Lakefield: Intels gestapelte Hybrid-CPU bietet 5 Kerne bei 7 Watt TDP
tl;dr: Eine der interessantesten CPU-Entwicklungen der letzten Jahre geht endlich offiziell an den Start: Intel Lakefield nutzt gestapelte Chips und mehrere CPU-Architekturen und will im mobilen Bereich nicht weniger als eine Revolution ausrufen. Der Marktstart erfolgt zögerlich, doch die Roadmap zeigt Großes.
Große Visionen, wenig PR
Auf überraschend kleiner Flamme enthüllt Intel die Lakefield-Generation am heutigen Tage offiziell. Dem innovativen Ansatz wird das eigentlich nicht gerecht. Lakefield soll in einem noch nie dagewesenen kleinen Package Core-Performance bieten und so eine neue Generation ultramobiler Endgeräte wie Foldables oder Dual-Screen-Smartphone-Tablets ermöglichen. Und all das unter voller Kompatibilität zu Windows, wie Intel betont. Das ist ein klarer Seitenhieb in Richtung Qualcomms Snapdragon 8cx, der im Samsung Galaxy Books S (Test) aktuell im Markt ist und eben nicht alles ausführen kann, was Anwender von Windows gewohnt sind. Im gleichnamigen Samsung Galaxy Book S erfolgt auch der Lakefield-Start zum Monatsende.
Lakefield stapelt zwei CPU-Architekturen, I/O, Chipsatz und DRAM
Der technische Ansatz bei Lakefield liest sich einfach, aber war schwierig umzusetzen. Statt Komponenten immer nur nebeneinander zu platzieren, werden sie bei Lakefield gestapelt. Was bei DRAM, 3D-NAND und anderen Speicherchips mit TSVs („Through-Silicon Via“ oder Silizium-Durchkontaktierung) bereits seit Jahren funktioniert, wird bei unterschiedlichen Chips jedoch komplizierter. TSVs spielen dabei aber erneut eine tragende Rolle.
Auf ein 12 × 12 mm kleines Package werden in Schichten die unterschiedlichen Teile gesetzt. Die 92 mm² umfassende Basisschicht enthält den Chipsatz, sorgt aber auch für die Stromversorgung des gesamten Chips. In 22FFL gefertigt, was eigentlich eher ein 14-nm- denn ein 22-nm-Prozess ist, ist diese Basis mit ihren 650 Millionen Transistoren extrem günstig mit hoher Ausbeute zu fertigen.
Darüber folgt die erste Schicht an Kontakten, die eine hohe Bandbreite bei sehr geringer Leistungsaufnahme bieten; TSVs übernehmen die Stromversorgung für die Chips darüber. Das sogenannte Die-2-Die-Konstrukt ist aber auch direkt auf eine passende Wärmeabfuhr ausgelegt, die beim sogenannten 3D-Stacking ebenfalls Neuerungen beinhaltet.
Auf dieser Zwischenschicht folgt der eigentliche Compute-Die. Auf nur 82 mm² dank 10-nm-Fertigung enthält dieser Chip mit insgesamt 4,05 Milliarden Transistoren alle Prozessorkerne, die Grafikeinheit, den Speichercontroller sowie die Multimedia-Schnittstellen.
Darüber sitzt der DRAM, der für sich genommen auch noch gestapelt sein kann, was als „PoP Memory“ (Package on Package) bezeichnet wird. Trotz der Schichten ist Lakefield letztlich lediglich exakt einen Millimeter hoch.
Die CPU/GPU: Sunny Cove, Tremont und Gen-11-Grafik
Das Herzstück von Lakefield ist der Compute-Die, und der hat es in sich. Die Kombination aus vier kleinen Tremont-Kernen und einem Big Core vom Typ Sunny Cove soll im mobilen Umfeld hohe Leistung in Alltagsszenarien abliefern, wobei für kurzfristige Taktspitzen der Sunny-Cove-Kern bevorzugt wird und parallel auszuführende Hintergrundaktivitäten dann von den Tremont-Kernen übernommen werden. Bei Bedarf arbeiten aber auch alle zusammen.
