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Neue Prozessoren von AMD, Intel und mit ARM-Architektur Das Prozessorkarussell dreht schneller

| Autor: Klaus Länger

Lange Zeit war Intel bei CPUs für Server, PCs und Notebooks so dominant, dass es fast langweilig war. Mit AMDs Zen-Architekturen und neuen ARM-CPUs für Server und Macs nimmt das Prozessorkarussell immer mehr Fahrt auf. Auch Intel schiebt mit an.

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Das Prozessorkarussell wurde durch die Intel-Dominanz immer langsamer und auch langweiliger. Nun bringen AMD und einige ARM-Hersteller wieder Spannung in den Karussellbetrieb.
Das Prozessorkarussell wurde durch die Intel-Dominanz immer langsamer und auch langweiliger. Nun bringen AMD und einige ARM-Hersteller wieder Spannung in den Karussellbetrieb.
(Bild: © 1st-ArtZone - stock.adobe.com)

Seit der Einführung der Core-Prozessoren hatte Intel das Geschäft mit Prozessoren für PCs, Notebooks und auch Server praktisch in der Tasche. AMD hatte sich mit dem Bulldozer-Irrweg selbst ein Bein gestellt, Power-Prozessoren wanderten in die Nische, und selbst Apple war zum Intel-Kunden geworden. Lediglich bei dem Versuch, auch in den Markt für Smartphones, Tablets und Wearables vorzudringen, war Intel gescheitert. Dort kam der Hersteller gegen die ARM-Platzhirsche nicht an.

Durch die fehlende Konkurrenz war Intel selbst allerdings der Schwung abhanden gekommen. Das Tick-Tock-Modell wurde aufgegeben und die Weiterentwicklung der Prozessorarchitektur und vor allem der Fertigung verlangsamte sich immer mehr. So wurde der Prozessorriese von AMDs Comeback mit der Zen-Mikroarchitektur kalt erwischt. Zunächst mischen die Ryzen-Prozessoren den Desktop-PC-Markt auf. Mit den 7-nm-Prozessoren der zweiten Zen-Generation, also Rome und Renoir, fasst AMD im Server- und Notebook-Business immer weiter Fuß. Laut einem Report von Mercury Research hat AMD im zweiten Quartal 2020 seinen höchsten weltweiten Marktanteil seit 2013 erreicht: 19,2 Prozent bei Desktop-Prozessoren und sogar 19,9 Prozent bei Notebook-CPUs. Der Marktanteil bei Servern ist mit 5,8 Prozent vergleichsweise gering, hat sich aber im Vergleich zum ersten Quartal 2019 immerhin verdoppelt. Wahrscheinlich könnte AMD sogar noch mehr verkaufen, hat aber wohl nicht genügend Fertigungskapazität bei TSMC reserviert. Darauf deutet hin, dass die letzten beiden neuen AMD-Prozessoren, die von Epyc abgeleitete Workstation-CPU Ryzen Threadripper Pro und der Ryzen 4000G, die Desktop-Variante der Renoir-APU, nur an PC-Hersteller und nicht an Endkunden geliefert werden. Da TSMC auf Druck der US-Regierung keine Prozessoren mehr für Huawei herstellt, dürfte zwar demnächst mehr Kapazität für AMD bereitstehen, aber die kommenden Apple-ARM-CPUs für Macs kommen auch von dem taiwanischen Lohnfertiger.

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Zen 3 von AMD, Ice Lake für Server von Intel

Als nächster größerer Schritt für AMD sollen noch dieses Jahr mit Milan der erste Epyc-Prozessor mit Zen3-Microarchitektur sowie dessen Desktop-Vetter Vermeer folgen. Die Compute-Dies mit jeweils acht Cores werden in einem ­verfeinerten 7-nm-Prozess von TSMC hergestellt. Sie sollen zudem einen verbesserten L3-Cache tragen, um die Latenzen zu minimieren. Milan bleibt bei 64 Cores und dem Sockel SP3. Einen neuen Sockel gibt es mit dem Zen4-Prozessor Genoa, der 2021 wahrscheinlich mit DDR5- und PCI-Express-5.0-Unterstützung kommen soll. Mit ihm will AMD dann auf den 5-nm-Prozess bei TSMC umsteigen.

