Intel Core i-5000U: Broadwell hört im Schlaf aufs Wort

CES 2015

Intels Prozessorgeneration Core i-5000U mit Broadwell -Technik ist da. Mal wieder steigt die Grafikleistung, der neue Audio-DSP unterstützt Microsofts Sprachassistentin Cortana. Wie beim Core M hängt die Geschwindigkeit aber von vielen Faktoren ab.

5. Januar 2015 um 16:12 Uhr / Von Marc Sauter , Nico Ernst

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Ein Broadwell-U mit zwei CPU-Kernen und GT3-Grafikeinheit (Bild: Intel) — Ein Broadwell-U mit zwei CPU-Kernen und GT3-Grafikeinheit Bild: Intel

Anderthalb Jahre nach der vierten hat Intel die fünfte Core-i-Generation für Ultrabooks vorgestellt. Testmuster oder gar käuflich zu erwerbende Geräte gibt es vorerst nicht, dafür spannende technische Neuerungen und interessante Vergleiche mit den Vorgängern. Der Codename für die fünfte Core-i-Generation für Ultrabooks lautet Broadwell-U, die heute angekündigten Modelle sind damit die Nachfolger der im Sommer 2014 veröffentlichten Haswell-U .

Die Core-i-5000U-Prozessoren spezifiziert Intel weiterhin mit einer Thermal Design Power von 15 oder 28 Watt, der Core M alias Broadwell-Y ist auf bis zu 6 Watt beschränkt. Dem Tick-Tock-Modell(öffnet im neuen Fenster) zufolge ist Broadwell ein Tick: Eine vorhandene Architektur wird in einem neuen Fertigungsprozess gefertigt ("Shrink"), zudem erhöht Intel die Anzahl der Funktionseinheiten in der integrierten Grafikeinheit und verbessert deren Technik.

Bild 1/18: Broadwell-U ist kleiner, sparsamer und schneller als Haswell-U. (Bild: Intel)

Bild 2/18: Der Audio-DSP lauscht auf Sprachbefehle und weckt dann den Prozessor. (Bild: Intel)

Bild 3/18: Broadwell-U ist ein Multi-Chip-Modul, besteht aus Prozessor und PCH. (Bild: Intel)

Bild 4/18: Broadwell-U und Broadwell-Y im Vergleich (Bild: Intel)

Bild 5/18: Broadwell soll pro Takt rund 5 Prozent schneller rechnen als Haswell. (Bild: Intel)

Bild 6/18: Je nach Broadwell-Modell verfügt die Grafikeinheit über 12, 24 oder 48 Shader-Blöcke. (Bild: Intel)

Bild 7/18: In jeder Sub-Slice sitzen acht Shader-Blöcke. (Bild: Intel)

Bild 8/18: Jeder Shader-Block bietet sieben Ausführungseinheiten. (Bild: Intel)

Bild 9/18: Die Broadwell-Grafikeinheit bietet ein besseres Verhältnis aus Shader- und Textur-Leistung. (Bild: Intel)

Bild 10/18: Broadwell-U soll sparsamer arbeiten als Haswell-U, ein Teil der Einsparungen kommt durch den Audio-DSP und das neue WLAN-Modul. (Bild: Intel)

Bild 11/18: Der 14-nm-FinFET-Prozess reduziert die Leckströme und Spannungen. (Bild: Intel)

Bild 12/18: Der überarbeitete Platform Controller Hub ist sparsamer als zuvor. (Bild: Intel)

Bild 13/18: Das neue WLAN-Modul spart Energie und ist effizienter. (Bild: Intel)

Bild 14/18: 28-Watt-Modelle von Broadwell (Bild: Intel)

Bild 15/18: 15-Watt-i57/i5-Modelle von Broadwell (Bild: Intel)

Bild 16/18: 15-Watt-i3/Pentium/Celeron-Modelle von Broadwell (Bild: Intel)

Bild 17/18: Von links nach rechts: Broadwell-Y im SSF, Broadwell-U, Haswell-U (Bild: Nico Ernst/Golem.de)

Bild 18/18: Broadwell-U-Geräte sollen im Frühling 2015 erscheinen. (Bild: Intel)

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Details zur Broadwell-Architektur und dem 14-Nanometer-FinFET-Verfahren samt FIVRs haben wir bereits veröffentlicht, einige Neuerungen mangels Informationen von Intel jedoch nur angerissen. Hierzu gilt es, den grundlegenden Aufbau eines Systems mit einem Broadwell-U zu kennen: Intel kombiniert Prozessor und Platform Controller Hub auf einem Träger zu einem Multi-Chip-Modul, der Vorstufe eines System-on-a-Chip.

