Notebookcheck Logo

Testrapport Intel Ivy Bridge Quad-Core Processors

Klaar voor de derde ronde! Na een korte vertraging brengt Intel de volgende generatie van de extreem succesvolle Sandy Bridge architectuur op de markt. Een revolutionaire 22-nanometer fabricage techniek en een sterk verbeterde grafische chip moeten de vertraging van de derde generatie Core architectuur meer dan goed maken.

De huidige 32nm Sandy Bridge architectuur is nog steeds de krachtigste in zowel mobiele als desktop apparaten maar Intel heeft niet stil gezeten. Sterker nog, ze hebben een tandje bij geschakeld: Intel noemt de nieuwe Ivy Bridge architectuur een "tick+", wat aangeeft dat het een grotere verandering is dan het gebruikelijke proces van het kleiner maken van het bestaande ontwerp, maar een kleinere verandering is dan een hele nieuwe architectuur (die komt rond deze tijd volgend jaar met Haswell).

We willen wat dieper ingaan op de innovaties van Ivy en ook licht werpen op het revolutionaire 22-nanometer procedé. In de tweede helft van dit rapport zullen we een aantal uitgebreide processor benchmarks uitvoeren. De prestaties van de nieuwe HD 4000 GPU behandelen we in een apart testrapport. Helaas kunnen we geen informatie vrijgeven over de dual-core modellen die later zullen volgen. We zullen deze echter testen zodra dit mogelijk is.

Deel 1: De Technologie

Fabricage

Technologische kaart
Technologische kaart
Tri-Gate transistor ontwikkel geschiedenis
Tri-Gate transistor ontwikkel geschiedenis
Planar transistor architectuur
Planar transistor architectuur
Tri-Gate transistor architectuur
Tri-Gate transistor architectuur

Al jaren staat Intel aan de frontlinie van de industrie als het gaat om het fabricage proces. De nieuwe 22-nanometer generatie is erg belangrijk en biedt wat interessante verbeteringen.

Rond 2002 begon de fabrikant met het leggen van de funderingen voor het proces dat in het begin bekend stond als P1270. De eerste grotere verbeteringen kwamen op het niveau van de transistor. Voor het eerst maakt Intel gebruik van Tri-gate transistors - een drie dimensionale structuur van source en drain die  uit de substrate steekt en in de gate. Vergeleken met de huidige (2D) plenaire transistors wordt het geleidbare kanaal groter in een actieve staat en vergroot de stroom. Dit effect wordt vergroot door meerdere "fins" te gebruiken. Intel belooft het grootste effect op lage voltages, wat vooral voor mobiele processors van pas komt. Afhankelijk van de applicatie is het mogelijk om te kiezen voor meer prestatie of een lager verbruik - of zelfs een combinatie als dat nodig is.

Naast deze verbeteringen blinken de nieuwe transistors vooral uit bij lage lekstroom, vergelijkbaar met geslonken silicon-on-insulator (FDSOI). In contrast met deze technologie, dat leidt tot ongeveer 10 procent hogere productiekosten, blijft de insteek van Intel om relatief goedkoop te blijven met een prijsstijging van ruwweg 2 tot 3 procent.

Een andere belangrijke drijfveer voor het kleiner maken van de chips is het vergroten van de componentdichtheid. Een quad-core gebaseerd op de Sandy Bridge architectuur weet ongeveer 1.16 biljoen transistors op een gebied van 212 mm2 weet te plaatsen. Een vergelijkbare Ivy Bridge kan op een gebied van slechts 160 mm2 een totaal van 1.4 biljoen transistors plaatsen - dat is ongeveer 60 procent per vierkante millimeter meer. De dichtheid kan op sommige plekken zelf verdubbelen.

Intel heeft op het moment drie van zijn fabrieken (D1D Oregon, Fab 32 Arizona, Fab 28 Israel) omgebouwd voor het nieuwe procedé en anderen zullen snel volgen. Naast Ivy Brdige zullen er in de komende maanden meer 22-nanometer producten op de markt verschijnen, zoals Valley View - de volgende iteratie van Atom. Intel is van plan de eerste 14-nanometer chips op zijn vroegst eind 2013 op de markt te brengen - maar daar is nog geen zekerheid over. Met elke verkleining van het procedé komen nieuwe technische uitdagingen en de kosten voor research & development stijgen enorm.

