Was gibt es neues auf dem CPU Markt?

Einleitung

Oft werde ich gefragt, warum im fis Audio PC die teure Flaggschiff CPU Intel® Core™ i9-13900K verwendet wird. Die Gründe sind vielfältig. Zu nennen sind unter anderem die ultimativen Upsamplingfähigkeiten, bessere Kühlleistung, Silicon Lottery und einfach ein störungsfreieres Hören, siehe nächstes Kapitel Grundlagen.

Es gibt meines Wissens keinen anderen lüfterlosen Audio PC, welcher mit der höchsten CPU Produktreihe angeboten wird. Die meisten halten sich mit genauen Angaben sehr bedeckt. Ich lege immer alles offen.

Und nun steht ein Intel Core i9-14900K in den Startlöchern. Lass dich überraschen, was ich herausgefunden habe und ob dieser Core demnächst für den fis Audio PC angeboten wird.

Der Vollständigkeit halber möchte ich erwähnen, dass ich auch einen Vergleich Intel vs. AMD Prozessoren durchgeführt habe. Mein Fazit war für AMD nicht berauschend.

Grundlagen

Upsamplingfähigkeiten

Viele sind gegenüber dem Upsampling skeptisch eingestellt und bringen als Argument, dass das Hochrechnen der Samplingraten keine neuen Informationen aufdecken kann, die in der Quelle nicht vorhanden sind. Darum geht es auch nicht, sondern das Original soll bestmöglich reproduziert werden. Denn die von den Musikern analog gespielte Musik, welche in digitaler Form umgewandelt wurde, muss dich als Musikhörer wieder analog erreichen. Und da gibt es durchaus Verbesserungspotenzial.

Moderne Aufnahmen sind häufig von Loudness War und fehlerhafter Analog zu Digital Konvertierung (ADC) gekennzeichnet. Hier können apodisierende Filter helfen. Außerdem kann das Upsampling den DAC in seiner Arbeit entlasten und ihn in seinem Sweet Spot betreiben. Die Umwandlung von PCM (Puls-Code-Modulation – Wikipedia) in DSD (Direct Stream Digital – Wikipedia) kann digitale Schärfen deutlich vermindern. Es gibt sogar DAC Hersteller wie T+A, welche einen leistungsstarken Computer ausdrücklich empfehlen. Mehr Infos findest du in den Grundlagen: Audio PC Upsampling.

Während das Usampling von PCM für moderne CPUs leicht bewältigt werden kann, ist es bei der Konvertierung von PCM zu DSD schon anders. Nicht nur die Samplingraten im Megahertzbereich fordern die CPU, sondern vor allem die Modulatoren (Deltamodulation – Wikipedia). Der HQPlayer ist führend im Design hochentwickelter Modulatoren, die oft (je nach Quellrate und Filter) eine Taktfrequenz von 4GHz je Kanal erfordern.

Kühlleistung

Die Kühlung von Chips ist immer ein Problem, besonders wenn die Kühlung passiv erfolgen soll. Siehe auch mein Beitrag: Welche Nachteile haben Lüfter in Audio PCs?

Gegen Hochleistungsprozessoren wie dem Intel® Core™ i9-13900K wird oft die hohe TDP (Thermal Design Power) von 125W (Turbo bis 253W) angeführt. TDP ist die maximale thermische Verlustleistung generiert von einem Chip (wie einer CPU), auf deren Grundlage eine Kühllösung konzipiert wird. Wichtig: Dabei handelt es sich um einen nominellen Wert. Die TDP sagt jedoch nichts über den tatsächlichen Energieverbrauch aus!

Bei einem Upsampling von PCM auf DSD1024 liegt die Stromaufnahme beim fis Audio PC bei durchschnittlich 60W-70W. Siehe mein Newsletter: Erfahrungsbericht fis Audio Server mit FARAD Super10. Es wird somit nicht das ganze Potenzial der CPU genutzt, was auch beabsichtigt ist. Stell dir vor du fährst bei Tempo 130 mit einem Vierzylindermotor über die Autobahn. Und steigst dann um auf einen Sechszylinder und fährst mit der gleichen Geschwindigkeit. In welchem Fahrzeug sind Laufruhe und Beschleunigungsreserven besser?