Im Prozessor sitzen die CPU-Kerne, die Grafikeinheit, der Last-Level-Cache und der System Agent inklusive Speicher- sowie Displaycontroller. Anschlüsse wie die PCIe-Lanes für die M.2-Schnittstelle , die Sata-6-GBit/s- und USB-3.0-Ports stellt der Platform Controller Hub ("Wildcat Point"), ebenso wie einen Teil der Audio-Lösung. Bisher verwendete Intel meist einen verlöteten Realtek-Chip, der den Audio-DSP und einen Codec (D/A-A/D-Wandler) kombinierte.

Dieser Verbund ist bei Broadwell keiner mehr, denn der Audio-DSP wandert in den PCH, der Codec bleibt auf dem Mainboard. Das ist ein kluger Schachzug von Intel, der neue Möglichkeiten und Spracherkennung auf Ultrabooks bietet.

Smart Sound Technology für Cortana

Die von Intel blumig als Smart Sound Technology umschriebene Audio-Lösung weist mehrere Vorteile auf: Durch den im PCH integrierten Audio-DSP müssen weniger Leitungen über die Platine verlaufen, einzig ein serieller I2C(öffnet im neuen Fenster) / I2S(öffnet im neuen Fenster) -Bus hin zum Code wird benötigt. Der Audio-DSP dekodiert MP3- sowie ACC-Streams und kümmert sich um Sound-Nachbearbeitung für Musik oder Filme. Das klappt aber nur mit DTS (Digital Theater Systems) und nicht mit dem Dolby-Standard.

Zudem unterstützt die Smart Sound Technology nun Wake on Voice: Während bei Wake on (Wireless) LAN der Rechner per Netzwerk-Aktivität erwacht, reagiert er bei Broadwell auf Spracheingaben wie Cortana , selbst wenn sich Windows im Connected Standby ( Instant Go ) befindet. Der Prozessor verharrt im C0-Schlafmodus , erst der Audio-DSP weckt ihn auf.

Schlaues Detail: Das Gigabit-Ethernet und die WLAN-Steckkarte sind ebenfalls an den PCH angebunden, Intel nutzt hierfür mehrere PCIe-Lanes. Den Audio-DSP ebenfalls dort zu integrierten und auch mit einer Wake-on-Funktion zu versehen, war der nächste logische Schritt. Dieser erfolgte bereits bei Haswell, was Intel aber erst mit den Broadwell-Datenblättern bekanntgab.

Hintergrund könnte Windows 10 sein: Die Sprachassistentin Cortana ist Bestandteil des noch nicht veröffentlichten Betriebssystems, erst im Januar dürfte eine Technical Preview mit Cortana zum Download bereitstehen. Da es keine Ultrabooks ohne Microsoft-Betriebssystem gibt, wollte Intel offenbar warten, bis entsprechende Software als Standard vorhanden ist.

Anders als beispielsweise Kinect bei der Xbox One dürfte Intels Lösung nicht fünf, sondern weniger als ein Watt benötigen. Der Zuruf "Hey Cortana" dürfte das Ultrabook innerhalb von Millisekunden wecken und es den direkt folgenden Sprachbefehl erkennen lassen, etwa einen Skype-Anruf.

Da Windows 10 erst in einigen Monaten erscheint, halten wir es für wahrscheinlich, dass Intel für die Spracherkennung auf Ultrabooks vorerst auf eine eigene Lösung setzt. Durchgesickerten Informationen zufolge nennt der Hersteller diesen persönlichen Assistenten intern "Genie".

Einen Teil der Sound-Nachbearbeitung (Post-Processing) übernimmt die Grafikeinheit von Broadwell-U, die mehr als zuvor für allgemeine Berechnungen, sogenanntes GPGPU(öffnet im neuen Fenster) -Computing, ausgelegt ist. Hierfür hat sich Intel einige technische Verbesserungen einfallen lassen.

Neue Grafik- und CPU-Architektur

Für die Broadwell-U fertigt Intel zwei unterschiedliche Siliziumplättchen. Das kleinere entspricht dem auch für die Core M (Broadwell-Y) verwendeten. Auf einer Fläche von 82 mm² befinden sich 1,3 Milliarden Transistoren. Diese Version nutzt zwei Prozessorkerne mit Hyperthreading und eine Grafikeinheit mit 24 Shader-Blöcken, Execution Units genannt. Die größere bringt es auf 133 mm² sowie 1,9 Milliarden Transistoren und verdoppelt die Anzahl der Execution Units auf 48.

