Ivy Bridge: het platform

Inleiding: van Sandy naar Ivy Bridge

Intel heeft de opvolger van zijn Sandy Bridge-processors geïntroduceerd. De nieuwe, derde generatie Core-processors met codenaam Ivy Bridge bestaat uit kleinere, verbeterde versies van de voorgangers. Ivy Bridge wordt op 22 in plaats van 32nm geproduceerd en de processors met gpu aan boord zouden sneller en zuiniger zijn.

De opvolger van Sandy Bridge, de tick in Intels bekende tick-tock-strategie, waarbij een tick een die shrink inhoudt en een tock een nieuwe architectuur behelst, heeft codenaam Ivy Bridge. De populaire naam luidt 'derde generatie Core-processors' en de bijbehorende chipset is de Series 7-chipset, ofwel Panther Point. De 22nm-Ivy Bridge-processors kunnen echter ook in de oudere generatie socket lga1155-moederborden met codenaam Cougar Point worden gebruikt.

In deze review gaan we in op de details van de 22nm-Ivy Bridge-processors en nemen we de architectuurveranderingen onder de loep. Ook het bijbehorende platform, de Panther Point-chipset, onderwerpen we aan een nadere inspectie.

Tri-Gate transistors: zuiniger en sneller

Intels tick-tock-model schrijft voor dat een nieuwe architectuur, ofwel een tock, gevolgd wordt door een die shrink, waarbij de transistors volgens een kleiner procedé gemaakt worden: de tick. De Sandy Bridge-architectuur was de tock en werd op 32nm geproduceerd. Vijftien maanden na de introductie van Sandy Bridge volgt de tick met Ivy Bridge, de 22nm-die shrink van Sandy Bridge.

De nieuwe productiemethode met 22nm-transistors behelst echter net wat meer dan kleinere transistors. Intel heeft de bekende technieken, zoals strained silicon, high k-diëlektrum en metal gates uitgebreid met een nieuwe techniek. Deze moet problemen die met het kleinere procedé gepaard gaan compenseren. Achtereenvolgens leveren bovengenoemde technieken betere mobiliteit voor de elektronen, lagere lekstromen en hogere stuurspanningen op.

De overstap naar 22nm, met nog kleinere gates en isolerende lagen tussen de gate en de source, dwong Intel tot een nieuw ontwerp van de transistor, wat resulteerde in de zogeheten Tri-Gate-transistors. Intel noemt de nieuwe transisors driedimensionaal, omdat het contact tussen de gate en het channel tussen source en drain niet langer een plat vlak is, maar drie contactvlakken heeft gekregen.

De verticale vinnen die zo ontstaan, hebben een aantal voordelen ten opzichte van de vlakke transistors. De oppervlakte van het channel is groter, wat hogere stromen en daarmee betere prestaties mogelijk maakt. Wanneer de transistor uit staat, zijn de lekstromen geringer en dus is de processor zuiniger als hij niets doet. Ten slotte maken de 22nm-transistors lagere werkspanningen mogelijk.

Deze verbeterde eigenschappen moeten ertoe leiden dat Intels nieuwe 22nm-procedé een flexibiliteit aan processors met zich meebrengt. Enerzijds kan gekozen worden voor lagere spanningen en zuinigere processors, wat vooral voor mobiele processors interessant is. Anderzijds kunnen de prestaties flink worden opgeschroefd zonder extra ruimte of hogere stuurstromen te vergen. Daarmee moet Intel een architectuur in handen hebben die schaalt van smartphones en tablets, via laptops, tot desktops en servers.

In de Ivy Bridge-processors met vier cores en een gpu worden ongeveer 1,4 miljard 22nm-transistors gebruikt. Ter vergelijking: een quadcore-Sandy Bridge, met zijn 32nm-transistors, bevat 1,16 miljard transistors. Desalniettemin is de die van Ivy Bridge een stuk kleiner; de oppervlakte bedraagt 160 vierkante millimeter, tegenover de 212 vierkante millimeter van Sandy Bridge.