Trotzdem ist bei Werten von 70W die passive Kühlung immer noch eine Herausforderung. Auch hier hilft eine bessere CPU-Qualität. Bei Intel Prozessoren mit dem Zusatz „K“ ist der Prozessor (CPU-Die) mit dem Heatspreader verlötet und kann daher besser gekühlt werden.

Silicon Lottery^*

Die Silicon Lottery bezieht sie sich darauf, dass innerhalb derselben Modellreihe von CPUs aufgrund natürlicher Variationen in den Fertigungsprozessen einige Prozessoren bessere Eigenschaften aufweisen können als andere.

Auswirkungen auf die Prozessoren

Diese Unterschiede können sich auf verschiedene Aspekte beziehen, wie zum Beispiel:

• Leistung
  Einige CPUs innerhalb einer Modellreihe können bessere Leistungseigenschaften aufweisen als andere.
• Energieeffizienz
  Einige CPUs können effizienter arbeiten und weniger Energie verbrauchen als andere, selbst wenn sie dasselbe Modell sind.
• Übertaktbarkeit
  Einige CPUs lassen sich besser übertakten als andere, was bedeutet, dass sie höhere Taktraten erreichen können.
• Funktionseinschränkungen
  Einige CPUs weisen nicht alle erforderlichen Eigenschaften der Top-Reihe aus. So könnte einer der Kerne oder die integrierte Grafikeinheit fehlerhaft sein.

Auswertungen zur Silicon Prediction (SP)

Zu diesem Thema passt eine Auswertung von igor’s LAB zur sogenannten Silicon Prediction (SP) – also Silizium-Prognose. Im Bild unten wurden für 132 Intel i9-13900K Cores die SP-Werte ermittelt. Der Durchschnitt liegt bei 99,6. Die Spreizung ist mit dem schlechtesten Wert von 81 bis zum besten Wert von 114 sehr hoch!

Immerhin hinterlegt Intel für jeden einzelnen Chip eine spezielle V/F Kurve. Diese Kurve definiert, wie viel Spannung bei welchem Takt beim Mainboard angefordert wird (SVID). Damit werden die fertigungsbedingen Toleranzen ausgeglichen und sichergestellt, dass jede CPU stets stabil und zugleich möglichst kühl und effizient betrieben wird. Eine höhere Spannung bedeutet jedoch auch, dass mehr Kühlleistung erforderlich wird und das Netzteil mehr leisten muss.

Als kleine Manufaktur können wir schlecht hunderte CPUs kaufen und die Besten im fis Audio PC einsetzen. Jedoch prüfen wir jede CPU auf eine unbeschädigte Versiegelung und auf einwandfreie Kontakte. Und wir stellen mit umfangreichen (Hör-)Tests sicher, dass der verwendete Prozessor die geforderten Upsamplingraten ausführen kann.

Werden fehlerhafte höhere Produktreihen für niedrigere Produktreihen eingesetzt?

Möglicherweise können Prozessoren, die nicht die Anforderungen für ein bestimmtes Top-Modell erfüllen, neu konfiguriert werden, um in niedrigeren Produktlinien verwendet zu werden. Dies könnte bedeuten, dass ein Prozessor, der aufgrund eines defekten E-Cores zum Beispiel nicht die Anforderungen für einen i9-13900 Prozessor erfüllt, stattdessen in einer i7-13700 Produktlinie eingesetzt wird, weil hier weniger Kerne erforderlich sind.

Es sind Spekulationen und es ist im Grunde nicht verwerflich, wenn die Spezifikationen der unteren Produktreihe erfüllt werden. Aber sicher ist es besser mit der obersten Produktreihe zu arbeiten, da diese Durchreichung nach unten (sofern es wirklich so gemacht wird) nicht möglich ist.