Zum Vergleich: Haswell-Y mit 22- statt 14-Nanometer-Fertigung misst 131 mm² und beinhaltet 960 Millionen Schaltungen, Haswell-U kommt auf 181 mm² und 1,3 Milliarden Transistoren. Beide Varianten bieten zwei Prozessorkerne mit Hyperthreading und nur 20 oder 40 Execution Units sowie eine ältere Architektur (Haswell und Graphics Gen7.5).

Die von Intel beim CPU-Teil von Broadwell vorgenommenen Verbesserungen sollen die Leistung pro Takt um etwa fünf Prozent steigern. Hierzu hat der Hersteller unter anderem den L2-Cache-TLB vergrößert, der nun 1.500 statt 1.000 Einträge speichert, wie üblich die Sprungvorhersage überarbeitet, neue Kryptographie-Instruktionen ( PDF(öffnet im neuen Fenster) ) integriert und flottere Lade-/Speicher-Einheiten sowie ein größeres Out-of-Order-Fenster entwickelt.

Spannender ist die überarbeitete Grafikeinheit (Graphics Gen8): Bei Haswell besteht diese physikalisch aus einer sogenannten Common-Slice und zwei Sub-Slices mit jeweils zehn Executions Units (GT2 alias HD Graphics 4x00) oder zwei Common-Slices und insgesamt vier Sub-Slices (GT3 alias HD/Iris Graphics 5x00). Bei der GT1-Version wird schlicht eine der beiden Sub-Slices der GT2 deaktiviert, Intel nennt diese HD Graphics ohne Suffix.

Bei der Graphics Gen8 koppelt Intel bei der GT3 (HD/Iris Graphics 6x00) insgesamt sechs Sub-Slices mit je acht Execution Units an zwei Common-Slices an, das ergibt 48 Shader-Blöcke. Die GT2-Variante (HD Graphics 5x00) mit ihren 24 Execution Units setzt sich folgerichtig aus einer Common-Slice mit drei Sub-Slices zusammen. Für die GT1-Variante deaktiviert Intel zwei Executions Units pro Sub-Slice, von denen jede dann sechs statt acht Execution Units nutzt, also zwölf insgesamt.

Die Common-Slice enthält unter anderem den L3-Cache, auf den alle Sub-Slices zugreifen. Bei der Haswell-Gen7.5 fasst der L3 pro Common-Slice 256 KByte, bei der Broadwell-Gen8 hingegen 384 KByte. Größere Caches bedeuten, dass die Grafikeinheit seltener Daten aus dem Arbeitsspeicher laden muss, die Auslastung der Einheiten verbessert sich. Zwar teilen sich 12/24 statt 10/20 Execution Units den L3-Cache, pro Einheit steht aber mehr L3-Puffer bereit. Das Resultat: Geschwindigkeit und Effizienz steigen.

Am L1-Cache jeder Sub-Slice ändert sich nichts, dennoch bleiben unterm Strich 20 Prozent mehr Rechenleistung bei gleichem Takt zuzüglich Architekturverbesserungen. Zu diesen zählen neben dem größeren L3-Cache die Textureinheiten: Jeder sogenannte Sampler umfasst vier TMUs, die pro Takt nun 50 Prozent mehr Durchsatz schaffen. Die überarbeiteten Execution Units führen Integer-Berechnungen bei einfacher Genauigkeit doppelt so flott aus.

Die Graphics Gen8 unterstützt die Direct3D-11.2-, die OpenGL-4.3- und die OpenCL-2.0-Schnittstelle. Intel bezeichnet die GPU zudem als "DirectX 12 Ready" , geht aber nicht ins Detail. Vermutlich verringert die API bei Broadwell nur den CPU-Overhead, Funktionen wie die Tiled Resources hat Intel nicht benannt.

Alle Broadwell-Grafikeinheiten unterstützen Ultra-HD, also 3.840 x 2.160 Pixel. Via Displayport 1.2 oder Embedded Displayport klappt das bei 60 Hz, mit HDMI 1.4a sind es nur sehr ruckelige 24 Hz.

Erneut effizienterer Prozessor

Intel hat bei der Broadwell-Generation an vielen Punkten die Leistungsaufnahme für verschiedene Betriebsmodi optimiert. Ein wesentlicher Unterschied zu Haswell ist die 14-Nanometer-FinFET-Fertigung: Durch den Shrink sind geringere Chipspannungen möglich, Intel spricht von 10 Prozent weniger. Die zulässige Maximaltemperatur liegt unter der von Haswell, dies verringert die Leistungsaufnahme durch reduzierte Leckströme. OEM-Herstellern gibt Intel zudem weiterhin die Option, die TDP der Prozessoren zu senken – beispielsweise von 15 auf 9,5 Watt.

