Die CPU-Debatte: Kerne, Taktfrequenzen und die richtige Wahl für Workstations

Team Blau: Intels Weg zur Differenzierung

Die i7- und i9-Prozessoren von Intel wurden ursprünglich als ideale CPUs für den Gaming-Markt konzipiert. Für die Ausführung von Spielen ist eine hohe Taktfrequenz erforderlich, aber es handelt sich nicht um einen extrem kernintensiven Vorgang. Die i7- und i9-Prozessoren erfüllten diesen Bedarf auf dem Consumer-Markt perfekt.

Mit der Zeit wurden diese CPUs jedoch immer leistungsfähiger. Ihre anfänglichen Einschränkungen bei der Speicherkapazität gehörten der Vergangenheit an, da die Core X-Prozessoren 128 und sogar 256 GB Arbeitsspeicher aufnehmen konnten. Es wurden zusätzliche Kerne hinzugefügt, und schon bald waren diese Consumer-Prozessoren genauso leistungsfähig wie professionelle, Xeon-basierte Workstations – in einigen Fällen sogar besser. Zu einem bestimmten Zeitpunkt gab es Prozessoren der Core X-Serie von Intel mit 18 Kernen bei einer Basisgeschwindigkeit von 3,00 GHz und einer Turbo-Geschwindigkeit von 4,6 GHz.

Wie zu erwarten, brachte dies Produkte für den Consumer-Markt in den Fokus der professionellen Anwender, wodurch sich die beiden Bereiche zunehmend überschnitten.

Die Situation wurde durch die Einführung der für Workstations konzipierten Intel-Prozessoren der W-Serie nicht übersichtlicher. Diese wiesen in einigen Fällen eine niedrigere Taktfrequenz und eine geringere Kernanzahl als die Core X-Prozessoren für Endverbraucher auf. Dies führte dazu, dass Tier-1-Hersteller wie HP Systeme anboten, die sowohl i7- als auch i9-Intel-Core-Workstations enthielten, wodurch die Grenzen zwischen Core- und Xeon-Prozessoren weiter verwischten.

Intel hat sich dieser Situation angenommen und versucht seither, eine klare Unterscheidung zwischen Consumer- und professionellen CPUs zu treffen. Die Entwicklung vom Core X der 10. Generation zum Core X der 11. Generation wurde gestoppt, und bei den i7- und i9-Prozessoren für Verbraucher wurden die Kerne von zehn auf acht reduziert.

Team Rot: AMDs Kern-Offensive

Intels CISC-Design (Complex Instruction Set Computer) existiert bereits seit langem und stellt die eine Seite der Kernzahl-Eskalation dar, die wir in letzter Zeit erlebt haben. Die andere Seite ist AMD. Der Hersteller hat mit seinem Threadripper – einer CPU, die ebenfalls auf den Gaming-Markt abzielte, aber mit bis zu 32 Kernen ausgestattet war – ebenfalls zur Verwirrung beigetragen. Das AMD-Chiplet-Design mit hoher Kernzahl kann, wie man am Beispiel des AMD EPYC 9654 sieht, unglaubliche 96 Kerne auf einem einzigen Chip unterbringen. Dies hat dazu beigetragen, die moderne Super-Sockel-Ära einzuleiten, bei der das gesamte System von einem einzigen Chip aus betrieben wird, der in einen Sockel auf dem Mainboard gesteckt wird.

Tier-1-Hersteller begannen schnell, Threadripper-Chips auch in professionellen Workstations einzusetzen. Lenovo war der erste Hersteller, der die Threadripper Pro anbot, bald gefolgt von Dell und HP.

Kerne als Alarmzeichen: Das Problem mit der Hitze

Seit geraumer Zeit ist jedoch klar: Das bloße Hinzufügen von Kernen führt zu einer massiven Wärmeentwicklung. Da überhitzte Prozessoren vermieden werden müssen, mussten die Taktraten gedrosselt werden, um die thermische Last zu reduzieren.