Chip Architectuur

Net als Sandy Bridge heeft de Ivy Bridge een maximum van 4 processing cores die op een enkele 'die' zitten samen met de grafische chip, een 8MB L3 cache en de zogenaamde system agent (bevat het geheugen en de scherm controller, DMI en andere I/O). Een 256-bit ring bus verbindt alle componenten. De meest interessante specificaties van de mobiele quad-core alternatieven ("4+2") in een overzicht:

Schematische ontwerp
Schematische ontwerp
Chip van de quad-core variant
Chip van de quad-core variant
  • 22-nanometer Tri-Gate procedé
  • 1.4 biljoen transistors
  • 160 mm² grote chip
  • 32 + 32 KB L1 cache voor data en instructies (per core)
  • 256 KByte L2 cache (per core)
  • 8 MB L3 cache (verdeelt over de cores en GPU)
  • HD 4000 graphics unit (GT2, DirectX 11 ondersteuning, 16 EUs)
  • DDR3 (L) memory controller tot 800 MHz (PC3-12800)
  • 16 PCIe 3.0 banen
  • MMX, SSE, (1, 2, 3, 3S, 4.1, 4.2), AVX, AES-NI, Intel 64 ondersteuning
  • TDP van 35, 45 of 55 watts

Hiernaast is er ook een quad-core met een uitgeklede GT1 grafische chip ("4+1")  beschikbaar voor de desktop markt; de dual cores zullen later volgen. Hier worden twee varianten verwacht in de vorm van een GT1 ("2+1") en een GT2 GPU ("2+2") met schipgroottes van 90 en 120 mm2.

Processor

IPC verbeteringen
IPC verbeteringen
DRNG
DRNG
SMEP
SMEP

De Ivy Bridge processor core is fundamenteel gebaseerd op zijn Sandy Bridge voorganger, en beschikt dus over functies als Hyper Threading en Turbo Boost 2.0. Voor meer details over deze functies verwijzen we je naar ons testrapport van de Sandy Bridge. Er zijn enkele kleine optimalisaties die we hier in detail bespreken, tezamen goed voor een ongeveer 5% betere IPC.

MOV instructies, waarbij de inhoud van een register gekopieerd wordt naar een ander, worden nu efficiënter uitgevoerd: het physical register file (PRF) dat geïntroduceerd werd met de Sandy Bridge stelt je in staat om een referentie naar het doelregister op te slaan met andere veranderingen - dit spaart wat tijd van de uitvoerende units.

Andere verbeteringen zijn toegepast op de divider unit (verbeterde throughput),  shift/rotate operaties en AVX en SSE commando's die versnelt worden via 6 extra split/load registers. Intel heeft ook de prefetcher herzien: de data in het cache wordt nu dynamisch toegewezen en geeft de voorkeur aan bandwidth-heavy applicaties die het nauwe cache effectiever kunnen gebruiken, vooral bij multi-threading taken.

Een aantal nieuwe instructies maakt de lijst van de modificaties van Ivy Bridge  af. Voor het eerst is er nu een speciale random number generator (Digital Random Number Generator, DRNG) die extreem krachtig is met een snelheid van 2 tot 3 Gbit/s. De nieuwe RDRAND instructie levert echt toegevoegde waarde, met name voor encryptie algoritmes.

Complementair aan de bestaande technologieën, zoals NX-bit, zal ook de zogenaamde Supervisor Mode Execution Protection geïntroduceerd worden. SMEP heeft de taak om belangrijke delen van de systeem kernel te beschermen tegen malware door deze te beveiligen met speciale vlaggen.

Grafische Unit

HD 4000: Tick+
HD 4000: Tick+
Grafische unit architectuur
Grafische unit architectuur

De zwaar aangepaste GPU is een stuk interessanter dan de marginaal verbeterde CPU - reden genoeg voor Intel om de Ivy Bridge de titel "Tick+" te geven.

