Limitiert meine CPU meine Grafikkarte? Wie viel Kerne sind genug? Ist hohe Taktrate alles?

Millionen Menschen wachen morgens auf stellen diese Fragen:

  • Limitiert meine CPU meine Grafikkarte (insbesondere eine alte Sandy oder Ivy-Bridge)
  • Wie viel Kerne sind genug (i5 oder i7)?
  • Ist hohe Taktrate alles?

Für diesen Test verwende ich eine CPU biblischen Alters (vier Jahre alte Ivy-Bridge-Architektur) mit gemächlichen 3 GHz auf einer Plattform die noch älter ist: Der Intel X79 Express Chipsatz feiert bald seinen fünften Geburtstag. In Verbindung mit einer drei Monate alten Grafikkarte vom Schlage einer nVidia GTX 1080 muss das doch ganz schön bremsen, oder nicht? Finden wir es heraus.

Testsystem:

  • Mainboard, Asrock X79 Professional, BIOS 3.10
  • CPU, Intel Xeon E5 2697 v2, 2.7 GHz@3 GHz
  • Arbeitsspeicher, 32 GB (4x8 GB Team Group Vulcan DDR3-1900)
  • Windows 7 x64 Pro, System Samsung SSD 840 (480 GB), Games Samsung SSD 840 EVO (960 GB)
  • Grafikkarte, EVGA GTX  1080 SC ACX 3.0@~2 GHz GPU/1367 MHz Memory@372.70




Seltsame CPU, die taugt nicht zum spielen

Ja und Nein, ich würde natürlich niemandem empfehlen sie sich nur zum Spielen zu besorgen. Spannend ist aber das es sich um einen Zwölfkerner handelt, der mit Hyperthreading 24 Threads gleichzeitig beackern kann. Intel gönnt dem Mainstream-Segment seit einem Jahrzehnt dagegen nicht mehr als vier Rechenkerne. Ich will einmal beleuchten ob und was uns da durch die Lappen geht bei modernen Spielen und sich der Nachteil bei der Taktrate sogar gravierend bemerkbar macht. Am Ende all der Testerei wird stehen: Wie viel CPU-Kerne sind genug und wir werden eine Idee davon bekommen wie wichtig die Taktrate bzw. IPC-Rate (verarbeitete Instruktionen pro Takt) ist.

Kurz Vorweg

In der jüngeren Geschichte (die letzten sechs Jahre) betreibt Intel im wesentlichen nur gemächliche Produktpflege (scheinbar) am unteren Ende. Es kommt zwar jedes Jahr eine neue CPU-Generation auf den Markt die bei gleichem Takt etwas mehr leistet (IPC) und etwas energieeffizienter wird. So richtige Durchbrüche sind das aber nicht. Ein kurzer Abriss:

  • Intel i5-2500/i7-2600 aka "Sandy Bridge"(Q1-2011, K-Versionen 4.5-5 GHz übertaktbar, noch heute voll bei der Musik)
  • Intel i5-3570/i7-3770 aka "Ivy Bridge" (Q2-2012, der hier verwendete Xeon entstammt dieser Generation)
  • Intel i5-4570/i7-4770 aka "Haswell" (Q2-2013)
  • Intel i5-5675/i7-5700 aka "Broadwell" (Q2-2015, kam so spät das man ihn sich auch hätte sparen können)
  • Intel i5-6600/i7-6700 aka "Skylake" (Q3-2015)
  • Intel "Kaby Lake" (Q2/2017)

Die großen Änderungen passieren am oberen Ende welches man als Normalverbraucher nicht wahrnimmt: Während wir nur einen Vierkerner sehen der auf den anderen folgt, wird bei den großen Serverbrüdern aus einem Vierkerner ein Sechskerner, Achtkerner, Zehnkerner usw. mit jeder Generation. Der hier verwendete "Ivy Bridge-Xeon" birgt zwölf CPU-Kerne, der Nachfolger in Form des aktuellen "Broadwell-Xeon" verfügt über 18 Kerne, 2017 werden die größten Skylake-Xeons bis zu 28 Kerne aufweisen. Diese Server-CPUs sind natürlich für optimal parallelisierbare Aufgaben gedacht, wie etwa zur Virtualisierung in Rechenzentren, Cloud- und Datenbankdiensten.

