Intel Alder Lake im Test: Leistung und Effizienz P- vs. E-Core

Wie effizient ist die Hybrid-Architektur?

Die Benchmarks auf Seite 1 haben ergeben: Ein P-Core leistet je nach Anwendung und abhängig davon, ob er im Cluster von Hyper-Threading profitiert, knapp doppelt so viel bis deutlich mehr als ein E-Core und belegt dafür ca. die vierfache Fläche auf dem Die.

Der Einsatz der kleinen Kerne zielt offiziell auf Effizienz, nicht zuletzt hat Intel die kleinen Kerne auch Efficiency-Cores (E-Cores) getauft und die Energieeffizienz der Architektur wiederholt hervorgehoben. Also, wie effizient ist Alder Lake?

Alder Lake 65 W schlägt Rocket Lake 250 Watt

Intel hat die Frage im Vorfeld der Markteinführung nicht direkt, sondern mit einer viel beachteten Folie beantwortet: Der Hersteller hatte in Aussicht gestellt, dass der Core i9-12900K bei vergleichbar hoher Leistungsaufnahme von 241 Watt 50 Prozent schneller ist als der Vorgänger und, auf den ersten Blick noch viel beachtlicher, mit nur 65 Watt dem Core i9-11900K mit 250 Watt in der Leistung in nichts nachsteht. Das klingt nach einer hohen Effizienz der neuen Architektur.

ComputerBase-Benchmarks zeigen: Intels Vergleich ist korrekt. Im Testparcours der Redaktion liegt der Core i9-12900K mit harten 65 Watt TDP sogar drei Prozent vor einem Core i9-11900K, der bis zu 250 Watt verbrauchen darf. Ohne Frage, Alder Lake-S ist effizienter als Rocket Lake-S. Doch bei genauerer Betrachtung erscheinen Intels präsentierte Fixpunkte in einem anderen Licht.

Zum einen hat Intel einen sehr effizienten Betriebsmodus der Alder-Lake-CPU (65 Watt) mit dem ineffizientesten des Vorgängers verglichen. Zum anderen ist der Vergleichspartner schon per se extrem ineffizient: Rocket Lake-S als Core i9 mit extrem hoch taktenden 14-nm-Kernen, die für 10 nm vorgesehen waren. Wird AMD Ryzen 5000 zum Vergleich herangezogen, erscheint Alder Lake direkt in einem anderen Licht. Und zwar an beiden Enden der von Intel gezogenen Vergleichsskala.

AMD Zen 3 ist effizienter

Am oberen Leistungsende zeigt sich: Ein Ryzen 9 5950X mit 16 „großen“ Zen-3-Kernen ist mit 142 Watt (max. dauerhafte Leistungsaufnahme ab Werk) schneller als ein Core i9-12900K mit bis zu 241 Watt, also wesentlich effizienter. Und auch in der 65-Watt-Region wird es eng für Alder Lake. Denn obwohl Ryzen 5000 mit Zen-3-Kernen schon unter Volllast vergleichsweise wenig Energie verbraucht, kann auch diese Architektur noch einmal wesentlich effizienter arbeiten, wenn der Takt gesenkt wird.

Konkret bedeutet das: Ein Ryzen 9 5950X im Eco-Modus mit maximal 88 Watt schlägt einen Core i9-12900K mit 88 Watt im Parcours der Redaktion um 8 Prozent, die von Intel hervorgehobene 65-Watt-Konfiguration sogar noch um 33 Prozent (bei 35 Prozent höherem Verbrauch). Ein Test des Ryzen 9 5950X mit 65 Watt steht zwar noch aus, viel nehmen dürften sich beide Plattformen auf diesem Level allerdings nicht – AMDs klassischer Ansatz mit einem Typ Kern ist Intels Hybrid-Ansatz hier mindestens ebenbürtig und am oberen Leistungsende weiterhin klar überlegen.

Mehr E-Cores sind besser als mehr Takt der P-Cores

Bringen die effizienten E-Cores von Alder Lake am Ende gar nichts? ComputerBase hat den Core i9 in verschiedenen TDP-Klassen jeweils mit und ohne aktive E-Cores getestet und die Antwort auf die Frage lautet mit Blick auf die Ergebnisse spontan: Doch, E-Cores bringen viel Effizienz.

