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14-nm-Node: Frequenzen und Kerne fordern Tribut

Dank der überarbeiteten Fertigung lief Anfang 2017 der Core i7-7700K dann auch mit bis zu 4,5 GHz und konnte sich klar vom Core i7-5775C absetzen. Die Skylake-Technik wurde als Kaby Lake verfeinert, per Speed Shift v2 können die CPUs signifikant schneller in höhere P-States takten als zuvor.

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Um endlich über die Frequenzen des 22-nm-Verfahrens hinaus zu kommen, legte Intel mit 14++ nm die wichtigste Stufe des Prozesses auf: Hierbei wurde der Gate Pitch der Transistoren von 70 nm auf 84 nm geweitet, sodass ein 24 Prozent höherer Stromfluss verglichen zu den ursprünglichen 14 nm anliegen kann. Zwar sind die CPU-Kerne so größer, die Taktraten aber höher.

An dieser Stelle ist ein Exkurs zum Nanometer-Marketing angebracht: Was Intel als 14 nm bezeichnet, ist hinsichtlich der FinFet-Performance und der SRAM-Zellen-Packdichte zwar nominell besser als das der Konkurrenz; genauer Samsungs Foundrys 14LPE/11LPP und TSMCs 16FF/12FFN. Auch optimiert Intel seine CPU-Designs und die eigene Fertigung extrem stark aufeinander (IDM, Integrated Device Manufacturing). Spätestens mit 14++ nm war aber zumindest die Transistordichte den Mitbewerbern praktisch nicht mehr überlegen.

  • 14 nm stellte das letzte Tock dar. (Bild: Intel)
  • 2013 war die Yield-Rate von 14 nm weit unter der von 22 nm. (Bild: Intel)
  • Erst 2014 näherten sich beide langsam an. (Bild: Intel)
  • Broadwell war das erste 14-nm-Design. (Bild: Intel)
  • Als Besonderheit gab es auch im Desktop-Segment einen L4-Cache. (Bild: Intel)
  • Die 128 MByte EDRAM - hier unten - sind ein spezieller Puffer, ... (Bild: 3DNews.ru)
  • ... welcher von den CPU-Kernen und der iGPU genutzt werden kann. (Bild: Intel)
  • Skylake sollte ab 2015 die dominierende Architektur werden. (Bild: Intel)
  • Hier der Die-Shot des Quadcore-Modells. (Bild: Intel)
  • Skylake brachte neben einer neuen uArch noch DDR4-Speicher mit. (Bild: Intel)
  • Verglichen mit Haswell/Broadwell wurde das Design breiter, ... (Bild: Intel)
  • ... auch Caches und Hyperthreading erhielten Verbesserungen. (Bild: Intel)
  • Dank 14+ stiegen die Taktraten, ... (Bild: Intel)
  • ... weil der Stromfluss höher ausfiel. (Bild: Intel)
  • Kaby Lake war die einzige Generation mit 14+ nm. (Bild: Intel)
  • Die Prozessoren takteten schneller hoch ... (Bild: Intel)
  • ... und hatten eine Hardware-Beschleunigung für H.265 sowie VP9. (Bild: Intel)
  • Mit 14++ folgte die zweite Iteration für einen noch höheren Stromfluss.  (Bild: Intel)
  • 2017 sah sich Intel deutlich vor der Konkurrenz, ... (Bild: Intel)
  • ... da deren 16/14 nm bei der Dichte der Logik-Transistoren... (Bild: Intel)
  • ... und der Dichte der SRAM-Zellen schelchter abschnitten. (Bild: Intel)
  • Mit Coffee Lake wurde 14++ für sechs Kerne genutzt. (Bild: Intel)
  • Der Core i7-8700K stellt den größten Sprung aller 14-nm-Designs dar. (Bild: Intel)
  • Allerdings erforderten die Chips mit dem LGA 1151 v2 einen neuen Sockel. (Bild: Intel)
  • Beim Coffee Lake Refresh legte Intel mit acht Kernen nach ... (Bild: Intel)
  • ... und verlötete erstmals seit Sandy Bridge wieder den Heatspreader. (Bild: Intel)
  • Der Z390 unterstützt USB 3.2 Gen2, damals noch USB 3.1 Gen2 genannt. (Bild: Intel)
  • Mit Comet Lake gab es 14+++ und zehn Skylake-basierte Kerne. (Bild: Intel)
  • Bei Rocket Lake erfolgte ein Rückschritt auf acht Cores, ... (Bild: Intel)
  • ... jedoch mit neuer Cypress-Cove-Architektur für eine höhere IPC. (Bild: Intel)
  • Überdies wurde die integrierte Grafik endlich aktualisiert ... (Bild: Intel)
  • ... und USB 3.2 Gen2x2 eingeführt. (Bild: Intel)
Dank 14+ stiegen die Taktraten, ... (Bild: Intel)

Zurück zu den Prozessoren und damit dem Core i7-8700K alias Coffee Lake in 14++ nm, dem ersten Mainstream-Hexacore von Intel. Dank sechs statt vier Kernen und bis 4,7 GHz wies dieser im Herbst 2017 den größten Performance-Zuwachs aller 14-nm-Generationen auf. Die gibt es jedoch nicht umsonst, denn die thermische Verlustleistung erforderte einen neuen Sockel mit mehr spannungsführenden Pins für eine Stromstärke von 138 statt 100 Ampere.