Die integrierte Grafikeinheit wird nun im Betrieb häufiger von der Stromzufuhr getrennt, Intel spricht von bis zu einem Achtel der Zeit, in der die GPU aktiv ist. Dies ist beispielsweise beim Betrachten von Videos der Fall: Per Media Buffer Optimization wird bei 24-fps-Material und einer Wiederholrate von 60 Hz ein Frame dreimal und der darauf folgende Frame zweimal dargestellt – aber vom Displaycontroller statt von der Grafikeinheit. Der gleiche Trick greift beim ruhenden Desktop, wenn sich der Bildschirminhalt nicht ändert. Ohne MBO müsste die GPU ständig neue Frames ans Display schicken.

Der überarbeitete Broadwell-Low-Power-PCH wird weiterhin im 32-Nanometer-Prozess gefertigt. Intel möchte durch Optimierungen verglichen mit dem Haswell-LP-PCH eine um 20 bis 25 Prozent geringere Leistungsaufnahme im Leerlauf wie im aktiven Betrieb erreicht haben. Die Power Control Unit im PCH soll nun schneller reagieren, also Chipteile flotter wecken oder schlafen legen, beispielsweise den Audio-DSP für Spracheingaben.

Intel spricht von einer Verbesserung der Akkulaufzeit im Leerlauf von einer Stunde auf 10,1 Stunden und um anderthalb Stunden auf 8,7 Stunden beim Betrachten eines lokal gespeicherten 720p-Videos. Als Vergleichsplattformen dienen ein Core i7-5600U und Core i7-4600U mit ansonsten identischem Gerät, jedoch mit zwei Ausnahmen: Das Broadwell-Ultrabook verwendet den integrierten Audio-DSP und das neue, sparsamere ac-WLAN-Modul 7265, das Haswell-Gerät einen externen Realtek-Sound und das ältere 7260.

Die Diagramme zeigen, dass die neue Audio- sowie WLAN-Lösung und das simplere Mainboard die Leistungsaufnahme verringern, auch das von Intel als System-on-a-Chip bezeichnete Multi-Chip-Modul benötigt weniger Energie für die gleiche Aufgabe. Im Umkehrschluss müsste diese bedeuten, dass Broadwell bei ähnlicher Leistungsaufnahme schneller arbeitet – aber ist dem auch so?

Die Sache mit den Taktraten

Intel sortiert die neuen Broadwell-U-Chips wie ihre Vorgänger in zwei TDP-Klassen ein: 15 und 28 Watt. Wir haben drei bisherige und drei neue Prozessoren verglichen, genauer gesagt die jeweiligen preisgleichen Nachfolger. Kleinstes Modell ist der Core i5-5300U, der den Core i5-4300U ersetzt, wie er im Surface 3 Pro steckt. Den Core i7-4650U und den Core i5-4558U setzt Apple im Macbook Air und Macbook Pro ein, die jeweiligen Nachfolger dürften in der Early-2015-Generation stecken.

Vergleich der Spezifikationen populärer Prozessoren
	Kerne	CPU	2C/1C-Turbo	Grafik	GPU	Turbo	Speicher	TDP	Listenpreis
Core i7-5557U	2 + HT	3,1 GHz	3,4 GHz	48 EUs	300 MHz	1.100 MHz	DDR3-1866	28W	426 USD
Core i7-4558U	2 + HT	2,8 GHz	3,1 / 3,3 GHz	40 EUs	200 MHz	1.200 MHz	DDR3-1600	28W	426 USD
Core i7-5650U	2 + HT	2,2 GHz	3,1 / 3,2 GHz	48 EUs	300 MHz	1.000 MHz	DDR3-1866	15W	426 USD
Core i7-4650U	2 + HT	1,7 GHz	2,9 / 3,3 GHz	40 EUs	200 MHz	1.100 MHz	DDR3-1600	15W	426 USD
Core i5-5300U	2 + HT	2,3 GHz	2,7 / 2,9 GHz	24 EUs	300 MHz	900 MHz	DDR3-1600	15W	281 USD
Core i5-4300U	2 + HT	1,9 GHz	2,6 / 2,9 GHz	20 EUs	200 MHz	1.100 MHz	DDR3-1600	15W	281 USD

Beim Core i5-4300U und Core i5-5300U fällt uns auf, dass der CPU-Basistakt deutlich höher liegt – 2,3 statt 1,9 GHz sind plus 22 Prozent zuzüglich der besseren Leistung pro Takt. Die Praxiserfahrung mit dem Core i5-4300U zeigt, dass dieser selbst bei gleichzeitiger Belastung der Grafikeinheit seinen Basistakt hält. Beim Turbo schrumpft der Abstand zwischen dem 4300U und dem 5300U, die maximale Frequenz ist identisch.