Die CPU-Kern-Architektur Sunny Cove ist aus der Prozessorfamilie Ice Lake bekannt und bietet einen IPC-Sprung von im Durchschnitt 18 Prozent gegenüber Skylake. Tremont, bekannt von Intel Atom, ist im Schnitt 30 Prozent schneller als die Goldmont-Atom-Architektur. Doch Sunny Cove ist in dem Bereich nicht gleich Sunny Cove: Die AVX512-Einheit wurde für Lakefield entfernt, das Feature Set wurde an Tremont angepasst (welches kein AVX512 kann) und unterm Strich so leicht abgespeckt.
Bei beiden Architekturen wird im Einsatzfeld Lakefield auf SMT oder, wie Intel es nennt, Hyper-Threading verzichtet. Pro Kern steht also immer auch genau ein Thread zur Verfügung. Das dürfte, ähnlich wie AVX512, auch aufgrund der Leistungsaufnahme der Fall sein, denn beide Techniken gelten als stromhungrig – im Call bestätigte Intel dies auch Rückfrage von ComputerBase.
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Intel Lakefield mit einem plus vier Kernen (Bild: Intel)
Ebenfalls im Compute-Die anzutreffen ist die Gen-11-Grafikeinheit, die ebenfalls erstmals bei Ice Lake genutzt wurde. Gegenüber dem Vorgänger bietet sie vor allem dank gesteigerter Anzahl der Ausführungseinheiten (EU) viel mehr Leistung. Die Vorgängergeneration bot in der Regel nur 24 EUs, jetzt gibt es drei Mal so viele, allerdings bei nur rund halb so hohem Takt.
Der Speichercontroller ist ebenfalls in den Compute-Die integriert, der Weg zum darüber liegenden Speicher kurz. Dieser folgt dem Standard LPDDR4X-4266 und ist bis zu 8 GByte groß. Das ist als Maximalausbau weniger als erwartet. Auf Kundenwunsch können es aber auch weniger sein, erklärte Intel auf Rückfrage der Redaktion vorab.
Alles aufs Stromsparen getrimmt
Ein mobiler Prozessor respektive das komplette Endgerät leben vom niedrigen Energiebedarf. Bei der CPU soll die Leistung möglichst hoch für die aufgenommene Energie ausfallen, weshalb bei Lakefield einige Neuheiten und angepasste Parameter zum Einsatz kommen. Die Grafik darf zum Beispiel zwar maximal 64 EUs aufbieten, mit höchstens 500 MHz aber nicht einmal halb so hoch wie in Ice Lake takten. Der Prozessorteil verhält sich wie bisherige Y-Modelle, was auch zur TDP-Einstufung von 7 Watt passt: Basistakt und All-Core-Turbo sind verhältnismäßig niedrig ausgelegt, nur in kurzen Spitzenlasten auf einem Kern darf die CPU höher takten. Der Single-Core-Turbo liegt dabei aber immer nur auf dem Sunny-Cove-Kern an, All Core gilt für die Tremont-Kerne.
Intel stellt letztlich vor allem den Energiebedarf im Leerlauf als gewichtiges Merkmal heraus. Denn der Leerlauf ist im Normalfall der Zustand, in dem ein Gerät die meiste Zeit verbringt. Mit nur noch rund 2,5 mW Standby-SoC-Power wird laut Herstellerangaben jeder Vorgänger um über 90 Prozent unterboten.
Zwei Modelle zum Start
Den Auftakt werden bei Intel zwei Modelle machen: ein Core i5 und ein Core i3. Interessanterweise bietet Intel keinen vom Marketing so gerne gesehenen Core i7 auf. Gegenüber ComputerBase erklärte der Hersteller, dass Core i3 und Core i5 eher zu den Leistungsergebnissen passen als auch zu den weiteren Elementen, die Kunden mit einem ultraportablen und Low-Power-Gerät verbinden würden.