Een van de belangrijkste innovaties is waarschijnlijk dat de feature set een update heeft gekregen naar DirectX 11 en Shader Model 5.0 (Sandy Bridge: DirectX 10.1 / SM 4.1) en nu ook beschikt over OpenGL 3.1 en OpenCL 1.1. Derhalve zijn er nu ook programmeerbare hull en domain shaders, alsmede een fixed-function tesselator, die schitterde door zijn afwezigheid in  voorgaande Intel GPU's. Eerste tests laten zien dat de angle dependency nu vrijwel op hetzelfde niveau is in termen van de kwailiteit van anisotropic filtering - ook een traditionele zwakte.

3D prestaties zijn hierdoor vele malen beter met Ivy. Zoals we al kort zeiden hierboven zijn er verschillende versies van de GPU, genaamd GT1 en GT2. GT2 zit in de mobiele sector en high-end desktop SKU's. De nieuwe HD 4000 GPU (GT2) heeft 16 execution units in contrast met de 12 van de HD 3000 (HD 2500/GT1: 6 EU's). Elke EU is ook significant sneller.

De verbeterde units kunnen twee MAD operaties per klok aan en dat samen met een tweede texture sampler (HD 2500: slechts een). Dit zorgt samen voor het grootste deel van de verbeterde prestaties. Om de ring bus en het beperkte bandwidth van het geheugen te verlichten beschikt de grafische unit nu ook over dedicated L3 cache. De cache van de CPU (tot 8MB) is echter ook nog beschikbaar.

We hebben de prestaties van Intel's nieuwe HD 4000 in een apart artikel bekeken, deze kun je hier vinden.

System Agent

Het is mogelijk maximaal 3 monitors aan te sluiten
Het is mogelijk maximaal 3 monitors aan te sluiten

Naast de processor cores, de GPU en het L3 cache neemt ook de system agent een flink deel van het oppervlakte van de chip in.

De memory controller ondersteunt nu DDR3-1600 (800 MHz I/O) tot 1333mhz op Sandy Bridge. Deze ondersteunt nu ook officieel DDR3L-DIMM's op slechts 1.35 volt tegenover de 1.5 volt van het standaard DDR3. De lagere consumptie kan vooral verschil maken in energie-efficiënte apparaten zoals ultrabooks. De neuwe DDR I/O power gating zou ook een langere batterijduur op moeten leveren. Deze functie, volledig geïntegreerd in de hardware, kan het verbruik bij geen of lage belasting tot 100 milliwatt verlagen.

Na de onzekerheid rond de officiële PCI Express 3.0 ondersteuning in de high-end Sandy Bridge E platforms maakt de nieuwe standaard vanaf het begin onderdeel uit van de Ivy Bridge. Dankzij de verbeterde doorvoersnelheid van 5 naar 8 GT/s en de efficiënte 128b/130b encoding is de bandwidth per link verdubbeld naar bijna 1 GB/s. Er is een totaal van 16 lanes beschikbaar, te verdelen onder de slots, afhankelijk van de chipset.

In tegenstelling tot wat de meesten denken zijn de display controller en de Quick Sync video decoder geen onderdeel van de GPU, maar zitten in de system agent. Waar Sandy Bridge slechts 2 monitors met een maximale resolutie van 2560 x 1600 aan kon kunnen er nu tot 3 monitors aangesloten worden met 4k resoluties (via HDMI 1.4a of Displayport 1.1). Het decoderen van zulke hoge resolutie video's wordt nu ook ondersteund. De Quick Sync encoding unit is herzien en doet zijn werk nu sneller dan eerst. Intel's Wireless Display (WiDi) 3.0 verzend nu ook 1080p met 60 fps. Tenslotte een puntje voor de cinema fans: Haperingen tijdens 24p playback (23.976 Hz) zouden nu opgelost moeten zijn.

Chipsets

Chipsets
Chipsets

Ongeveer twee weken voor de lancering van Ivy Bridge onthulde Intel zijn nieuwe Series 7 chipset, met 5 verschillende modellen in de notebook sector. Een zesde versie, QS76, is een speciale energie zuinige versie van de QM77 voor ultrabooks.