Konfiguration				Takt		Temperatur		Leistung*
PL1	PL2	P-Cores	E-Cores	P-Cores	E-Cores	P-Cores	E-Cores
offen (283 Watt)		8	8	4.897 MHz	3.700 MHz	90 °C	73 °C	100 %
offen (255 Watt)		8	0	4.840 MHz	–	93 °C	–	76 %
125 Watt		8	8	4.166 MHz	3.257 MHz	50 °C	43 °C	91 %
125 Watt		8	0	4.250 MHz	–	53 °C	–	69 %
88 Watt		8	8	3.500 MHz	2.801 MHz	39 °C	36 °C	79 %
88 Watt		8	0	3.768 MHz	–	42 °C	–	63 %
65 Watt		8	8	2.973 MHz	2.400 MHz	33 °C	31 °C	69 %
65 Watt		8	0	3.373 MHz	–	35 °C	–	56 %
* Leistungsrating Multi-Core-Anwendungen, ohne Limit normiert auf 100 Prozent.

Alder Lake ist mit 8+8 Kernen in jedem TDP-Korsett (frei, 125 Watt, 88 Watt, 65 Watt) immer wesentlich schneller als Alder Lake mit 8+0 Kernen, also wesentlich effizienter unterwegs. Neben den P-Kernen noch E-Kerne zu nutzen, hebt die Effizienz (mehr Leistung bei gleichem Verbrauch) also an.

Die nachfolgende Analyse der Effizienz der beiden Kern-Typen von Alder Lake wird allerdings nahelegen, dass dafür nicht primär E-Cores, sondern „mehr Kerne“ die Ursache sind.

Wie effizient sind P- und E-Core?

Um die Frage nach der Effizienz der Kerne zu beantworten, bedarf es der Kenntnis über den Verbrauch der Kerne unter Last. Das Problem: Gängige Tools geben bisher lediglich die CPU Package Power in Summe, aber keine Messwerte zu den Kernen aus. Auch in diesem Fall lautete das Motto die vergangenen Tage also messen, messen, messen und die gesammelten Daten auszuwerten.

Die nachfolgende Tabelle enthält die Informationen zu Taktraten, CPU Package Power und Laufzeit verschiedener Konfigurationen des Core i9-12900K ohne TDP-Limit – einmal ausgehend von 8+8 Kernen mit sinkender Anzahl P-, einmal mit sinkender Anzahl E-Kerne. Als Testszenario wurde der Corona Benchmark herangezogen, der nicht lange läuft und sehr gut reproduzierbare Ergebnisse abliefert. Für jede Änderung an der CPU-Konfiguration war ein Neustart notwendig.

Konfiguration		Takt		Package Power	Dauer	Energie
P-Cores	E-Cores	P-Cores	E-Cores
Leistung, Verbrauch und Effizienz in Abhängigkeit der E-Cores
8	8	4.899 MHz	3.700 MHz	200 Watt	56 s	11.200 Ws
8	6	4.901 MHz	3.700 MHz	188 Watt	60 s	11.280 Ws
8	4	4.900 MHz	3.900 MHz	177 Watt	64 s	11.328 Ws
8	2	4.900 MHz	3.900 MHz	166 Watt	69 s	11.454 Ws
8	1	4.900 MHz	3.900 MHz	160 Watt	73 s	11.680 Ws
8	0	4.900 MHz	–	211 Watt	76 s	16.036 Ws*
Leistung, Verbrauch und Effizienz in Abhängigkeit der P-Cores
8	8	4.899 MHz	3.700 MHz	200 Watt	56 s	11.200 Ws
6	8	4.900 MHz	3.700 MHz	157 Watt	68 s	10.676 Ws
4	8	5.000 MHz	3.700 MHz	129 Watt	87 s	11.223 Ws
2	8	5.100 MHz	3.700 MHz	93 Watt	123 s	11.439 Ws
1	8	5.100 MHz	3.700 MHz	67 Watt	155 s	10.385 Ws
* Der Core i9 zeigte im Test konsistent höhere Verbräuche, wenn alle E-Cores abgeschaltet waren.