Spannender ist die Grafikeinheit: Der 5300U bietet 24 statt 20 Execution Units, diese takten aber nur mit bis zu 900 statt mit bis zu 1.100 MHz – auf dem Papier macht das 346 zu 352 Gflops, also theoretisch kaum ein Vorteil für Broadwell. Sofern nur die GPU rechnet, wird die HD Graphics 5500 des Core i5-5300U ein wenig schneller sein als die HD Graphics 4400 des Core i5-4300U. Sobald aber auch die Prozessorkerne arbeiten, dürfte die Broadwell-Grafikeinheit häufiger ihre maximale Frequenz erreichen als die HD Graphics 4400.

Der Vergleich des Core i7-4650U und des Core i7-5650U zeigt, dass letzterer zwar einen deutlich höheren CPU-Basistakt und einen etwas besseren Zweikern-Turbo bietet, der Singlecore-Boost ist allerdings geringer. In der Praxis schätzen wir den Anstieg der Prozessorgeschwindigkeit größer ein als vom 4300U auf den 5300U. Das dürfte auch für die Grafikeinheit gelten, hier taktet die HD Graphics 5000 nur 10 Prozent höher als die HD Graphics 5500 – die HD Graphics 4400 ist 22 Prozent flotter als die HD Graphics 5300. Zudem hat die HD Graphics 5500 verglichen mit der HD Graphics 5000 20 Prozent mehr Execution Units und dank DDR3-1866 zudem die höhere Datentransfer-Rate.

Die beiden 28-Watt-Prozessoren Core i5-4558U und Core i5-5557U liegen hinsichtlich ihrer Taktraten eng beieinander. Unter Last sollte der Broadwell-Chip zwar seine leicht höheren Frequenzen häufiger erreichen, allerdings greifen hier die Verbesserungen bei der Leistungsaufnahme weniger als bei den 15-Watt-Modellen.

Verfügbarkeit und Fazit

Stand heute sind noch keine Ultrabooks oder Macbooks mit Intels neuen Core-i-5000U-Prozessoren verfügbar. Der offizielle Verkaufsstart ist unseren Informationen zufolge erst Mitte bis Ende Januar, passend zu Microsofts Windows-10-Event am 21. Januar 2015. Hier könnten beide Partner beispielsweise die Sprachassistentin Cortana vorstellen und zeigen.

Intel macht großen OEM-Herstellern den Umstieg von Haswell-U auf Broadwell-U vergleichsweise leicht: Das alte und das neue Package sind Pin-kompatibel, auch die Größe ist mit 960 mm² identisch. Für besonders schlanke Geräte gibt es zudem ein Multi-Chip-Modul im kompakten Small-Form-Factor (SFF), welches auch beim Core M eingesetzt wird. Dieses ist knapp einen halben Millimeter flacher und misst nur 495 mm².

Für günstigere Geräte hat Intel außer den Core i-5000U noch einen Pentium und zwei Celerons mit Broadwell-Technik vorgestellt. Diese Prozessoren schließen die Lücke zwischen den Pentiums und Celerons auf Silvermont-Basis, wie sie in einigen Netbooks oder niedrigpreisigen Notebooks stecken.

Intel selbst gibt als Starttermin für die neue Generation nur grob den Frühling 2015 an, es dürfte daher bis Februar oder März dauern, bis es eine breitere Auswahl an Geräten auf Broadwell-U-Basis gibt. Einer der Großabnehmer wird Apple: Wir erwarten ein neues Macbook Air mit einem Core M oder einem 15-Watt-Broadwell und ein Macbook Pro mit einem der neuen 28-Watt-Modelle.

Verglichen mit dem Sprung von Ivy Bridge auf Haswell sind die Geschwindigkeitszuwächse bei Broadwell eher gering. Vielmehr liegt der Fokus auf einer moderneren Grafikeinheit und einer höheren Effizienz zugunsten einer erneut gestiegenen Akkulaufzeit. Wir sind daher auf die ersten Geräte wie Lenovos X1 Carbon mit 15-Watt-Broadwell-Chip gespannt.

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