Der Konsument steht - ich wiederhole mich - derweil nach wie bei maximal vier CPU-Kernen. Seit dem AMD Phenom X4 und Intel Core 2 Quad, das war 2007! Mehr hält Intel auch weiterhin dem "Enthusiasten-Markt" vor, den Intel mit dem hier in diesem Testsystem verwendeten Sockel 2011 bedient (E-Zusatz/Sockel 2011 v1-3). 

Mess-Systematik

Dieser leicht abgehobene Prozessor "Intel Xeon E5 2697 v2" eignet sich ganz vorzüglich für die folgenden Experimente, denn wir lassen ihn testweise als Zwei-, Vier-, Acht- und Zwölfkerner auf aktuelle Spiele los und weil uns nur "echte" Kerne interessiere und wir davon mehr als genug haben, deaktivieren wir "Hyperthreading" im BIOS komplett. Da unser Xeon auch nur mit 3 GHz taktet ist er wirklich nur mit einem Desktop i5-3340 aus 2013 vergleichbar oder einem i5-2400S aus 2011.

Getestet werden aktuelle Spiele mit sinnvollen Einstellungen. Soll heißen wir machen hier keinen sinnfreien CPU-Test bei 800x600 in UltraLow, sondern wählen Einstellungen die (meistens) zu tatsächlich spielbaren und ansehnlichen Bildraten führen. Und wenn wir irgendwann ins GPU-Limit kommen (was mit dieser altertümlichen Hardware unmöglich ist), werden wir das merken.

Die Auflösung beträgt in allen Fällen 3440x1440 Bildpunkte. Wo interne Benchmarks verfügbar waren habe ich sie verwendet, wo nicht bin ich eine vordefinierte Strecke abgelaufen/geritten/gefahren und habe die Bildraten jeweils mit Mirillis Action! aufgezeichnet. Alle Spiele verwenden DirectX11, VSync und Frame-Limiter wurden deaktiviert.



Sechs Stunden Messerei später kommt so eine hässliche Tabelle zustande. Darüber muss man leider sprechen. Wer es gern schnell und ohne Erklärungen mag und wenn Geld keine Rolle spielt:

Der "Sweetspot" ist idealerweise ein Sechskerner mit 4.5 GHz (i7-4930k, i7-5930k, i7-6800k ftw!).  Das Hyperthreading sorgt dann noch im Idealfall dafür, dass die eigentliche Hauptanwendung durch diverse Hintergrundtasks praktisch nicht beeinträchtigt wird. Für die Plattform spricht weiterhin das Speicherinterface mit doppelter Bandbreite (Quad- statt Dual-Channel-Memory) und das die CPUs selbst 40 PCI-Express-Lanes zur Verfügung stellen statt 16 was für zusätzliche Erweiterungskarten wie Multi-GPU oder RAID-Controller sinnvoll ist.

Gut, die Antwort war vermutlich für die meisten nicht so billig wie erhofft zumal das alles gar keine Standard-Konsumentenware ist, von der ich ja beklage dass da schon bei vier Kernen Schluss ist. Das bedeutet, man hat mit einem Budget die Wahl zwischen einem i5-6600 oder i7-6700, beides Vierkerner, letzterer mit Hypertreading. Beide um 4 GHz Taktrate. Und die Wahl fällt nicht einfach. Also gehen wir etwas ins Detail.

