen 2 will der Konkurrent die Skylake-Architektur ab Juli mit Ryzen 3000 im Desktop schlagen.

Ein direktes Duell wird es vorerst allerdings nicht geben: Denn während Zen 2 (noch) nicht ins Notebook kommt, wird es Ice Lake vorerst nicht im Desktop oder Server geben. Erst im Jahr 2020 ist der Showdown wirklich möglich, Ice Lake und Zen 2 begegnen sich dann zumindest im Server. Doch auch im Mobile-Segment wird AMD im Jahr 2020 mit einer Zen-2-Navi-Kombination für Notebooks nachlegen.

5 Prozent mehr Single-Threaded-Leistung versus WHL-U

Wird nicht die Leistung pro Takt sondern die Leistung Pro Kern als Produkt aus IPC und Takt betrachtet, ist auf den ersten Blick die von Intel aufgezeigte Leistungssteigerung von rund 47 Prozent gegenüber der fünf Jahre alten, ersten 14-nm-Architektur Broadwell interessant.

Auf den zweiten Blick wird aber ersichtlich, dass das Meiste davon über den gestiegenen Takt bereits in Whiskey Lake steckt. Die extrem optimierte 14-nm-Fertigung bietet extrem hohe Taktraten und kann es mit der jungen 10-nm-Fertigung in Summe deshalb fast noch aufnehmen, Ice Lake gewinnt hier nur noch rund fünf Prozent. Der Grund: Ice Lake wird zu Beginn nur mit maximal 3,9 und später eventuell auch 4,1 GHz unterwegs sein, Whiskey Lake-U (WHL-U) bietet mit 4,8 GHz beim Topmodell rund zwanzig Prozent mehr Takt.

Informationen zur Leistung in Multi-Core-Last-Szenarien mit dann anliegendem Takt gibt es noch nicht. Diese sind jedoch im Alltag entscheidend. Da Intel aber keine Zahlen genannt hat, ob dies besser sein wird als bisher, ist von einem ähnlichen Taktverhalten auszugehen. Die IPC-Steigerung könnte am Ende durch dauerhaft geringe Taktraten als beim Vorgänger im Alltag komplett verpuffen.

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Unterstützung für deutlich schnelleren DDR4-Speicher

Mit den neuen Prozessoren hält auch schnellerer Speicher in Notebooks Einzug. Der aktualisierte Speichercontroller kann fortan nicht nur LPDDR4-3733 als Standardkonfiguration ansprechen, sondern wird als Kompatibilitätslösung auch DDR4-3200 adressieren. Dies ist ein massiver Sprung nach vorn: Whiskey Lake unterstützt nur DDR4-2400 und das ältere LPDDR3-2133. Kleine und leichte Notebooks setzen in der Regel auf die direkt auf dem Mainboard verlöteten LPDDR-Chips, größere Geräte auf klassischen SO-DIMM. Da die ersten CPUs alles Y- und U-Modelle sind, könnte LPDDR-Speicher mehr die Regel werden denn zuvor. Mit 3.733 MHz ist LPDDR4 übrigens seit mehr als drei Jahren spezifiziert, Intel reizt das aktuelle Maximum LPDDR4-4266 nicht aus.

Thunderbolt 3 mit 4 Ports direkt aus der CPU

Eine weitere große Neuheit von Ice Lake-U ist bei einer Schnittstelle zu finden: Thunderbolt 3. Erstmals integriert Intel sie direkt und zwar nicht wie durchaus vermutet in den Chipsatz, sondern direkt in den Prozessor. Weil Thunderbolt auch Display-Signale ausgeben kann und die iGPU bekanntlich in CPU/SoC steckt, ist das der direkt Weg. Der Umweg über den Chipsatz würde die Integration nur unnötig kompliziert machen, erklärt Intel.

Thunderbolt 3 stellt bisher extreme Anstrengungen an Motherboard-Hersteller. Schon das Layout war oft problematisch, was dazu führte, dass der Thunderbolt-Chip in der Regel nur ein bis zwei Zentimeter direkt hinter den Ports saß und in der Regel auch nur an einer Seite eines Notebooks zu finden war. Zudem fraß Thunderbolt nicht nur viele Lanes auf einem Board, auch galt er als Stromfresser: 7 Watt TDP veranschlagte Intel bisher für den Single-Chip. Die Integration soll damit Schluss machen.