Folgende wesentliche Erkenntnisse lassen sich aus den Messwerten in Bezug auf die Leistungsaufnahme der Kerne ziehen:

1. Die Anzahl der E-Cores zu reduzieren, senkt die CPU Package Power alle zwei E-Cores um elf bis zwölf Watt. Ein E-Core unter Volllast verbraucht demzufolge zwischen 5 und 6 Watt. Ob er mit 3,7 oder 3,9 GHz läuft, hat darauf allem Anschein nach wenig Einfluss.
2. Die Anzahl der P-Cores von 8 auf 6 zu senken, senkt die CPU Package Power um 43 Watt, was einen Verbrauch von rund 21 Watt je P-Core bei 4,9 GHz nahelegt.
3. Der Schritt von 6 auf 4 P-Cores hat wiederum nur noch einen Rückgang von 28 Watt zur Folge, was dem zu widersprechen scheint. Allerdings takten die verbleibenden vier P-Cores jetzt auch mit 5,0 statt 4,9 GHz, was offensichtlich deutliche Auswirkungen auf die Leistungsaufnahme hat. Andere Benchmarks im Artikel bestätigen, dass die letzten paar 100 MHz elektrische Leistung kosten. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache steht die Beobachtung nicht im Widerspruch zu etwas über 20 Watt Leistungsaufnahme unter Last je P-Core.
4. Der Testlauf in der Konfiguration 8+1 mit 160 Watt stützt dieses Ergebnis ebenso wie der Testlauf mit 1+8 mit 67 Watt (67 Watt – 8 × 5,5 Watt für E-Cores = 23 Watt).

Für den Core i9-12900K mit bis zu 5,2 GHz P- und bis zu 3,9 GHz E-Core-Takt ist also mit etwas über 20 Watt Leistungsaufnahme je P-Core und knapp 6 Watt Leistungsaufnahme je E-Core unter Volllast in Corona Benchmark 1.3 zu rechnen. Doch wie steht es um die Effizienz?

Effizienz ist Leistung pro Leistungsaufnahme

Cinebench und POV-Ray hatten für die P-Cores unter Multi-Core-Last inklusive Hyper-Threading im Durchschnitt 230 Prozent der Leistung eines E-Cores genannt. In Corona Benchmark 1.3 ist es aber offensichtlich noch etwas mehr.

Denn die Konfiguration 8+2 erzielt in etwa dieselbe Leistung wie die Konfiguration 6+8 (69 vs. 68 Sekunden). Es ergibt sich: Ein P-Core leistet in Corona Benchmark 1.3 bei den sich einstellenden Taktraten sogar das Dreifache eines E-Cores.

Weil der Verbrauch mit zuvor hergeleiteten 21 zu 6 Watt allerdings lediglich 3,5 Mal so hoch liegt, ist der P-Core am Ende kaum ineffizienter unterwegs. Das bestätigt auch die gemessene CPU Package Power für die gesamte CPU: Die Konfiguration 8+2 zieht 166 Watt für 69 Sekunden, die Konfiguration 6+8 157 Watt für 68 Sekunden. Die für den Benchmark aufgebrachte Energie lag demzufolge lediglich sieben Prozent höher.

Auch die anderen Konstellationen im Test bei nicht limitierter Leistungsaufnahme zeigen: Wie der Core i9-12900K in Corona Benchmark 1.3 konfiguriert wird, hat einen gravierenden Einfluss auf die Leistung, nicht aber auf die Effizienz. Die Konfiguration 1+8 ist zwar die effizienteste, so deutlich wie erwartet ist das Ergebnis allerdings nicht.

Wird diese Erkenntnis mit der Beobachtung, dass der Core i9 mit 8+8 effizienter arbeitet als mit 8+0, übereinandergelegt, liegt nahe: Nicht die E-Cores als solche sondern die gestiegene Anzahl an Kernen, die Leistungsaufnahme für ineffizient hohe Taktraten von den P-Cores auf effizienterem Niveau auf mehr Kerne abziehen, führen zu diesem Effekt. Weitere P-Cores hätten im Core i9 mit hoher Wahrscheinlichkeit bei hoher TDP denselben Effekt gehabt.