Die Tabelle sagt uns folgendes zweifelsfrei:
  • Die Ära der Doppelkerner ist vorbei! Egal wie schnell, da muss man auch nicht mehr mit Hyperthreading rumeiern. Nicht mit modernen Spielen.
  • Damit sind Vierkerner Minimum, gleichzeitig im Consumer-Segment aber auch Maximum
  • Nur weil eine CPU/Plattform vier-sechs Jahre alt ist und mit "nur" 3 GHz taktet, muss sie noch längst nicht zu langsam für modernste Grafikkarten sein 
  • Mehr als vier Kerne skalieren durchaus nennenswert
  • Zwölf Kerne braucht zum Spielen heute sicher kein Mensch
Letztlich müsste man heute also einen i7-6700 empfehlen damit vier Rechenkerne definitiv für das Spiel zur Verfügung stehen und uns das etwas an Hyperthreading hoffentlich Windows und alle Hintergrundprozesse vom Leibe hält während man bei einem i5 schon das Risiko geht dass derartiges zu einem Schluckauf in der Hauptanwendung führt. Und dennoch könnten beide meine "Cities:Skylines" Demo-Stadt kaum wuppen und wir reden hier nicht von opulenten 60fps sondern von gut 30 die schon einen Achtkerner fordern. Dazu 50% Aufpreis (100,-€) nur für etwas Hyperthreading beim i7, für keinen einzigen echten Kern mehr den Preis für zwei ganze Kerne zahlen die einen wirklich retten würden? Gut, beide Skylakes führen rund 1 GHz mehr an Takt pro Kern ins Feld bekommen pro Takt auch mehr Arbeit erledigt, das muss man schon ausgleichend werten. Dennoch ist so ein 4 GHz Skylake mit Hyperthreading schon heute ohne viel Aufwand an seine Grenze zu bringen, selbst bei Spielen. Das spielt ihm in meinen Augen nicht gerade eine Favoritenrolle zu, wenn ich heute etwas kaufe und vier, fünf Jahre meine Ruhe haben will. Hat man keinen Dukatenscheißer bleibt einem ergo keine Wahl: i5-6600 der jetzt definitiv schon bei vielen Spielen (und nicht erst in hohen Auflösungen) dicke Backen macht oder 50% Aufpreis für den i7-6700 der im Prinzip nur einen hauchdünnen Vorsprung hat. Morgen dann schon nicht mehr. Ganz ehrlich: Ansprüche runterfahren oder sparen für X99-Plattform und i7-6800k.


Besprechung der Werte im Einzelnen

"Ashes of the Singularity"

Erwartbar CPU-Limitiert geht mit zwei Kernen fast gar nichts, mit vieren ist es schon runder, mit achten fällt der Zugewinn besonders stattlich aus, bei zwölf CPUs ist immerhin noch ein messbarer Zuwachs zu verzeichnen. 

"Dirt Rally"

Mit zwei CPUs kommen gerade noch brauchbare Bildraten zustande, mit vier Kernen befinden wir uns nahezu im Limit der Grafikkarte, mit acht CPU definitiv, dementsprechend gibt es hier keine weiteren Zuwächse

"F1 2016"

Nein, mit einer Doppelkern-CPU ist hier gar nichts zu wollen. Mit vier Recheneinheiten vervierfacht sich die Bildrate im Vergleich zu vorher, selbst bei acht CPUs steigt die Leistung nochmals um zweistellige Prozentwerte, ja sogar bei allen zwölf CPUs sind noch Zugewinne drin, die Min-FPS verbessern sich immerhin nochmal um 13%. Beeindruckend!

"Deus Ex: Mankind Divided"

Mit zwei CPU-Kernen sind wir noch arg beengt, ab vier CPU-Kernen sind keine Leistungszuwächse mehr drin da wir uns permanent im GPU-Limit befinden. Auch wenn es die Benchmarkwert nicht erahnen lassen, die Settings mit denen gebencht wurde sind im tatsächlichen Spiel praktisch für 60fps überall gut.

"Arma 3"

Irgendwo am Anfang habe ich gesagt das ich nur sinnvolle Einstellungen verwenden sollte, gut, ich kann für diese Spiel auf diesem Rechner keine sinnvollen Einstellungen treffen. Arma3 verfügt über einen "Main-Thread" (EINEN=Single), an dem hängen alle anderen. Und damit dieser eine Main-Thread nicht zum Spielverderber wird, hat man am besten eine Skylake-CPU mit fünf bis zehn Gigahertz. Die GPU wird an keiner Stelle auch nur 50% belastet, ich hätte noch 8xFSAA zuschalten können und die Ergebnisse wären kaum anders ausgefallen. Für Arma3 benötigt man die am höchsten getaktete CPU mit der höchsten IPC-Rate und eine Zeitmaschine, um diese samt Peripherie aus der Zukunft zu entwenden. Mehr als drei bis vier Kerne braucht es dafür immerhin nicht.