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Immer vier Ports wird Thunderbolt 3 durch Ice Lake bieten, alle vier Ports sind gleichwertig und bieten die volle Bandbreite. Die Kern-Elemente sind in der CPU verbaut und dadurch weniger hungrig in der Leistungsaufnahme, teilen sich fortan aber das Power-Budget mit der CPU und der Grafik. Dies dürfte insbesondere bei den 9-Watt-Prozessoren spannend werden, wenn dort vier Ports voll gefordert werden.

ComputerBase sprach mit einem der Thunderbolt-Ingenieure vor Ort, der erklärte, dass dann mit jedem weiteren Gerät die Bandbreite eingeschränkt wird, um nicht zu viel Power vom Prozessor zu ziehen. Hat eines der angeschlossenen Geräte Power Delivery, ändert das die Gleichung allerdings wieder.

OEMs steht es am Ende frei, wie sie die Ports konfigurieren wollen, jedes einzelnen Notebook dürfte damit anders umgehen. Intel wird entsprechende Design Guidelines veröffentlichen, in denen die Thematik detaillierter behandelt wird. Dell hat sich beim XPS 13 2-in-1 als erstes Vorzeigemodell beispielsweise nur für zwei Thunderbolt-Ports entschieden.

Ohne einen Chip auf dem Mainboard geht es aber auch in Zukunft nicht. Der Retimer (den Hersteller von Intel kaufen müssen) ist ungefähr halb so groß wie ein bisheriger Thunderbolt-Chip und kann überall auf der Platine verbaut werden, weshalb zukünftige Notebooks Thunderbolt an beiden Seiten Ports bieten können. Die Lösung ist intelligent: Wird ein USB-2.0-Gerät über den C-Stecker an die Thunderbolt-Schnittstelle angeschlossen, erkennt dies das System, umgeht das Thunderbolt-Protokoll und leitet die Signale über den Chipsatz (Platform Controller Hub). Denn dieser stellt nativ weiterhin klassische USB-Ports in sehr stromsparender Weise bereit.

Neue Grafikeinheit für 80 Prozent mehr Leistung in der gleichen Klasse

Über die neue Gen11-Grafik hat Intel bisher am meisten Details preisgeben. Die vorerst größte Lösung bietet 64 statt 24 Shader-Cluster. Um den Stromverbrauch allerdings nicht noch weiter ansteigen zu lassen, sinkt der maximale Turbo sogar leicht auf 1,1 GHz. Heraus sollen unterm Strich 80 Prozent mehr Leistung kommen, die Intel fortan in der bekannten Klasse ansiedelt: Gen2.

Doch nicht nur die Rohleistung steht im Fokus, auch soll der duale HEVC-Encoder eine um 30 Prozent gesteigerte Qualität gegenüber der letzten Generation bieten. Adaptive Sync wird zudem erstmals bei Intel direkt unterstützt, drei 4K-Displays können angeschlossen werden.

Doch nicht alle Prozessor-Modelle werden auf die 64 EUs setzen, was im Handel als Iris Plus laufen wird. Auch klassische UHD-Grafik wird anzutreffen sein. Dies dürfte bei den CPUs mit G1 im Namen zutreffen, offizielle Details fehlen aber noch.

Ein neuer Chipsatz, WiFi 6 und ein neues Package

Ice Lake wird mit einem neuen Chipsatz gepaart. Dieser basiert auf der 14-nm-Fertigung und nutzt nun ebenfalls wie die CPU die Technologie des Fully Integrated Voltage Regulators (FIVR). Dies soll den Chip 15 Prozent effizienter machen als bisherige Lösungen.