Störungsfreieres Hören

Von Gegnern moderner Hochleistungs-CPUs wird oft das elektrische Rauschen angeführt, welches den Klang beeinträchtigt. Das ist bis zu einem gewissen Grad richtig. In der Tat werden sogenannte Einplatinen Computer wie Raspberry Pi – Wikipedia als Endpunkte vor dem DAC eingesetzt. Der HQPlayer stellt zum Beispiel für sein Übertragungsprotokoll NAA (Network Audio Adapter) ein kostenfreies Programm zur Verfügung.

Nur kannst du mit diesen einfachen Computern schlecht umfangreiche Musikbibliotheken verwalten oder ein Upsampling durchführen. Außerdem mehren sich Berichte, dass leistungsfähigere Computer einfach einen besseren Klang ermöglichen. Siehe zum Beispiel ein Bericht von Nenon:

Ich werde keine Namen nennen, aber jedes Mal, wenn ich heute einen Server höre, auf dem Roon ausgeführt wird und der von schwachem Celeron oder Pentium angetrieben wird, kann die Präsentation, die ich höre, sauber klingen, klingt aber auch dünn und steril. Für mich gibt es einfach kein Zurück und ich vermute, dass diese Unternehmen, sobald sie ihre eigenen Tests durchgeführt haben, anfangen werden, CPUs mit höherer Leistung einzubauen.

A novel way to massively improve the SQ of computer audio streaming – Page 616 – Music Servers – Audiophile Style

Oder ein Bericht von Topk

Hochleistungs-CPUs klingen voller, schwerer, entspannter, analoger und detaillierter als CPUs mit weniger Leistung (ich persönlich habe 3700x vs 3900x ausprobiert). Dies ist ein sehr klarer, sehr starker Unterschied. Ich würde die CPU mit der höchsten Leistung für Audio-PCs nur nach persönlichen Tests verschiedener CPUs mit unterschiedlichen Leistungsstufen empfehlen. Geringere Leistung = dünnerer Klang. Einfach.

Building a DIY Music Server – Page 81 – Music Servers – Audiophile Style

Die mögliche technische Erklärung liegt darin, dass kleinere Prozessoren schnell gestresst sind. Wenn sie bis zum Anschlag arbeiten, werden sie aufgrund der Wärmeentwicklung gedrosselt. Geringste Latenzen sind nicht mehr umsetzbar.

Die Kunst liegt in der Auftrennung in einen Control PC (für die Speicherung, Verwaltung und Steuerung der Musik) und in einen Audio PC (für das Upsampling und Rendern). Der Control PC kann auch ein NAS sein, während der Audio PC die Hochleistungs-CPU beinhaltet. Siehe Grundlagen: Audio PC & Control PC.

Damit das elektrische Rauschen nicht zum DAC durchschlägt, empfehle ich PCIe-Karten mit zum Beispiel galvanischer Trennung (Solarflare Glasfaser Kit) oder rauschfreier Stromversorgung wie die JCAT USB/NET Karten.

Fertigungsarchitektur

 Nach Moore’s law verdoppeln sich die Transistoren alle 2 Jahre.

Fertigungsprozesse

Damit das umsetzbar ist, wird die Transistordichte auf den Prozessoren immer weiter erhöht. Dadurch werden die Abstände der Transistoren kleiner, welches eine hohe technologische Herausforderung bei der Chipproduktion darstellt.

Die Hersteller versuchen sich hier zu übertreffen. Das führt zu dem Nanometer-Rennen: Intel führt neue Node-Namen wie „Intel 7“ und „Intel 4“ ein – ComputerBase. Die neuen Bezeichnungen lehnen sich damit an Samsung und TSMC an, die Chips gemäß der eigenen Klassifizierung in 7 und 5 nm fertigen und auf dem Weg zu 3 nm sind. Intel selbst will den Begriff Nanometer weglassen und nur noch Namen wie „Intel 7“ (10 nm) vergeben. Denn laut Intel stimme der Begriff hinsichtlich der Gate-Länge, auf die die ursprüngliche Bezeichnung abzielte, schon seit dem Jahr 1997 nicht mehr.