Berhalve van het instapmodel, de HM75, beschikken de chipsets voor het eerst over 4 native USB 3.0 poorten wat een significante stap is in de distributie van de nieuwe snelle standaard. Er zijn geen verbeteringen te zien wat betreft SATA III, geen van de nieuwe chipsets bieden meer dan 2 interfaces. Alle modellen zijn waarschijnlijk gebaseerd op dezelfde 'die built' van een ouderwets 65-nanometer proces en hebben een TDP van tussen de 3.0 en 4.1 watt.

In principe is Sandy Bridge compatible met de Series 7 chipsets net als de Ivy Bridge backwards compatible is met de Series 6 chipsets. Dit laatste is alleen waar in de desktop sector. Het gebrek aan BIOS updates zal waarschijnlijk alle plannen op notebooks te upgraden dwarsbomen.

Verbruik

Aanpasbaar TDP
Aanpasbaar TDP

Een kleiner fabricage proces verbeterd vaak ook de efficiëntie van een chip - echter, hoewel de desktop varianten voordeel hebben met de Ivy Bridge door een lagere TDP verandert er (bijna) niets bij de consumenten notebooks.

Ivy Quad-cores hebben nog steeds een TDP van 45 watt, net als de Sandy Bridge (en Clarksfield daarvoor). Waar eerst alleen het topmodel "Extreme Edition" de uitzondering was met een TDP van 55 watt is er nu voor het eerst      ook een 35 watt model beschikbaar - de Core i7-3612QM.

Het vooruitzicht van het aanpassen van het TDP tot een bepaalde hoogte is fundamenteel nieuw. Deze functie, genaamd "Configurable TDP" verhoogt de thermische felexibiliteit. Het verhogen van het TDP maakt het mogelijk om de maximale Turbo kloksnelheid langer aan te houden als de laptop verbonden is met een geventileerd docking station. Het verlagen van het TDP zou kunnen leiden tot verbeterde batterijduur bij mobiel gebruik.

Volgens de bestaande informatie zullen alleen de i7-3920XM (55 watts nominaal, 45 to 65 Watts aanpasbaar) en de ULV CPU's (17 watts nominaal, 13 to 33 Watts aanpasbaar) even aanpasbaar zijn. Alle TDP veranderingen kunnen gemaakt worden via software.

Deel 2: De Test

Het Testsysteem

Net als in de vorige tests van de nieuwe Intel processors heeft  Schenker ons dit jaar weer van een testsysteem voorzien. De gloednieuwe Clevo P170EM barebone, beschikbaar bij Schenker onder de naam XMG P702 PRO dient als de basis voor de komende benchmarks. We raden ons testrapport van deze dikke gaming machine aan, waarbij het opgemerkt moet worden dat bij dit testrapport gebruik is gemaakt van een oudere Sandy Bridge versie.

Het zou mogelijk moeten zijn om het volledige potentieel van de CPU los te laten met 8GB aan RAM  en een snelle Intel SSD. De geïnstalleerde Nvidia GeForce GTX670M heeft ook geen impact gehad op de uitgevoerde benchmarks. Alle metingen zijn gedaan met identieke testapparatuur in een statische software en driver omgeving. We moeten wel aangeven dat de processors nog steeds testmodellen zijn en ander gedrag kunnen laten zien onder sommige omstandigheden dan de latere productiemodellen.

The test system: Schenker XMG P702 PRO (Clevo P170EM Barebone)

Test configuratie

  • Intel Core i7 Ivy Bridge CPU's
  • Intel HM77 chipset 
  • 8 GB DDR3 RAM (1333MHz)
  • Nvidia GeForce GTX 670M 
  • Intel SSD 320 Series (80 GB)
  • 17.3" Full-HD LED scherm 
  • Windows 7 Home Premium 64Bit 

Overzicht

De benaming van de Ivy maakt duidelijk dat de Ivy een herziene uitgave is van de Sandy Bridge. Afhankelijk van het model en de Turbo versie, is er een verhoogde kloksnelheid van tussen de 100 en 300 MHz mogelijk maar de grootte van het cache, het TDP en de prijzen zijn onveranderd.