Bei 65 Watt TDP haben E-Cores einen größeren Effekt

Ob das auch für den Betrieb der CPU in einem engen TDP-Korsett gilt, hat ComputerBase ebenfalls noch getestet und die Benchmarks bei 65 Watt TDP (PL1 = PL2 = 65 Watt) wiederholt. Es zeigt sich: E-Cores zu nutzen, ergibt in diesem Fall schon eher Sinn, denn wird ihre Anzahl reduziert, können die P-Cores die wegfallende Leistung durch steigende Taktraten nicht ausgleichen – die Effizienz sinkt. Auf der anderen Seite lässt sie sich aber auch nicht durch das Deaktivieren von P-Cores steigern, denn weder die verbleibenden P-Cores noch die verbleibenden E-Cores können das freigewordene Leistungsbudget effizienter verwenden.

Konfiguration		Takt		Package Power	Dauer	Energie
P-Cores	E-Cores	P-Cores	E-Cores
Leistung, Verbrauch und Effizienz in Abhängigkeit der E-Cores
8	8	3.200 MHz	2.600 MHz	64 Watt	79 s	5.056 Ws
8	6	3.300 MHz	2.600 MHz	64 Watt	83 s	5.312 Ws
8	4	3.350 MHz	2.700 MHz	64 Watt	87 s	5.568 Ws
8	2	3.450 MHz	2.750 MHz	64 Watt	94 s	6.016 Ws
8	1	3.475 MHz	2.800 MHz	64 Watt	97 s	6.208 Ws
8	0	3.500 MHz	–	64 Watt	100 s	6.400 Ws
Leistung, Verbrauch und Effizienz in Abhängigkeit der P-Cores
8	8	3.200 MHz	2.600 MHz	64 Watt	79 s	5.056 Ws
6	8	3.500 MHz	2.800 MHz	64 Watt	88 s	5.632 Ws
4	8	4.050 MHz	3.200 MHz	64 Watt	100 s	6.400 Ws
2	8	4.730 MHz	3.700 MHz	64 Watt	125 s	8.000 Ws
1	8	5.060 MHz	3.700 MHz	64 Watt	155 s	9.920 Ws

Eine weitere interessante Erkenntnis dieser Messreihe ist: Auch im engen TDP-Korsett takten die P-Cores wesentlich höher als die E-Cores. Den E-Cores mehr Gewicht zu geben, ist also entweder auch bei 65 Watt TDP nicht sinnvoll, oder bei den ersten Desktop-SKUs nicht vorgesehen, weil Energieeffizienz gar nicht im Fokus stand.

Auch die Die-Fläche dürfte eine Rolle spielen

Alder Lakes erster 8+8-Die ist also zweifelsohne ein großer Sprung für Intel in Sachen Effizienz, gegenüber AMD Zen 3 holt Intel nach aktuellem Stand der Analyse aber höchsten im Sweet Spot auf und verschenkt – zumindest in Multi-Core-Anwendungen – jegliche Effizienz der Plattform für die letzten Prozent Leistung beim Core i9.

Im Detail scheint darüber hinaus zu gelten: Ob die E-Cores einen Intel Core der 12. Generation überhaupt effizienter machen, hängt von der Konfiguration der CPU und der Last ab. Beim Core i9 mit PL1=PL2=241 Watt hätte es die E-Kerne unter Volllast zumindest im exemplarisch herangezogenen Corona Benchmark nicht gebraucht.

Ohne TDP-Limit hätte der Core i9-12900K den Tests zufolge mit 10 P-Cores aber lediglich zwei bis vier E-Cores in Multi-Core-Anwendungen dieselbe Leistung beim selben Energieverbrauch erzielt. In Spielen, die von E-Cores in den Benchmarks nicht profitieren, hätte das eventuell sogar weitere Vorteile gebracht. Bei reduzierter TDP zeigt sich wiederum, dass die E-Cores ihren Vorteil haben, auch wenn er kleiner ist als angenommen. Dabei fällt ihr Verbrauch in der Tat niedrig aus, die Leistung ist es mit Skylake-IPC bei unter 4,0 GHz aber eben auch.