De cpu: meer van hetzelfde

Ivy Bridge: opbouw Naast de overstap naar 22nm heeft Intel nog een aantal verbeteringen voor de rekenkernen doorgevoerd. Hoewel Ivy Bridge eigenlijk 'alleen maar' een die shrink van Sandy Bridge hoort te zijn, werden toch enkele architecturele wijzigingen aangebracht ten opzichte van de 32nm-generatie.

Zoals inmiddels waarschijnlijk bekend is, bestaat het Ivy Bridge-platform uit de processor en een tweede chip, de pch of platform controller hub. De processor bevat niet alleen de cpu en de gpu, maar ook de meeste onderdelen die vroeger de northbridge vormden. De pch is feitelijk een evolutie van de southbridge en communiceert via een direct media interface, of dmi, met de processor.

In de processor zijn, behalve twee of vier rekenkernen met of zonder hyperthreading-ondersteuning, legio andere onderdelen verwerkt. De processor heeft een geheugencontroller of imc en pci-express-controller aan boord, en ook de logica voor de dmi zit ingebouwd. De belangrijkste extra component van Ivy Bridge is echter de gpu, die over logica beschikt om schermen aan te sturen. De gpu- en cpu-kernen staan met elkaar, en met het cache-geheugen in verbinding via een ring-bus.

Energiezuinig

De winst op het gebied van vermogen hebben we in de voorgaande pagina al aangestipt; het 22nm-procedé maakt zuinigere processors mogelijk. De Ivy Bridge-processors kunnen echter ook na de productie nog worden aangepast; fabrikanten kunnen de tdp via ConfigTDP in de firmware aanpassen al naar gelang de toepassingen van de processors. Ivy Bridge: Tdp Config

Een verdere energiebesparing moet komen van de ondersteuning voor ddr3l-geheugen, dat met een spanning van 1,35V tevreden is. Geheugen kan bovendien door een verbeterde geheugencontroller verder worden opgevoerd dan bij Sandy Bridge. De geheugencontroller kan voortaan ook worden uitgeschakeld als deze niets te doen heeft en ook de system agent kan naar lagere spanningen geschakeld worden. In bedrijf kunnen slapende cores blijven slapen: een techniek die PAIR genoemd wordt, kan werklasten naar cores sturen die toch al wakker zijn.

Op het gebied van ruwe rekenkracht kreeg Ivy Bridge een aantal aanpassingen. Zo kunnen floating point-berekeningen met minder geheugenresources worden gemaakt en worden resources dynamisch toegewezen. ook kan een hyperthreading core niet een halve, maar een volledige buffer benutten. Samen met andere kleine tweaks moet de cpu-architectuur iets rapper zijn dan Sandy Bridge.

Beveiliging

Op het gebied van beveiliging werden eveneens enkele verbeteringen doorgevoerd, waarbij de belangrijkste een hardwarematige random number generator is. In de nieuwe drng is de willekeurige data, die dient als basis voor de geleverde getallen, afkomstig van een gecertificeerde bron. Die bron is bovendien sneller dan de oude analoge manier om willekeurige getallen te genereren. De generator wordt onder meer voor encryptie gebruikt. Om misbruik van rechten in software te voorkomen, is smep toegevoegd.

De gpu: inhaalslag

Zoals de benchmarks laten zien, zijn de verbeteringen op het gebied van de cpu-cores aanwezig, maar niet schokkend. Toch is een gemiddelde verbetering van zo'n vijf procent ten opzichte van Sandy Bridge geen slechte prestatie, zeker gezien de energiebesparing die Ivy Bridge met zich meebrengt. De echte plus in de 'tick+', zoals Intel Ivy Bridge noemt, zit echter in de gpu of computer-graphics.

Intel claimt met de gpu in de Ivy Bridge-processors niet alleen ondersteuning voor Direct3D 11 toe te voegen, maar ook de 3d-prestaties, ofwel gameprestaties, op te krikken. Daarnaast werden andere aan de gpu gerelateerde features aangepakt, waaronder de Quick Sync-prestaties en de output. Laatstgenoemde feature is nu in staat om drie afzonderlijke displays aan te sturen en er worden 4k-resoluties ondersteund.