Intel Raptor Lake

Raptor Lake ist Intels Codename für die 13. Generation von Intel-Core-i-Prozessoren, die mit der Intel-7-Fertigungstechnologie hergestellt wurden. Der Nachfolger ist Raptor-Lake-Refresh und wird noch dieses Jahr als 14. CPU-Generation angeboten. Arrow Lake (vermutlicher Herstellungsprozess Intel 20A – 3 nm) für den Desktop und Meteor Lake für Notebooks kommen frühestens im Jahr 2024.

Prozessorsockel

Der Sockel 1700 (auch als LGA1700 bezeichnet) ist ein Prozessorsockel für Intel-Desktop-Prozessoren mit Alder-Lake- und Raptor-Lake-Mikroarchitektur (die 12. und 13. Generation der Intel-Core-Prozessoren).

Er ersetzte die Sockel 1151/1200 und besitzt 1700 hervorstehende Pins für die Kontaktflächen des Prozessors. Im Vergleich zu seinem Vorgänger besitzt er 500 Anschlusspins mehr, sodass sich die Abmessungen von Sockel und Prozessor vergrößerten. Auch der Nachfolger Raptor-Lake-Refresh wird den Sockel 1700 haben, so dass bestehende Motherboards weiter genutzt werden können.

Erst bei Arrow Lake Prozessoren wird es einen neuen LGA 1851-Sockel geben. Mit der Einführung ist frühestens im Jahr 2024 zu rechnen. Damit wird die Anschaffung neuer Motherboards unumgänglich.

Intel Raptor-Lake-Refresh

In der Tabelle unten habe ich die bisher im fis Audio PC eingesetzten CPUs mit Intels neuen i9-14900K verglichen.

Technische Unterschiede zwischen i9-14900K und i9-13900K

Wie schnell zu erkennen ist, sind die Unterschiede vom i9-14900K zum Vorgänger i9-13900K sehr gering. Zu nennen sind

• Steigerung des Basistakts um 0,2 GHz auf 3,2 GHz
• Der Turbo erhöht sich ebenfalls um 0,2 GHz auf 6 GHz

CPU-Benchmarks

In der Tabelle sind unten die Benchmarks bei der Rechenleistung angegeben. Während es von der 9. Generation zur 12. Generation einen sehr großen Sprung gab und sich anschließend mit der 13. Generation mit rund 30% mehr Leistung fortsetzte, fällt die Leistungssteigerung zur 14. Generation doch sehr bescheiden aus.

Die Angaben schwanken. Einmal hier: Core i9-14900K: Intels neues Flaggschiff ist in CPU-Z nur bis zu 9 Prozent schneller (pcgameshardware.de)

Und hier: Intels interne Performance Projektion für Raptor Lake S Refresh und Arrow Lake S – So schnell könnten CPU und iGP werden | Exklusiv | igor´sLAB (igorslab.de). Da werden für Raptor Lake Refresh intern zwischen ein und zwei Prozent mehr Performance zugestanden, die maximal aus der Taktsteigerung resultieren. Die Taktsteigerungen im Turbo sind für den fis Audio PC nicht wichtig, da die Taktrate sowieso bis max. 4,4 GHz beschränkt bleibt. Sonst werden der Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung zu hoch.

Vergleichstabelle i9-14900K zu i9-13900K zu i9-12900K zu i9-9900K

Zusammenfassung

Den fis Audio PC zeichnen ultimative Upsamplingfähigkeiten, eine hervorragende Kühlleistung und störungsfreies Hören aus. Damit das so bleibt, werden CPUs der obersten Produktreihe eingesetzt. Auch um das Risiko der Silicon Lottery zu minimieren.

Bei Intels Raptor-Lake-Refresh haben wir uns die technischen Unterschiede zwischen i9-14900K und i9-13900K angesehen, die sehr gering ausfallen. Auch der Leistungszuwachs ist bescheiden. Wenn mit der Produkteinführung im Oktober 2023 nicht noch etwas entscheidendes passiert, bleibt es beim bewährten i9-13900K für den fis Audio PC.

Erst bei den Arrow Lake Prozessoren wird es mit den neuen LGA 1851-Sockel und dem verbesserten Fertigungsprozess (höhere Transistordichte) interessant. Da dürfte sich ein Wechsel lohnen, aber bis dahin wird noch einige Zeit vergehen.