Gut möglich, dass das in zukünftigen Chips für Notebooks mit anderen Kern-Konfigurationen, Spannungen und Taktraten anders aussehen wird. Ebenso denkbar ist, dass die E-Cores nicht nur der Effizienz wegen, sondern auch aufgrund ihres kleinen Fußabdrucks auf dem Wafer für Intel von Nutzen sind. Mit Raptor Lake, bei dem es deutlich mehr E-Cores geben wird, könnte dieser Vorteil noch stärker zur Geltung kommen.

Eine abschließende Einordnung ist der Redaktion zum Marktstart trotz wahrer Benchmark-Orgien noch nicht möglich. Es fehlen weitere Messungen, auch mit festen Taktraten, um Intels erste Hybrid-CPUs für den Massenmarkt noch besser zu verstehen oder gar einen Ausblick auf das, was mit anders konfigurierten Chips mit weniger TDP und anderen Taktraten im Notebook kommt, geben zu können.

Ein Beispiel: Wird der Core i9-12900K mit 2+8 Kernen gefahren, den beiden P-Cores aber verwehrt, höher als 4,8 GHz zu takten, geht die Leistung nur um weniger als zwei Prozent zurück, die Leistungsaufnahme hingegen um 25 Prozent. Die freien 24 Watt Budget CPU Package Power könnten vier weitere E-Cores in deutlich mehr Leistung umsetzen. Die Analyse lässt sich endlos fortsetzen.

Konfiguration		Takt		Package Power	Dauer	Energie
P-Cores	E-Cores	P-Cores	E-Cores
Leistung, Verbrauch und Effizienz in Abhängigkeit der P-Cores
2	8	5.100 MHz	3.700 MHz	93 Watt	123 s	11.439 Ws
2	8	4.800 MHz*	3.700 MHz	69 Watt	125 s	8.625 Ws
* manuell beschränkt

Der Energiesparplan ist noch defekt

Im Testmarathon auf der Suche nach der Effizienz der Alder-Lake-Kerne und in Anbetracht der Erkenntnis, dass zumindest die ersten K-CPUs nicht darauf ausgelegt sind, kam der Redaktion der Windows-11-Energiesparplan „Energiesparmodus“ in den Sinn. In der Tat hatte dessen Auswahl einen interessanten Effekt: Die P-Cores werden auf maximal 1,8 GHz beschränkt, während die E-Cores weiterhin mit bis zu 3,9 GHz takten können. Das Ergebnis ist allerdings aus zweierlei Perspektiven ernüchternd.

1. Bei maximal 95 Watt CPU Package Power erreicht die Kombination aus 1,8-GHz-P- und 3,9-GHz-E-Cores nur 77 Prozent der Multi-Core-Anwendungs-Leistung des Balanced-Profils mit 65-Watt-TDP-Grenze im BIOS; P-Cores bei 1,8 GHz sind demzufolge alles andere als effizient.
2. Der Windows 11 Scheduler legte Einzelkern-Lasten weiterhin auf die P-Cores, obwohl der mehr als doppelt so hoch taktende E-Core den Erkenntnissen auf der ersten Seite im Artikel zufolge schneller rechnen müsste.

Auch im PC Mark 10, der neben hohen im Wesentlichen niedrige bis mittlere Lasten auf den Prozessor legt, war das Ergebnis dementsprechend schlecht. Auf Nachfrage erklärte Intel: Das Profil ist noch defekt.

Windows 11 Energiesparplan	Package Power		Takt				Ergebnis
	Ø	max,	P-Cores (max.)	P-Cores (Ø)	E-Cores (max.)	E-Cores (Ø)
Höchstleistung	29 W	299 W	5.200 MHz	4.975 MHz	3.900 MHz	3.880 MHz	9.000 Pkt.
Ausbalanciert	22 W	284 W	5.100 MHz	2.573 MHz	3.900 MHz	2.044 MHz	8.700 Pkt.
Energiesparen	11 W	96 W	1.800 MHz	1.206 MHz	3.900 MHz	2.069 MHz	4.800 Pkt.