"Cities: Skylines"

Ein weiterer CPU-intensiver Kandidat. Überraschend durchaus dass die Werte für Zwei- wie Vierkern-CPU grausam sind und sich erst mit acht Rechenwerken ein brauchbares Spielgefühl einstellt, was sich wiederum mit mehr Kernen nicht weiter steigern lässt und trotzdem kein GPU-Limit darstellt. Hier scheinen einfach mehr als sechs CPU-Kerne nicht genutzt zu werden, so das dann wieder die Taktfrequenz und IPC-Rate ins Gewicht fällt. Wie bei Arma3, nur eben zeitgemäßer auf deutlich mehr Kernen.

"The Division"

Die Werte bedürfen kaum großer Erklärung. Ab acht CPUs hängen wir im GPU-Limit.

"Rainbow Six Siege"

Ähnlich wie bei The Division ist hier der Sweetspot im GPU-Limit schon mit vier Kernen erreicht.

"Witcher 3"

Auch hier: Vier Kerne sind gut, ein ganz klein wenig mehr (und sei es nur Hyperthreading!) besser und der Hexer lässt die GPU im Limit fönen

"Hitman (2016)"

Die enorme Zahl an NPCs die den Basar in Marrakesh oder die Modenschau in Paris bevölkern lassen sich offenbar sehr gut parallelisieren. Acht Kerne bringen auch hier das beste Ergebnis, dann befinden wir uns leider auch schon wieder im GPU-Limit.

"Mafia III"

Da das auf einem Doppelkern in der Regel nicht mal startet habe ich mir die Messung erspart. Vier Kerne knüppelt es auf Anschlag 100% zu, auch wenn die Bildraten erträglich aussehen sind sie es nicht, so möchte man in Mafia III nicht mal um den Block fahren. Versehentlich habe ich sechs Kerne gemessen (nicht in der Tabelle), die Werte sind identisch zu den Achtkern-Werten, sechs Kerne sind also definitiv der Sweet-Spot. Darüber hinaus tut sich nur etwas bei den Min-FPS, was aber locker im Rahmen der Messtoleranz liegen dürfte.

"Shadow Warrior 2"

Die Messwerte sind jenseits von vier Kernen etwas irritierend, da jedoch kein Kampf bei den vier Messungen gleich verlief rührt dies vor allem daher. Festhalten lässt sich definitiv das sich mit den gewählten Einstellungen auf einem Dual-Core kaum spielen lässt (GPU kaum über 30% ausgelastet) und es auf einem Quad-Core dagegen bereits rund läuft. Darüber findet keine eindeutig messbare Skalierung mehr statt, womit dieser "Unreal-Engine 4"-Titel sehr genügsam ausfällt.

Irgendwas ist immer

Zwei Kerne sind Grütze, vier Kerne sind Grütze. Sechs und mehr sind vielen (zu recht!) zu teuer, können aber heute bereits messbar mehr Sinn ergeben. Wenn die Werte in der Spalte "8x" doch immer die Besten sind, so gebe ich zu bedenken das bei einem Sechskerner bereits mehr oder weniger dasselbe stünde. Nur falls einer fragt: Ich war halt einfach zu faul für eine weitere Messreihe, kann dieser Erkenntnis jedoch vertrauensvoll basierend auf den vorhandenen Ergebnissen sinnvoll ableiten eben weil die Skalierung zwischen 4x und 8x so gering ist.

Das diese uralte "Ivy Bridge" mit seinen popeligen 3 GHz eine übertaktete GTX 1080 nicht ausreichend beschicken könnte muss einen ebenfalls nicht zwingend umtreiben. Bis auf zwei Titel (Cities: Skylines und Arma3) war es überall ein leichtes ins GPU-Limit zu kommen und das ohne VSR/DSR, Supersampling oder auch nur stinknormales AA jenseits von Postprocessing-Kantenglättung. Also auch eine Titan X (Pascal) ist mit dieser CPU problemlos klein zu kriegen.