Die zuvor durchgesickerten Spezifikationen erweisen sich im Nachgang als richtig. Core i3 und Core i5 unterscheiden sich primär über den Takt und die Grafikeinheit: Der Core i3 bekommt nur 48 statt 64 EUs.
| Modell | Kerne/Threads | Cache | Basistakt | max. Turbo 1C/5C | Grafik | EUs | GPU-Takt | Speicher | TDP |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Core i5-L16G7 | 5/5 | 4 MB | 1,4 GHz | 3,0 GHz / 1,8 GHz | UHD | 64 EUs | max. 0,5 GHz | max. 8 GB LPDDR4X-4267 | 7 Watt |
| Core i3-L16G4 | 5/5 | 4 MB | 0,8 GHz | 2,8 GHz / 1,3 GHz | UHD | 48 EUs | max. 0,5 GHz | max. 8 GB LPDDR4X-4267 | 7 Watt |
Während die TDP bei 7 Watt liegt, darf die Lakefield-CPU für eine nicht näher genannte Zeit auch bis zu 9,5 Watt (PL2) beziehen. Das betrifft dann auch die integrierte Grafik, die dann einen viel größeren Sprung von 500 MHz als definiertes Maximum auf bis zu 900 MHz machen darf. Sie schließt in jedem Fall die maximal möglichen 8 GByte LPDDR4X ein.
Herstellervergleich mit Core i-8000Y
Zum Start präsentierte Intel einige Ergebnisse, insbesondere mit Bezug zur älteren Y-Serie. Das bietet sich durch die TDP-Einstufung von jetzt 7 Watt und damals 5 Watt an, den Vergleich zu Ice Lake-Y mit 9 Watt geht Intel hingegen nicht. Er würde vermutlich deutlich andere Ergebnisse aufzeigen.
- Up to 24% better web browsing power efficiency: As measured by WebXPRT3 score per Watt on Intel® CoreTM i5-L16G7 vs. Intel® CoreTM i7-8500Y
- Up to 12% faster single threaded integer compute intensive application performance: As measured by SPEC CPU2006 on Intel® CoreTM i5-L16G7 vs. Intel® CoreTM i7-8500Y
v 2x throughput on Intel UHD graphics for AI-Enhanced Workloads: As measured by MLPerf v0.5 Inference with Offline Scenario using OpenVINO 2020.R2 framework Closed ResNet50-v1.5 offline FP16 GPU (Batch=128) workload on Intel® CoreTM i5-L16G7 versus Intel® CoreTM i7-8500Y
- Up to 1.7x better graphics performance: As measured by 3DMark 11 on Intel® CoreTM i5-L16G7 vs. Intel® CoreTM i7-8500Y
- Up to 54% faster at converting video clips to your favorite format: as measured by Handbrake RUG 1213 on Intel® CoreTM i5-L16G7 vs. Intel® CoreTM i5-8200Y
Intel-Benchmarks zu Lakefield
Wie üblich sollten die Werte erst von unabhängiger Seite bestätigt werden, Muster konnte Intel vorab nicht zur Verfügung stellen. Mit dem Samsung Galaxy Book S soll noch im Juni das erste Notebook im Handel stehen. Auch Samsung konnte, wollte oder durfte bisher aber noch kein Muster schicken.
Später im Jahr soll das Lenovo ThinkPad X1 Fold folgen. Weitere Ankündigungen gibt es bisher nicht, vom bisher geplanten Microsoft Surface Neo redet am heutigen Tage nach seiner Verschiebung auf 2021 keiner.
Ausblick auf nächste Generation
Mit der Hybrid-Technologie aus Sunny-Cove- und Tremont-Kernen und dem Stapeln von Chips hat Intel viel vor. Eine umfassende Roadmap sieht bereits mehrere Chip-Generationen vor. Auf das Erstlingswerk Lakefield mit seinen kombinierten 22- und 10-nm-Chips soll in naher Zukunft ein 10-plus-7-nm-Produkt folgen. Und die Roadmap reicht noch weiter: Auch 7-nm-Chipsatz und 5-nm-CPU werden bereits genannt.
ComputerBase hat Informationen zu diesem Artikel von Intel unter NDA erhalten. Die einzige Vorgabe war der frühestmögliche Veröffentlichungszeitpunkt. Am Abend und morgigen Tage will der Hersteller weitere Informationen bereitstellen. Je nach Informationsgehalt werden diese sukzessive ergänzt.
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Fabian und 
Jan-Frederik