Offiziell läuft der Chip mit 95 Watt (PL1), viele Mainboard-Hersteller ignorieren aber dieses Power-Limit. In diesem Fall braucht der Core i7-8700K locker 150 Watt, damit die von Intel spezifizierten Taktraten überhaupt anliegen. Noch heftiger ist der Coffee Lake Refresh, denn der Core i9-9900K trat im Oktober 2018 mit acht verlöteten Kernen und bis zu 5 GHz an: Ungedrosselt braucht der Prozessor etwas über 200 Watt für volle Frequenzen.

Intel-Prozessoren

Eigentlich hatte Intel da schon längst auf 10 nm wechseln wollen, die erste Iteration war aber derart schlecht, dass vom Cannon-Lake-Design nur ein einziger Prozessor erschienen ist. Der Core i3-8121U kam Anfang 2018 mit deaktivierter Grafikeinheit in den Handel, erst 10+ nm eignete sich im Herbst 2019 für Ice Lake U und voll funktionsfähige Chips. Die Taktraten aber blieben hinter den Erwartungen zurück, erst 2020 konnte Intel mit 10++ nm (mittlerweile 10 nm Super Fin genannt) und Tiger Lake U wie geplant liefern.

i7-5775Ci7-6700Ki7-7700Ki7-8700Ki9-9900Ki9-10900Ki9-11900K
CodenameBroadwellSkylakeKaby LakeCoffee LakeCoffee Lake RComet LakeRocket Lake
Fertigung14 nm14 nm14+ nm14++ nm14++ nm14+++ nm14+++ nm
Die-Size*~170 mm²~120 mm²~130 mm²~150 mm²~180 mm²~200 mm²~270 mm²
μArchBroadwellSkylake Kaby LakeKaby LakeKaby LakeKaby LakeCypress Cove
CPU-Kerne4 + SMT 4 + SMT 4 + SMT 6 + SMT 8 + SMT 10 + SMT 8 + SMT
Takt3,3 bis 3,7 GHz4,0 bis 4,2 GHz4,2 bis 4,5 GHz3,7 bis 4,7 GHz3,6 bis 5,0 GHz3,7 bis 5,3 GHz3,5 bis 5,3 GHz
L3-Cache6 MByte8 MByte8 MByte12 MByte16 MByte20 MByte16 MByte
GrafikGT3e, Gen8GT2, Gen9GT2, Gen9.5GT2, Gen9.5GT2, Gen9.5GT2, Gen9.5GT2, Gen12 (Xe)
SpeicherDDR3-1600DDR4-2133DDR4-2400 DDR4-2666DDR4-2933DDR4-2933DDR4-3200
TDP (PL1)65 Watt91 Watt91 Watt95 Watt95 Watt125 Watt125 Watt
PL2, TAU81W, 28 sec114W, 28 sec114W, 28 sec119W, 28 sec119W, 28 sec250W, 56 sec251W, 56 sec
Intels 14-nm-Generationen im Überblick *keine offizielle Angabe

Also weiter mit Plan B, was bedeutete: 14+++ nm mit mehr Kernen und mehr Takt und mehr Verlustleistung. Der Core i9-10900K war der letzte seiner Art, trat er doch mit zehn Kaby-Lake-Cores und bis zu 5,3 GHz an. Damit er seine Performance ansatzweise ausspielen konnte, streckte Intel das kurzfristige Power-Limit (PL2) von 119 auf 250 Watt und verdoppelte dessen Dauer (TAU) von 28 auf 56 Sekunden; dauerhaft sind es 125 statt 95 Watt. Ohne Bremse genehmigt sich der Chip jedoch locker 250 Watt.