De enige echte nieuwkomer is de reeds genoemde Core i7-3612QM. Voor het eerst is er een 35W quad-core beschikbaar die geïnstalleerd kan worden in kleine 12-14" notebooks. Helaas hadden we deze niet beschikbaar maar we zullen deze zeker in handen proberen te krijgen.

Alle technische specificaties van de nieuwe quad-core kun je vinden in de tabel onderaan of in de uitgebreide detail pagina's van onze CPU database.

Model Cores Basis kloksnelheid Turbo QC / DC / SC L3 Cache TDP GPU kloksnelheid Priijs (1000 stuks)
Core i7-3920XM 4/8 2.9 GHz 3.6 / 3.7 / 3.8 GHz 8 MB 55 W 650-1300 MHz $1096
Core i7-3820QM 4/8 2.7 GHz 3.5 / 3.6 / 3.7 GHz 8 MB 45 W 650-1250 MHz $568
Core i7-3720QM 4/8 2.6 GHz 3.4 / 3.5 / 3.6 GHz 6 MB 45 W 650-1250 MHz $378
Core i7-3615QM 4/8 2.3 GHz 3.1 / 3.2 / 3.3 GHz 6 MB 45 W 650-1200 MHz OEM
Core i7-3610QM 4/8 2.3 GHz 3.1 / 3.2 / 3.3 GHz 6 MB 45 W 650-1100 MHz OEM
Core i7-3612QM 4/8 2.1 GHz 2.8 / 3.0 / 3.1 GHz 6 MB 35 W 650-1100 MHz OEM
Core i7-3610QM
Core i7-3610QM
Core i7-3720QM
Core i7-3720QM
Core i7-3820QM
Core i7-3820QM
Core i7-3920XM
Core i7-3920XM

Benchmarks

 

Voordat we gaan kijken naar de benchmarks een kleine aantekening: onze CPU resultaten kunnen niet één op één overgenomen worden omdat Intel's Turbo Boost (het automatisch overklokken van de processor) zich anders gedraagt afhankelijk van het koelsysteem.

Vanwege de goede prestaties van de Sandy Bridge generatie zal het niet makkelijk zijn voor de Ivy Bridge om de scores significant te verbeteren. Ivy heeft over het algemeen een 4 tot 10 procent hogere score in de single-thread benchmark, wat een marginale IPC verbetering van ongeveer 3 procent teweeg brengt met aangepaste klok.

De multi-thread test levert betere resultaten op. Het verbeterde 22 nanometer procedé komt hier meer tot zijn recht omdat deze beter gebruik kan maken van de maximale Turbo kloksnelheid. Om in perspectief te plaatsen, het instapmodel, de i7-3610QM quad-core scoort het beste aangezien deze de i7-2670QM met 13 procent kan verbeteren.

Cinebench R11.5

De resultaten van de Cinebench R11.5 zijn vergelijkbaar aan de vorige versie; een verbetering van tussen de 12 en 15 procent. Een vergelijking met de sneller desktop i7-2700K processor levert een vreemde indruk van de enorme prestaties: Deze haalt slechts 7.0 punten en eindigt een stukje achter de i7-3920XM

3DMark

3DMark 06 en 3D Mark Vantage zitten op dezelfde lijn als de andere resultaten. De vorige leider, de i7-2960XM zit nu tussen de i7-3720QM en de 3820QM bij beide benchmarks. De Exteme Edition 3920XM plaatst zichzelf aan de top. Verbazingwekkend: Met een maximaal prestatieverschil van 20% zou je voorzichtig na moeten gaan denken of je wel een sneller model nodig hebt dan de 3610QM.

x264 HD

De Ivy Bridge lijkt vooral goed om te kunnen gaan met de video encoding benchmark x264 HD. De 3610QM verslaat zijn populaire voorganger, de 2670QM met 17 tot 26 procent en sneller versies laten nog meer verschil zien.

WinRAR

WinRar staat er bekend om dat het veel geheugen eist dus ons test systeem met DDR3-1333 was niet echt ideaal. Sandy Bridge is hier slechts marginaal langzamer dan Ivy, waarschijnlijk vanwege de afhankelijkheid van WinRAR op ander onderdelen dan de CPU.