Intels erste 10-nm-Server-CPU wird Ice Lake SP für Systeme mit einem oder zwei Sockets. Sie wird PCI-Express 4.0 unterstützen und zieht wenigstens hier mit AMDs aktuellem Epyc gleich. Wieviele Cores auf dem Prozessor Platz finden werden, ist derzeit nicht bekannt. Das wird Intel vielleicht auf der virtuell stattfindenden Hot-Chips-Konferenz im August verraten. Für Server mit vier oder acht Sockets hat der Hersteller gerade die Xeon-Scalable-Prozessoren der Cooper-Lake-Familie vorgestellt. Diese 14-nm-CPUs mit maximal 28 Cores sind primär für KI-Workloads oder Anwendungen mit hohem Speicherbedarf ausgelegt. Für sie wird der schnellere ­Optane-Persistant-Memory der neuen Serie 200 unterstützt. Der 10-nm-Pro­zessor Sapphire Rapids führt die beiden Linien wieder zusammen und wird wohl DDR5 und PCIe 5.0 sowie Advanced Matrix Extensions für KI-Aufgaben unterstützen. Er soll dann auch gemeinsam mit Intels kommender Datacenter-GPU Ponte Vecchio auf Xe-Basis den Supercomputer Aurora antreiben.

Den 10-Nanometer-Prozess, er entspricht von den Strukturbreiten eher der 7-Nanometer-Fertigung von TSMC, scheint Intel inzwischen endlich im Griff zu haben. Dafür verschiebt sich die Massenfertigung von 7-Nanometer-Prozessoren, genutzt wird hier nun ein Verfahren mit kurzwelliger Belichtung im extremen Ultraviolettspektrum (EUV), auf das Jahr 2022. Sowohl TSMC, als auch Samsung haben bereits einen vergleichbaren 5-nm-Prozess mit EUV im Einsatz

Intel hat hier ein Problem bei der Ausbeute an voll funktionsfähigen Chips. Die Ursache wurde identifiziert, der Fehler ist aber noch nicht behoben. Daher strukturiert der Hersteller sein Management für den Fertigungsbereich um: Der Hardware-Chef von Intel, Murthy Renduchintala, musste das Unternehmen verlassen. Seine Aufgabe werden auf mehrere Manager verteilt, die alle direkt an den CEO Bob Swan berichten. Zudem denkt Intel darüber nach, Prozessoren zukünftig vermehrt extern produzieren zu lassen, etwa bei TSMC. Ein Kandidat dafür wäre Ponte Vecchio.

ARM-Prozessoren für Notebooks und Supercomputer

Die derzeitige Nummer eins in der Top-500-Liste der Supercomputer, der japanische Fugaku, nutzt aber weder Intel-, noch AMD-CPUs, sondern ARM-CPUs von Fujitsu. Der A64FX mit 48 Cores und HBM2 wurde speziell für Supercomputer entwickelt. Mit den Altra-CPUs von Ampere, dem Graviton2 der Amazon-Tochter Annapurna Labs oder dem Huawei Kunpeng 920 bekommen die x86-Prozessoren im Datacenter und beim Cloud-Computing Konkurrenz durch Prozessoren mit ARM-Architektur. ARM-SoCs drängen ebenfalls in den Markt für ultraportable Notebooks und 2-in-1-Rechner. Aktuelle Beispiele sind hier etwa das Surface Pro X von Microsoft oder das Galaxy Book S. Beide arbeiten mit Qualcomm-Snapdragon-SoCs, im Surface allerdings als Custom-Variante Microsoft SQ1. Auf der virtuellen Entwicklerkonferenz WWDC hat Apple angekündigt, in den nächsten Jahren komplett von Intel-CPUs auf die eigene ARM-Plattform zu wechseln, die der Hersteller schon für iPhone und iPad nutzt.