  • 14 nm stellte das letzte Tock dar. (Bild: Intel)
  • 2013 war die Yield-Rate von 14 nm weit unter der von 22 nm. (Bild: Intel)
  • Erst 2014 näherten sich beide langsam an. (Bild: Intel)
  • Broadwell war das erste 14-nm-Design. (Bild: Intel)
  • Als Besonderheit gab es auch im Desktop-Segment einen L4-Cache. (Bild: Intel)
  • Die 128 MByte EDRAM - hier unten - sind ein spezieller Puffer, ... (Bild: 3DNews.ru)
  • ... welcher von den CPU-Kernen und der iGPU genutzt werden kann. (Bild: Intel)
  • Skylake sollte ab 2015 die dominierende Architektur werden. (Bild: Intel)
  • Hier der Die-Shot des Quadcore-Modells. (Bild: Intel)
  • Skylake brachte neben einer neuen uArch noch DDR4-Speicher mit. (Bild: Intel)
  • Verglichen mit Haswell/Broadwell wurde das Design breiter, ... (Bild: Intel)
  • ... auch Caches und Hyperthreading erhielten Verbesserungen. (Bild: Intel)
  • Dank 14+ stiegen die Taktraten, ... (Bild: Intel)
  • ... weil der Stromfluss höher ausfiel. (Bild: Intel)
  • Kaby Lake war die einzige Generation mit 14+ nm. (Bild: Intel)
  • Die Prozessoren takteten schneller hoch ... (Bild: Intel)
  • ... und hatten eine Hardware-Beschleunigung für H.265 sowie VP9. (Bild: Intel)
  • Mit 14++ folgte die zweite Iteration für einen noch höheren Stromfluss.  (Bild: Intel)
  • 2017 sah sich Intel deutlich vor der Konkurrenz, ... (Bild: Intel)
  • ... da deren 16/14 nm bei der Dichte der Logik-Transistoren... (Bild: Intel)
  • ... und der Dichte der SRAM-Zellen schelchter abschnitten. (Bild: Intel)
  • Mit Coffee Lake wurde 14++ für sechs Kerne genutzt. (Bild: Intel)
  • Der Core i7-8700K stellt den größten Sprung aller 14-nm-Designs dar. (Bild: Intel)
  • Allerdings erforderten die Chips mit dem LGA 1151 v2 einen neuen Sockel. (Bild: Intel)
  • Beim Coffee Lake Refresh legte Intel mit acht Kernen nach ... (Bild: Intel)
  • ... und verlötete erstmals seit Sandy Bridge wieder den Heatspreader. (Bild: Intel)
  • Der Z390 unterstützt USB 3.2 Gen2, damals noch USB 3.1 Gen2 genannt. (Bild: Intel)
  • Mit Comet Lake gab es 14+++ und zehn Skylake-basierte Kerne. (Bild: Intel)
  • Bei Rocket Lake erfolgte ein Rückschritt auf acht Cores, ... (Bild: Intel)
  • ... jedoch mit neuer Cypress-Cove-Architektur für eine höhere IPC. (Bild: Intel)
  • Überdies wurde die integrierte Grafik endlich aktualisiert ... (Bild: Intel)
  • ... und USB 3.2 Gen2x2 eingeführt. (Bild: Intel)
Bei Rocket Lake erfolgte ein Rückschritt auf acht Cores, ... (Bild: Intel)

Erst für die allerletzte und aktuelle 14-nm-Generation wandte sich Intel von Kaby Lake ab: Der Core i9-11900K nutzt Cypress Cove, eine von Ice Lake sowie 10+ nm geborgte und auf 14+++ nm zurück portierte Architektur. Das bläht den Chip stark auf, selbst mit nur acht Kernen weist er 50 Prozent mehr Transistoren auf und ist gut ein Drittel größer. Angesichts der vergleichsweise wenig gestiegenen Performance und 300 Watt ohne Drossel wirkt dieses Frankenstein-Design grotesk, erfüllt aber wenigstens seinen Zweck.

Schauen wir uns nun an, wie sich die Leistung ausgehend vom Core i7-5775C über die Jahre entwickelt hat.

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Stromverbrauch66/86/58 Watt65/86/59 Watt10/66/65/71 Watt58/65/53 Watt30/35/28 Watt43/54/39 Watt
Kerne10c/20t10c/20t8c/16t10c/20t6c/12t,6c/12t
GrafikComet Lake GT2Comet Lake GT2Comet Lake GT2Comet Lake GT2-Comet Lake GT2
Basistakt3,7 GHz + Turbo3,6 GHz (4,8-5,2 GHz)3,8 GHz + Turbo2,8 GHz (4,3-5,2 GHz)2,9 GHz (4-4,3 GHz)4,1 GHz (4,5-4,8 GHz)
Prozess14 nm14 nm14 nm14 nm14 nm14 nm
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xPandamon 24. Apr 2021 / Themenstart

Dann vergleicht man vernünftig mit sowas wie einem 5800X, der weniger kostet und kaum...

Vögelchen 24. Apr 2021 / Themenstart

Genau gar nichts. Und abgesehen davon habe ich die gegen bessere getauscht und weiter...

ms (Golem.de) 18. Apr 2021 / Themenstart

Die neuen CPUs haben deutlich höhere Frequenzen und mehr Leistung pro Takt.

Smolo 16. Apr 2021 / Themenstart

Von welchen CE Geräten sprichst du denn? Die PocketPCs mit WinCE haben die Software...

ms (Golem.de) 16. Apr 2021 / Themenstart

Im Text steht's, in den Charts nicht (die sind mit Intel-Spec entstanden) ... der Fokus...

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