Nehalem für alle - Intel Core i5 und Core i7 auf Sockel 1156 im Test

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Der Uncore: Der neue Turbo-Modus



Wie gerade bereits erwähnt gehört die Steuerung der Taktfrequenzen der einzelnen Kerne zu einer Aufgabe der Power Control Unit (PCU). Dazu zählt auch das dynamische Übertakten belasteter Prozessorkerne um die Bearbeitung der aktuellen Aufgabe zu beschleunigen. Dafür muss allerdings die Leistungsaufnahme unterhalb der spezifizierten Thermal Design Power (TDP) liegen und die Kerntemperaturen müssen ebenfalls niedriger als die erlaubten Grenzwerte sein.

Diese "Turbo Boost Technology" oder kurz Turbo-Mode genannte Steuerung kann dabei nicht nur einen oder zwei Kerne übertakten, sondern ermöglicht – unter den beschriebenen Rahmenbedingungen – sogar eine Taktsteigerung für alle vier Kerne. Im Gegensatz zu den Bloomfield-Prozessoren besitzen die heute vorgestellten Lynnfield-Ableger allerdings einen wesentlich mächtigeren Turbo-Modus. War beim Bloomfield eine maximale Erhöhung um zwei Speed-Bins möglich, kann die PCU der Lynnfield-Varianten die Taktfrequenz um bis zu fünf Taktstufen erhöhen. Damit die volle Turbo-Boost-Funktionalität zur Verfügung steht, müssen im Übrigen die C-States im BIOS aktiviert sein. Ist dies nicht der Fall, muss man unter Umständen mit einem eingeschränkten Funktionsumfang leben.

LastBloomfieldLynnfield
Core i7 9xxCore i7 870Core i7 860Core i5 750
1 Kern+ 266 MHz+ 666 MHz+ 666 MHz+ 533 MHz
2 Kerne+ 266 MHz+ 533 MHz+ 533 MHz+ 533 MHz
3 Kerne+ 133 MHz+ 266 MHz+ 133 MHz+ 133 MHz
4 Kerne+ 133 MHz+ 266 MHz+ 133 MHz+ 133 MHz

Durch den Turbo-Modus will Intel dabei vor allem Single-Threaded-Applikationen oder schlecht parallelisierte Programme beschleunigen. Natürlich hilft diese Technik aber auch bei einer Software die alle Kerne auslastet und verspricht damit dem Endanwender schlussendlich eine CPU, die unter normalen Bedingungen mindestens um 133 MHz schneller taktet als es die Verpackung verheißt. Doch garantiert wird dieser zusätzliche Takt von Intel natürlich nicht.

Der höchstmögliche Takt dürfte dem Käufer hingegen nur selten begegnen, denn durch die Threadverwaltung aktueller Betriebssysteme wird bei einem stark belasteten Kern ein zweiter automatisch mitgenutzt. So kann beispielsweise der Start von CPU-Z während der Ausführung eines zweiten Programms dazu führen, dass der Takt nur um vier Speed-Bins gesteigert wird. Leider führt dieses Verhalten auch dazu, dass die Ergebnisse von Benchmarks mit aktiviertem Turbo-Mode nun einer deutlich größeren Streuung unterliegen. An dieser Stelle ist also durchaus Vorsicht geboten.

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Turbo Boost Technology beim Core i7 870

Doch leider ist nicht alles golden, was glänzt und so gibt es auch am Turbo Boost eine schlechte Seite. Um auch mit den gesteigerten Taktraten absolut sicher stabil zu laufen, steigert Intel mit jeder Takterhöhung auch die Versorgungsspannung. Das Geheimnis hinter dieser Technologie ist also schlicht und einfach eine ganz gewöhnliche Übertaktung und mit dieser geht natürlich auch eine gesteigerte Leistungsaufnahme einher.