Die Ausstattung hat sich gegenüber dem bisherigen Chipsatz nur unwesentlich verändert, Wi-Fi 6 sticht als Neuerung jedoch deutlich heraus. Auch dessen Integration sei der größte Sprung in über einer Dekade, erklärt Intel. Allerdings wird sie wieder über CNVi gelöst, da die komplette Integration von Wi-Fi in einem Chipsatz auch die komplette Zertifizierung dieses Chipsatzes nach sich ziehen würde. Das analoge RF-Modul kommt dabei übrigens in altbetagter 28-nm-Fertigung von UMC – mehr wird laut Intel schlichtweg nicht benötigt und es spart massiv Kosten und auch 14-nm-Kapazität.

Verpackt werden die CPU und der Chipsatz am Ende auf einem Multi-Chip-Package, wie sie in der U- und Y-Serie bereits seit Jahren anzutreffen sind. Liegen die Packages vor einem, sind die vorgenommenen kleinen Unterschiede kaum zu sehen.

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Core 10th Gen mit 9 Watt, 15 Watt und 28 Watt

Die Ice-Lake-Prozessoren läuten bei Intel die zehnte Generation der Core-Modelle ein. Sie werden zu Anfang als Core i3, Core i5 und Core i7 angeboten. Unterschieden wird zwischen Ice Lake-Y mit einer TDP von 9 Watt und Ice Lake-U mit den für die U-Serie bekannten 15 Watt TDP. Es sollen zudem aber auch Varianten mit 28 Watt folgen.

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Ice Lake-Y hat auf dem Papier damit die doppelte TDP der Vorgänger, die mit 4,5 Watt (Kaby Lake Refresh) respektive 5,0 Watt (Amber Lake) unterwegs waren. Das hat laut Intel mehrere Gründe. Erstens wurde die Anzahl der Kerne verdoppelt, zweitens Thunderbolt 3 mit vollen vier Ports und drittens die deutlich größere Grafikeinheit integriert. All diese Funktionen sind nicht mehr in kleinerem TDP-Rahmen umsetzbar. Auch bei Ice Lake-U mit 15 und 28 Watt gelten gegenüber der 9. Generation Einschränkungen, die in erster Linie an der gesunkenen Basisfrequenz sichtbar sind. Welche Lösungen Intel in Notebooks mit einem Spielraum von lediglich 5 Watt in Zukunft anbieten wird, ist noch nicht bekannt.

Bewahrheiten wird sich offensichtlich das vor rund einem Monat erstmals aufgetauchte Bezeichnungsschema. Mit fünf Stellen und einer Kombination aus Ziffern und Zahlen hatte es bereits für viel Spott gesorgt. Intel selbst hat die Liste der CPU-Typen zwar noch nicht zur Verfügung gestellt. ComputerBase konnte auf der Veranstaltung aber ein Intel-Notebook mit Ice-Lake-U-Prozessor in Augenschein nehmen und das Flaggschiff Intel Core i7-1065G7 mit exakt der kolportierten Bezeichnung entdecken. Es ist deshalb davon auszugehen, dass auch der Rest übereinstimmt. Die nachfolgende Tabelle setzt deshalb auf den Informationen aus der Gerüchteküche und von Notebook-Herstellern auf.

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Von den angesprochen 4,1 GHz maximaler Takt ist bei den ersten Modellen, die allesamt mit 15 Watt unterwegs sind, noch nichts zu sehen: Der maximale Ein-Kern-Turbo liegt bei 3,9 GHz. Mehr als 4,0 GHz dürfte den 28-Watt-Lösungen vorbehalten sein. Auch fehlen bisher weitere Details zu den 9-Watt-CPUs. Zum Marktstart im Spätsommer und Herbst dürfte sich der Schleier lüften, in der Keynote zur Computex 2019 erklärte Intel, dass es insgesamt elf Prozessormodelle gibt, die aktuell ausgeliefert werden.