Diese Entscheidung hat sich spürbar auf die Xeon-CPUs ausgewirkt. Hier stellen wir fest, dass eine höhere Kernzahl fast immer zu einer niedrigeren Basisfrequenz führt. Selbst mit leistungssteigernden Funktionen wie AVX2 und dem neueren AVX512 konnten nur bestimmte Prozessoren der Xeon-Reihe über alle Kerne hinweg mit den angegebenen Basistakt- und Turbogeschwindigkeiten arbeiten.

Gibt es eine Lösung für dieses Problem? Seit einiger Zeit entwickelt ARM seine big.LITTLE-CPU-Architektur. Ursprünglich im Mobiltelefonbereich erprobt, verbindet dieses Design langsamere, energieeffizientere Kerne mit schnelleren, leistungsstärkeren Kernen. Dieses Gleichgewicht innerhalb des Chips selbst wurde durch die Notwendigkeit angetrieben, in Smartphones Akkustrom zu sparen und dennoch anspruchsvolle Anwendungen ausführen zu können. Dieser Ansatz lässt sich auch auf das Dilemma zwischen Kernanzahl und Taktgeschwindigkeit bei Workstations übertragen, wie sich bei Intels Alder-Lake- und Raptor-Lake-Systemen zeigt.

Die Wahl der richtigen CPU für VFX und 3D

Die Auswahl der passenden CPU für eine bestimmte Anwendung ist extrem komplex geworden. Basiert die Entscheidung auf der Anzahl der Kerne? Auf den Taktfrequenzen? Auf den genutzten Anwendungen? Auf der benötigten Energie oder schlicht auf dem Preis? Eine kluge Entscheidung erfordert die Berücksichtigung all dieser Faktoren.

VFX-Workflows erforderten schon immer ein feines Gleichgewicht zwischen Kernen und Taktfrequenz. Bei Multi-Thread-Aufgaben wie Simulation, Rendering und Licht-/Look-Entwicklung hat die Leistung mehrerer Kerne in der Regel Priorität. Bei Single-Thread-Anwendungen wie Modellierung, Texturierung und Animation steht dagegen die reine Taktrate im Vordergrund.

Was aber tun kleinere Studios, die Workstations benötigen, die beide Aufgabenbereiche effektiv abdecken müssen? Hier werden meist Allround-Maschinen mit einem optimalen Verhältnis aus Kernanzahl und hoher Taktrate eingesetzt. Der Schlüssel liegt darin, die beste Allround-Leistung zum passenden Budget zu finden.

Größere Studios hingegen können hochspezialisierte Entscheidungen treffen. Hier wird die Workstation als Spezialmaschine konzipiert, die entweder bei kernintensiven oder bei taktfrequenzintensiven Aufgaben brilliert.

Intel hat diese Entscheidungsfindung mit seinen Alder-Lake- und den neueren Raptor-Lake-CPUs weiter verfeinert. Bei den Alder-Lake-CPUs (12. Generation der i7- und i9-Prozessoren) wurde ein Sockel-Design eingeführt, das P-Kerne (Performance-Kerne) und E-Kerne (Efficiency-Kerne) kombiniert.

Die P-Kerne verfügen über die vollen Multi-Thread-Fähigkeiten, die man von den Vorgängergenerationen kennt. Unterstützt werden sie von den E-Kernen. Diese sind zwar nicht Multi-Thread-fähig und weniger leistungsstark, übernehmen aber Workflows, die keine hohe Rechenleistung erfordern. Zudem arbeiten sie extrem stromsparend.

Die Raptor-Lake-CPUs der 13. Generation zeigen unter Windows 11 und Rocky Linux die klaren Vorteile dieser Architektur. Die i9-13900KS-CPU erreicht in bestimmten Szenarien eine maximale Turbofrequenz von 6,00 GHz, während alle Performance-Kerne eine Basisfrequenz von über 5,00 GHz halten. Auch die E-Kerne sind mit einer Turbofrequenz von 4,30 GHz beachtlich leistungsstark.

Mit acht P-Kernen und 16 E-Kernen bietet dieser Chip hervorragende Taktraten für Single-Thread-Software und gleichzeitig genügend Kerne für Multithreading-Anwendungen. Da dieses Design am Anfang seiner Entwicklung steht, sind zukünftig weitere Optimierungen zu erwarten.