Bereits bei den höchstgetakteten Bloomfield-Varianten fiel dieser Umstand unter extrem hoher Last mit Core2MaxPerf negativ auf. So drosselte die PCU in diesen Fällen die Taktfrequenz, weil die maximal erlaubte Leistungsaufnahme bereits erreicht war. Da die Lynnfield-Modelle nun wesentlich höhere Taktraten erlauben und dabei auch noch eine niedrigere TDP als ihre Bloomfield-Pendants besitzen, waren wir neugierig, ob es auch hier Fälle gibt, in denen die maximale Taktrate unter Last nicht ausgeschöpft werden kann.

Um diesen Zusammenhang zu untersuchen haben wir mit Core2MaxPerf einen Core i7 860 sowie einen Core i7 870 jeweils einmal mit 2,4,6 und 8 Threads ausgelastet und haben dann die Spannungen und die Leistungsaufnahme der vier Kerne aufgezeichnet. Die Ergebnisse dazu finden sich in der nachfolgenden Tabelle.

Core i7 870Core i7 860
aktive ThreadsTaktLeistungsaufnahme Core-Bereich inkl. WandlerTaktLeistungsaufnahme Core-Bereich inkl. Wandler
23,6 GHz63 Watt3,46 GHz52 Watt
43,46 GHz82 Watt3,33 GHz63 Watt
63,2 GHz90 Watt2,93 GHz77 Watt
83,06 GHz96 Watt2,93 GHz85 Watt
Die fiktiven Werte für den Uncore-Bereich der CPU sind in den Zahlen nicht enthalten


Da der Uncore-Bereich mit dem Speichercontroller, DMI und PEG-Interface in etwa der Northbridge des P45-Chipsatzes entspricht, ist es durchaus realistisch dessen TDP als Richtwert für die Leistungsaufnahme des Uncores heranzuziehen. Rechnet man diese 22 Watt zu den obigen Ergebnissen dazu und berücksichtigt noch den Wirkungsgrad der Wandler so zeigt sich, dass trotz starker Übertaktung der Energieverbrauch der beiden Modelle bei Auslastung mit bis zu vier Threads weiter unterhalb der TDP von 95 Watt liegt.

Anders sieht es jedoch bei Volllast aus, was sich im Falle des Core i7 870 sogar auf die Taktfrequenz auswirkt. Statt der veranschlagten 3,2 GHz bei Auslastung von vier Kernen schafft unser Modell nur 3,06 GHz und damit eine Taktstufe weniger. Der Grund dafür ist schnell gefunden, denn die Leistungsaufnahme überschreitet in unserem Fall den maximal zulässigen Wert weshalb die PCU den Takt um 133 MHz reduziert. Auch der Core i7 860 kommt der 95-Watt-Marke sehr nahe, weshalb wir kaum von einem unglücklichen Zufall ausgehen.

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Trotz 24er Multiplikator erreichten wir nur 23*133 MHz unter Volllast mit Turbo-Mode

Um dem Problem auf den Grund zu gehen, haben wir dann den von Intel beigelegten Kühler Thermalright MUX-120 statt des Boxed-Modells verbaut und diesen auch noch mit höchster Drehzahl laufen lassen. Dabei gelang es uns ganz kurz zu Beginn der Belastung aller Kerne einen Takt von 3,2 GHz erreichen, doch nach kurzer Zeit senkte auch hier die PCU die Frequenz um eine Stufe auf 3,06 GHz.

Natürlich hätten wir hier mit zusätzlichen Lüftern oder niedrigeren Raumtemperaturen gegensteuern können um die Leistungsaufnahme zu reduzieren, doch wäre dies praxisnah? Wohl eher nein und damit muss man an dieser Stelle erst einmal festhalten, dass der Turbo-Mode mit samt der Taktversprechungen, die mit ihm einhergehen, aber offenbar nicht immer eingehalten werden können, einen schalen Beigeschmack hinterlässt. Die Idee schlecht parallelisierte Anwendungen zu beschleunigen ist zweifellos lobenswert, doch die Umsetzung scheint uns aktuell nicht ausgereift und insbesondere im Falle des Core i7 870 ist es ein Vabanquespiel ob unter Volllast der Takt um ein oder zwei Speed-Bins gesteigert wird und der Sommer kommt mit Sicherheit wieder...