De grote veranderingen zijn echter in de gpu-architectuur te vinden. Die is in vijf schaalbare onderdelen onderverdeeld, zoals je ook in onze Ivy Bridge preview kon lezen. Met DX11-ondersteuning komt er ook ondersteuning voor tessellation en gecomprimeerde textures. Ook shader model 5 wordt voortaan ondersteund. Verder kreeg de Ivy Bridge-gpu een stukje eigen L3-cache en verdubbelt het aantal mad's per klokcyclus.

De sterk verbeterde 'execution units', zoals Intel zijn gpu-cores noemt, moeten veel betere prestaties combineren met een lager energieverbruik. De benchmarks laten inderdaad zien dat de HD4000-gpu van de i7-3770K de HD3000 uit de Sandy Bridge-generatie verplettert. De eenvoudigere HD2500-gpu in eenvoudigere Ivy Bridge-processors presteert lang zo goed niet, maar moet nog altijd beter zijn dan de HD2000 van Sandy Bridge.

De HD4000 met codenaam GT2 is voorzien van zestien execution units en twee texture-samplers. De eu's hebben een standaardkloksnelheid van 650MHz, terwijl de turbosnelheid 1150MHz bedraagt. De eenvoudigere HD2500 beschikt over één texture sampler en acht execution units. De basissnelheid is eveneens 650MHz, maar de turbo gaat tot 1100MHz.

Het platform: drie keer drie

De chipsets voor Ivy Bridge verschillen weinig van de chipsets die voor Sandy Bridge werden geïntroduceerd. Beide chipsets worden op 65nm gebakken en de platforms zijn wederzijds uitwisselbaar.

Van links naar rechts: Z77 Express, H77 Express en Z75 Express (klik voor grotere versie)

De Z77 Express-chipset is de meest uitgebreide versie van de chipsets. De interessantste chipsets voor consumenten zijn ook de Z75, met ondersteuning voor drie in plaats van twee videokaarten en zonder SRT caching-techniek, en de H77, die slechts één videokaart, maar wel weer SRT ondersteunt. De Z77-chipset heeft de meest uitgebreide overklokondersteuning, de Z75 iets minder en de H77 ondersteunt geen overkloks. De B75-chipset ten slotte, is meer voor kleinzakelijk gebruik.

Chipset/feature	Z77	Z75	H77	B75
Usb 2.0 en 3.0-poorten	10 + 4	10 + 4	10 + 4	8 + 4
Pci-e-configuratie	1x16 / 2x8 / 1x8 + 2x4	1x16 / 2x8	1x16	1x16
Pci 2.0-poorten	8	8	8	8
Pci-poorten	Nee	Nee	Nee	Ja
Overklokken	Cpu + gpu	Cpu + gpu	Gpu	Gpu
Sata-300- en -600-poorten	4 + 2	4 + 2	4 + 2	5 + 1
SRT-ondersteuning	Ja	Nee	Ja	Nee

In zijn chipsetdiagrammen geeft Intel aan dat de pci-express 3.0-lanes ook gebruikt kunnen worden voor Thunderbolt-connectiviteit, maar dat zit niet in de chipset en vergt een losse, vooralsnog prijzige controller op het moederbord.

Usb 3.0

Een groot verschil is echter de toevoeging van vier usb 3.0-poorten, naast de maximaal tien usb 2.0-poorten die de chipset kan leveren. De verdeling van vier sata300- en twee sata-600-poorten is gebleven.

Drie beeldschermen

De gpu's in de Ivy Bridge-processors zijn in staat om drie beeldschermen aan te sturen; met Sandy Bridge konden slechts twee aparte displays worden aangestuurd. De maximaal ondersteunde resolutie van de video-output bedraagt 2560 bij 1600 pixels.

Pci-Express 3.0

Naast usb 3.0 en de ondersteuning voor drie beeldschermen, valt nog een 'drie' op aan Intels platform: de pci-express 3.0-ondersteuning. De zestien lanes die de processor levert, ondersteunen de nieuwe standaard. Dat zou ruwweg tweemaal de huidige bandbreedte voor videokaarten moeten opleveren, maar vooralsnog kan dat nauwelijks benut worden.