SuperPi

Hoewel niet erg belangrijk voor praktisch gebruik is SuperPi vooral populair onder overclockers en benchmarkers. Het programma belast slechts één thread en is erg gevoelig voor cache en geheugen.

De i7-3920XM is net een tiende van een seconde te langzaam om de magische 10-seconden barrière te doorbreken. Dit limiet moet makkelijk te overkomen zijn met snelle DDR3-1600 modules.

wPrime

wPrime heeft dezelfde karakteristieken als SuperPi, maar gebruikt wel alle threads. We zien een licht voordeel in vergelijking met de Sandy Bridge op dezelfde kloksnelheid.

Power Consumption

Hoewel er op papier geen veranderingen gemaakt zijn in de TDP categorieën willen we het verbruik van de Ivy Brdige toch onder de loep nemen. Hiervoor hebben we metingen gedaan over de gehele notebook.

Intel lijkt de idle speed verhoogt te hebben van 800 naar 1200 MHz, wat de nodige impact zal hebben op het verbruik. Desondanks zagen we een verhoging van ongeveer 2 watt in alle Ivy Bridge modellen vergeleken met de oude i7-2760QM - waarschijnlijk nog steeds een BIOS probleem of een eigenaardigheid van de pre-productie CPU. We zullen de komende modellen nauwlettend in de gaten houden voor bevestiging.

De deelnemers zitten onder lichte belasting allemaal dicht bij elkaar. We moeten echter wel melden dat de Ivy Bridge modellen hun Tubro modus effectiever gebruiken. De i7-2760QM haalt slechts 3.2 GHz van de mogelijke 3.5 GHz na zware belasting, net als de 3610QM (maximum 3.3 GHz). De i7-3720QM3820QM en 3920XM blijven ook achter op hun theoretische maximum met ongeveer 100 MHz.

Onder volledige belasting is de situatie hetzelfde. Sandy Bridge doet zijn werk met een paar watt minder, maar heeft ook beduidend lagere kloksnelheden. Hoewel de i7-2760QM naar 2.8 en 2.6 GHz terugvalt in Cinebench en Prima blijft de i7-3610QM op een constante 3.1 GHz draaien. De ander twee 45 watt modellen halen ongeveer 100 tot 200 MHz meer en de i7-3920XM op 55 watt doet daar nog eens 100 MHz bovenop. Vooral de top modellen laten echter intense klok fluctuaties zien dus deze specificaties moeten als een ruwe gids gezien worden.

Samenvatting

Intel Ivy Bridge
Intel Ivy Bridge

Nadat Sandy Bridge ons vorig jaar trakteerde op een gigantische sprong voorwaarts is ons oordeel wat betreft Ivy Bridge wat meer ingetoomd. Hoewel je slechts een lichte verbetering van de prestaties mag verwachten bij 'tick' (en zlefs 'tick+') jaren vallen ze toch een beetje tegen, levend in de schaduwen van de spannende 'tock' jaren. 

Ondanks deze kleine teleurstelling zijn er twee dingen zeker: Ten eerste is Intel nog steeds de beste als het gaat om high-end notebook processors. Ivy Bridge is sneller dan AMD's Llano, en zal waarschijnlijk ook sneller zijn dan Trinity - in ieder geval in termen van CPU prestaties. Ten tweede verwachten we een update in kloksnelheid in de herfst wat het voordeel van Invy over Sandy zal vergroten. Als je echter in het bezit bent van een Sandy Bridge notebook zule je weinig reden zien om over te stappen naar een Ivy Bridge.

Onze favoriete chip in de Ivy familie is de Core i7-3610QM. Het verlies in prestatie is meetbaar, maar niet echt opvallend en de chip is beduidend goedkoper. Vooral de prijsgevoelige kopers zouden moeten kijken naar Sandy Bridge machines die uit de productie zijn of wachten op de lancering van de dual core modellen in het begin van de zomer.

Please share our article, every link counts!
.170
Till Schönborn, 2012-05-20 (Update: 2021-05-18)