Modell	Kerne/Threads	Basistakt	Boost-Takt (1C/2C/4C)	L3-Cache	TDP
Intel Core i7-1065G7	4/8	1,3 GHz	3,9/3,8/3,5 GHz	8 MB	15 Watt
Intel Core i5-1035G7	4/8	1,2 GHz	3,7/3,6/3,3 GHz	6 MB	15 Watt
Intel Core i5-1035G4	4/8	1,1 GHz	3,7/3,6/3,3 GHz	6 MB	15 Watt
Intel Core i5-1035G1	4/8	1,0 GHz	3,7/3,6/3,3 GHz	6 MB	15 Watt
Intel Core i5-1034G1	4/8	0,8 GHz	3,6/3,6/3,3 GHz	6 MB (?)	15 Watt
Intel Core i3-1005G1	2/4	1,2 GHz	3,4/3,4/– GHz	4 MB	15 Watt
Bezeichnungen nicht final bestätigt

Erste Einschätzung

Intel schickt sich an, die Messlatte im Notebook erneut höher zu legen. Der im Durchschnitt zu erwartende Sprung in der IPC in Höhe von 18 Prozent wird gegenüber Whiskey Lake-U zu Anfang allerdings nicht durchschlagen, denn die ersten Ice-Lake-Prozessoren takten mit maximal 3,9 zu maximal 4,8 GHz auch rund 20 Prozent niedriger. Die Einkern-Leistung steigt deshalb absolut auch in Intels Vergleich nur einstellig, wie es in Mehr-Kern-Last-Szenarien aussieht, bleibt abzuwarten. Sollte sich das Turbo-Verhalten nicht deutlich geändert haben, dürfte es jedoch ähnlich aussehen. Das gilt auch in Bezug auf die zweifelsohne deutlich schnellere iGPU, die Intel sogar vor AMDs aktuellen Vega-Variante in Ryzen 3000 Mobile sieht. Unabhängige Benchmarks gibt es auch hier noch nicht.

Ice Lake soll aber nicht nur mit mehr Leistung bei CPU und GPU punkten, auch die Integration moderner Features steht im Fokus. Das macht potentiell noch kompaktere Systeme möglich, wobei die neue minimale TDP von 9 Watt hinter Notebooks für klassische 5-Watt-TDP-CPUs erst einmal ein Fragezeichen stehen lässt. Auch wie sich die Leistung von CPU und GPU verhält, wenn Thunderbolt am TDP-Budget nagt, ist im Detail noch nicht geklärt. Intel erklärt lediglich: CPU und GPU haben Vorrang.

Der Ausblick auf das neue Dell XPS 13 2-in-1 ist dennoch bereits ein interessanter: Vier Kerne auf kleinstem Raum gepaart mit voller Ausstattung und 16 Stunden Akkulaufzeit sind eine Ansage. Bis erste Produkte im Handel stehen, werden allerdings noch einige Wochen vergehen. Ende Juli heißt es, sollen die ersten ausgeliefert werden.

So lange dürfte es damit auch dauern, bis wirklich verlässliche Aussagen zur Leistungsfähigkeit der signifikant verzögerten ersten 10-nm-CPUs von Intel in Großserie möglich sind und wie sie sich im Vergleich zu AMDs neue APU-Generation Picasso auf Basis von Zen+ und den extrem hoch taktenden Vorgänger Whiskey Lake-U schlägt. Auf dem anderen Blatt stehen die Preise und die Verfügbarkeit. Und noch eine Frage bleibt Ende Mai offen.

Keine Aussage zur Sicherheit

Keine offizielle Aussage getroffen hat Intel vorab zur Umsetzung von Hardware-Gegenmaßnahmen, die die teilweise seit Nehalem bis hin zu Skylake mitgeschleppten Sicherheitslücken Meltdown, Spectre, Foreshadow und zuletzt Zombieload betreffen. Es gilt aber als gesichert, dass die neuen Prozessoren mindestens das Level von Cascade Lake haben, die einen teilweisen Hardwareschutz bieten, aber immer auch noch auf Microcode-Updates und Software angewiesen sind.

ComputerBase hat die Informationen zu diesem Bericht von Intel unter NDA erhalten. Einzige Vorgabe war der Zeitpunkt zur Veröffentlichung, der von Intel festgesetzt worden war. Der Bereitstellung dieser Materialien war die Teilnahme an einer Presseveranstaltung Mitte Mai in San Jose, USA, vorausgegangen. Die Kosten für An- und Abreise sowie Unterkunft wurden von Intel getragen.

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