Abstrahiert das mal!

"Das bringt mir nichts, ich spiele auch noch die nächsten 20 Jahre auf meinem FullHD-Mäusekino bei cineastischen 30fps, warum machste so ne Scheiß-Messungen überhaupt"

Ihr müsst (oder könnt) das für Euch selbst umdeuten. Wenn ich da was von 3440x1440 texte, dann sind dies fünf Millionen Pixel pro Einzelbild, die da berechnet werden wollen. Eine ähnliche oder mehr Rechenleistung benötigt man wenn man "nur" in FullHD

  • mit 120/144 Hz flüssig spielen will
  • mit Stereoskopie flüssig spielen will
  • mit VR flüssig spielen will (90 Hz pro Auge)
  • wenn man viele/alle Detail-Regler nach rechts schieben will (Kantenglättung anyone?)
  • oder VSR/DSR nutzen will


oder eben wirklich mal in Richtung höhere native Auflösungen geht:

  • FullHD   -> 1920x1080 -> 2 Megapixel
  • QHD      -> 2560x1440 -> 3.7 Megapixel
  • UWQHD -> 3440x1440 -> 5 Megapixel
  • UHD      -> 3840x2160 -> 8 Megapixel

und das noch in Eyefinity/Surround oder in Kombination mit den davor genannten Eigenschaften. Zur Erinnerung warum man am PC spielt: Weil man da eben so viele Dinge mit machen kann!

Was man ebenfalls ableiten kann ist, dass praktisch alle erhältlichen Grafikkarten für alles zu langsam sind und das Ergebnis nicht mal überwältigend dafür aussieht. Das eine sinnvolle FreeSync/G-Sync-Range ruhig bei 30 Hz beginnen darf und bis mindestens 85 Hz reichen. Ersteres weil die Messergebnisse das hier nahelegen, zweiteres weil dass der Wert ist den ich an Röhrenmonitore mindestens anliegen haben muss um kein Einzelbild mehr wahrzunehmen.

Und wenn der Leidensdruck nicht ganz so extrem ist, dann ist vermutlich zum ersten Mal in diesem Jahrzehnt bei der CPU ein Blick in Richtung AMD lohnend. Mancher hat ja "rumgeheult" weil das Engineering Sample nur mit 3 GHz läuft. Gut, was alte 3 GHz-CPUs noch können haben wir hier gerade geklärt und wenn der ZEN mit acht echten Cores plus Hyperthreading an den Start geht, dann ist das keine Kampfansage für die grausam überteuerten Consumer-Vierkerner von Intel (200-300,-€) die man kaum noch jemandem empfehlen mag, sondern eine an deren Broadwell-E.

Ja, die Konsolen!

"PS4 (Pro) und Xbox One (Scorpio), die haben je ne Mörder Achtkern-CPU, warum merkt man davon in Deinen Messungen hier nichts"?

Die AMD Jaguar-CPU ist in der Tat ein Acht-Threader. Nur bekanntlich sind AMD-CPUs in dem was sie pro Takt so an Arbeit schaffen relativ übersichtlich schnell und weil das noch nicht schlimm genug ist, taktet das Ding in den Konsolen irgendwo um 1.6-1.8 GHz. Deswegen kann auch jeder moderne Desktop-Vierkern-Prozessor die vierfache Auflösung bei doppelt so hoher Bildrate wuppen, vorausgesetzt die Grafikkarte ist schnell genug. Das soll nicht abwertend klingen, beide Hersteller haben bekommen wofür sie bezahlt haben und nur AMD konnte das kombiniert mit GPU und geringer Leistungsaufnahme realisieren.

Achtung: In allen Benchmarks stehen den Spielen die jeweils zugewiesenen CPU-Kerne in Gänze zur Verfügung, da ich bis zur letzten Messung mit allen zwölf Kernen erst mit dem Dritten überhaupt begonnen habe, so das die ersten beiden Kerne sowie die letzten acht/vier/zwei IMMER für die Hintergrundprozesse (Betriebssystem, Virenscanner, Steam etc.) gänzlich zur Verfügung standen.
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