Die britische Firma ARM selbst steht derweil zum Verkauf. Das Unternehmen, das von der Weiterentwicklung und Lizenzierung der ARM-Architektur und von Chip-Designs an andere Prozessorhersteller lebt, gehört seit Mitte 2016 der japanischen Softbank. Ein möglicher Käufer ist Nvidia, die eigene ARM-SoCs im IIoT- und Automobile-Sektor einsetzen.

Lakefield: Intels ARM-Konkurrent

Als Gegenspieler zu den sparsamen ARM-Prozessoren mit ihren extrem langen Connected-Standby-Laufzeiten hat Intel den Lakefield-Prozessor entwickelt. Er nutzt ebenfalls wie die ARM-SoCs für ­Mobilrechner das Big-Little-Prinzip, das sparsame und schnelle Kerne kombiniert, die je nach Situation genutzt werden. ­Allerdings besteht der Intel-Prozessor aus vier Tremont-Atom-Cores und einem Sunny-Cove-Core, er bildet die Basis der mobilen Ice-Lake-CPUs, gemeinsam mit einer Gen11-Grafikeinheit. Sie bilden zusammen einen 10-nm-Die, der auf einem weiteren 22 nm-Die sitzt, der als aktiver Interposer und gleichzeitig als eine Art Chipsatz dient. Beide gestapelten Chip­lets sind gemeinsam auf einem Package untergebracht. Darüber ist als separater Chip noch der Arbeitsspeicher angeordnet. Da Tremont keine AVX-512-Instruktionen beherrscht, wurden diese auch für den Sunny-Cove-Core entfernt. Ansonsten könnte es passieren, dass ein Programm mit AVX-512-Unterstützung bei einem Wechsel auf die Tremont-Cores abstürzt, da die für die Ausführung nötige Hardware plötzlich nicht mehr vorhanden ist. Für Mobile-CPUs wie Lakefield ist AVX-512 allerdings auch nicht relevant.

Für die zweite Hälfte 2021 ist mit Alder Lake ein Big-Little-Prozessor mit einer größeren Zahl von „großen” und wohl auch „kleinen” Cores geplant, der wohl sowohl für stationäre, als auch für mobile Rechner kommen soll. Unklar ist hier noch, wie es den verfügbaren Instruktionserweiterungen aussehen wird. AMD hat noch keine konkreten Pläne für derartige Hybrid-Prozessoren benannt, aber zumindest schon einmal ein Patent eingereicht, das einen Prozessor mit unterschiedlichen Clustern von leistungsstarken „High-Feature”- und von besonders sparsamen „Low-Feature”-Cores beschreibt. Dabei soll der Aufruf von durch die sparsamen Cores nicht unterstützten Funktionen automatisch erkannt werden. Diese werden dann an die „High-Feature”-Cores übergeben.

Weitere Intel-CPUs für Notebooks und Desktop-PCs

Für stärkere Mobilrechner kommt demnächst der Ice-Lake-Nachfolger Tiger Lake zunächst als U-Variante mit vier Willow-Cove-Cores, integrierter Xe-GPU, Thunderbolt 4 und möglicherweise sogar PCIe 4.0. Später soll noch eine H-Variante mit bis zu acht Cores für Gaming-Notebooks und mobile Workstations folgen. In Tiger Lake ist eine Sicherheitstechnologie eingebaut, die Intel als Control-Flow Enforcement Technology (CET) bezeichnet. Sie soll vor Control-Flow-Hijacking-Angriffen schützen, die bereits im Arbeitsspeicher liegenden Programmcode legitimer Applikationen nutzen. Für Desktop-Rechner kommt demnächst Rocket Lake. Sie verwendet eine modifizierte Sunny-Cove-Architektur für eine höhere Leistung pro Takt und unterstützt voraussichtlich PCI-Express 4.0, wird aber weiterhin in einem 14-nm-Prozess hergestellt.

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