De line-up: quadcores voorop

De Ivy Bridge-processors zouden eigenlijk al begin dit jaar verschijnen, maar de introductiedatum is enkele malen aangepast. Begin april werd de bijbehorende chipset vrijgegeven, maar de moederborden mochten destijds alleen met Sandy Bridge-processors getest worden. Moederbordfabrikanten wilden echter hun Series 7-borden al eerder aan het publiek tonen en grepen de Computex- en Cebit-beurzen in januari en maart aan om hun borden te tonen.

Intel heeft zijn bijbehorende processors echter pas eind april beschikbaar. Speculaties over de oorzaak van het uitstel lopen uiteen van tegemoetkomingen aan fabrikanten die hun Sandy Bridge-voorraden willen wegwerken tot tegenvallende resultaten in de productie van de 22nm-processors. De april-release van Ivy Bridge is overigens nog niet het einde van deze uitgerekte introductie. De quadcores worden eerst verkrijgbaar, maar op dualcores moet tot juni gewacht worden.

Voor de desktop komen negen processors, waarvan vier i7- en vijf i5-processors, beschikbaar. Vier daarvan zijn low power-processors. Vier consumentenchipsets vergezellen de processors. Voor laptops zijn vijf i7-processors, waarvan één Extreme Edition beschikbaar, samen met vier chipsets en vijf Centrino-wifi-opties.

Overklokken

De T- en S-series zijn zuinige varianten, terwijl de K-processors van een vrij instelbare multiplier voorzien zijn. Ivy Bridge belooft dan ook iets beter overklokbaar te zijn dan Sandy Bridge, onder meer dankzij een hogere maximale multiplier van 63x. Daarbij is de multiplier zonder reboots instelbaar en worden hogere geheugensnelheden ondersteund. Ook de gpu kan wat verder overgeklokt worden.

Desktop april	Cores/threads	Kloksnelheid	Cache	Gpu	Tdp
Core i7-3770K	4/8	3,5GHz (3,9GHz)	8MB	HD 4000	77W
Core i7-3770	4/8	3,4GHz (3,9GHz)	8MB	HD 4000	77W
Core i7-3770T	4/8	2,5GHz (3,7GHz)	8MB	HD 4000	45W
Core i7-3770S	4/8	3,1GHz (3,9GHz)	8MB	HD 4000	65W
Core i5-3570K	4/4	3,4GHz (3,8GHz)	6MB	HD 4000	77W
Core i5-3550	4/4	3,3GHz (3,7GHz)	6MB	HD 2500	77W
Core i5-3550S	4/4	3GHz (3,7GHz)	6MB	HD 2500	65W
Core i5-3450	4/4	3,1GHz (3,5GHz)	6MB	HD 2500	77W
Core i5-3450S	4/4	2,8GHz (3,5GHz)	6MB	HD 2500	65W

Mobile april	Cores/threads	Kloksnelheid	Cache	Gpu	Tdp
Core i7-3920XM	4/8	2,9GHz (3,6GHz)	8MB	HD 4000	55W
Core i7-3820QM	4/8	2,7GHz (3,5GHz)	8MB	HD 4000	45W
Core i7-3720QM	4/8	2,6GHz (3,4GHz)	6MB	HD 4000	45W
Core i7-3610QM	4/8	2,3GHz (3,1GHz)	6MB	HD 4000	45W
Core i7-3612QM	4/8	2,1GHz (2,8GHz)	6MB	HD 4000	35W

In juni en in het derde kwartaal moeten nog eens twaalf desktopprocessors verschijnen, waarvan negen i5-processors en slechts drie dualcore-i3-processors. Ook voor laptops moeten nog zes i7-processors, vier i5-processors en twee i3-processors verschijnen.

Na de Ivy Bridge-processors komt het 1155-platform, dat in 2011 werd geïntroduceerd met Sandy Bridge en de bijbehorende Cougar Point-chipsets, aan het einde van zijn levensduur. De volgende generatie processors, de Haswell-processors die voor 2013 gepland staan, gaan van een nieuwe lga1150-socket gebruikmaken.