Jenseits der Hardware: Betriebssysteme im Fokus

Wie bei jeder Hardware hat die Architektur direkte Auswirkungen auf das Betriebssystem und die Software. Auch hier gibt es wichtige Aspekte zu beachten.

Auf Betriebssystemebene nutzt Intel den „Thread Director“, der es Windows 11 ermöglicht, diese neuen Kombinationen spezialisierter Kerne optimal auszulasten und Prozesse den passenden Kernen zuzuweisen. Unter Windows 10 gestaltet sich dies jedoch schwieriger. Auf Intels eigener Website heißt es dazu: „Thread Director funktioniert mit Windows 10 Scheduler, ist aber nicht dafür optimiert.“

Da viele Studios weltweit nach wie vor auf Windows 10 setzen, besteht hier ein reales Risiko: Teure High-End-Workstations können ihr volles Potenzial nicht ausschöpfen, weil das Betriebssystem nicht optimal zwischen P- und E-Kernen unterscheidet. Dies kann dazu führen, dass rechenintensive Aufgaben fälschlicherweise den langsameren E-Kernen zugewiesen werden und umgekehrt.

HPC-CPUs: Threadripper und Sapphire Rapids

So beeindruckend Intels Alder- und Raptor-Lake-Prozessoren auch sind: Sie wurden nicht entwickelt, um direkt mit AMDs Threadripper- und EPYC-CPUs im Bereich von Simulation, Rendering und Machine Learning zu konkurrieren.

Für diese rechenintensiven Bereiche hat Intel mit der Sapphire-Rapids-Plattform einen direkten Konkurrenten etabliert. Diese skalierbare Xeon-CPU der 4. Generation ermöglicht bis zu 56 physische Kerne auf einem einzigen Sockel. Da einige Mainboard-Hersteller Dual-Sockel-Systeme unterstützen, lassen sich Workstations mit bis zu 112 Kernen bzw. 224 Threads realisieren.

Diese Plattform ebnet auch den Weg für PCIe 5.0, DDR5-Arbeitsspeicher sowie spezialisierte Beschleuniger wie IFS, DSA, QAT, DLB und IAA. Das Potenzial für extrem schnelle Systeme ist enorm, muss jedoch differenziert betrachtet werden, da nicht alle Beschleuniger in jedem CPU-Modell integriert sind. Auch hier gilt: Eine Entscheidung ohne genaue Bedarfsanalyse kann zu ungenutztem Potenzial führen.

Wie viele Kerne sind zu viel?

Bei all dieser theoretischen Leistung stellt sich die praxisnahe Frage: Wie viele Kerne sind tatsächlich sinnvoll? Aktuell zeigt sich, dass 32 Kerne für die meisten Standard-Workstations die wirtschaftliche Obergrenze darstellen. 64 Kerne sind zwar attraktiv, der Leistungszuwachs rechtfertigt jedoch oft nicht den deutlichen Aufpreis. Dies gilt besonders für Studios, in denen 32 Kerne für rund 70 % der täglichen Aufgaben völlig ausreichen. Ob sich die Investition für die verbleibenden 30 % der Zeit lohnt, muss individuell kalkuliert werden.

Zudem spielt der Energieverbrauch eine immer wichtigere Rolle. Da Stromkosten und Nachhaltigkeit zunehmend an Bedeutung gewinnen, ist die Leistungsaufnahme ein entscheidender Grund, warum viele Unternehmen bei Systemen mit maximal 32 Kernen bleiben.

Die Raptor- und Alder-Lake-Architekturen versuchen dieses Problem durch ihren Hybrid-Ansatz aus P- und E-Cores zu lösen. Da diese Technologien jedoch noch relativ neu im professionellen Segment sind, wird sich die langfristige Effizienz im breiten Studio-Alltag erst noch final beweisen müssen.

Die CPU-Entwicklung bleibt dynamisch und spannend. Die enorme Auswahl kann jedoch schnell zu einer Überforderung bei der Beschaffung oder zu Fehlentscheidungen führen. Ob im VFX-Bereich, in der Animation oder in der Architektur: Diese neuen, spezialisierten Prozessoren bieten herausragendes Potenzial – vorausgesetzt, sie werden exakt auf den jeweiligen Workflow abgestimmt.