Intel Core i9-9900KS: tanta potenza con il TDP che imbriglia

Maggio 2019: nelle giornate precedenti l'apertura ufficiale del Computex di Taipei Intel organizza una conferenza stampa, durante la quale annuncia il prossimo debutto di una nuova CPU della famiglia Core destinata al segmento di fascia media del mercato. Il nuovo processore prende il nome di Core i9-9900KS, molto simile a quello del modello Core i9-9900K che è in commercio dall'autunno 2019 e che nella gamma Intel rappresenta la proposta di vertice per schede madri dotate di socket 1151 LGA.

I proclami iniziali per questo processore sono molto ambiziosi: si tratta infatti della prima CPU capace di operare in modo stabile sino alla frequenza di 5GHz di serie, sfruttando al massimo delle loro potenzialità tutti e 8 i core integrati. Per il modello Core i9-9900K il valore di 5GHz era già stato ottenuto, ma garantito come frequenza di boost clock per un singolo core scendendo a 4,7GHz per quella boost con tutti i core utilizzati. Ne segue anche un aumento della frequenza di base clock, che dai precedenti 3,6 GHz passa a 4 GHz. Di fatto quindi possiamo identificare la CPU Core i9-9900KS come un modello Core i9-9900K evoluto, capace di frequenze di clock superiori e che per questo porta in dote un consumo più elevato: da 95 Watt si passa a 127 Watt di TDP.

Nella tabella seguente sono riassunte le specifiche tecniche di tutti i processori Intel Core di nona generazione, dai modelli Core i3 a quelli Core i9. Sono tutti costruiti con tecnologia produttiva a 14nm++ e basati su architettura Coffee Lake.

Il nuovo processore viene proposto da Intel ad un listino ufficiale di 512 dollari, cifra di poco superiore ai 488 dollari del modello Core i9-9900K dal quale di fatto deriva. Notiamo come le versioni di processore Intel Core contraddistinte dalla presenza della lettera F nel nome siano sprovviste di GPU integrata; Intel ne ha recentemente rivisto i listini riducendoli leggermente rispetto alle corrispondenti versioni che offrono GPU integrata al proprio interno.

In questa tabella sono messi a confronto i processori AMD Ryzen 3000 con quelli Intel Core di nona generazione, basati rispettivamente su piattaforme socket AM4 e Socket 1151 LGA. Si nota chiaramente come a parità o quasi di prezzo i modelli Ryzen offrono un maggior numero di core e/o la possibilità di elaborare più threads in parallelo; per i modelli Intel, invece, notiamo frequenze di clock base e soprattutto Turbo più elevate della controparte AMD. Vedremo in seguito, attraverso i nostri benchmark, in quali ambiti applicativi una famiglia di processori abbia vantaggio sull'altra e viceversa.

Clock Turbo: quanto regge sino a 5 GHz?

Il processore Intel Core i9-9900KS è caratterizzato da una frequenza di clock Turbo massima che tocca i 5 GHz quando tutti i core sono sfruttati al massimo delle loro capacità. Il valore Turbo, e questo vale per tutti i processori Intel, è un dato di riferimento che viene indicato ma non può essere garantito per il TDP al quale il processore viene certificato.

Il valore di TDP è indicato da Intel quale quello di consumo massimo che il processore registra nel momento in cui viene utilizzato alla frequenza di base clock. Nel caso della CPU Core i9-9900KS questo valore è di 127 Watt a 4 GHz di clock, mentre per il modello Core i9-9900K il valore di TDP di 95 Watt è ottenuto alla frequenza di base clock di 3,6 GHz. Il funzionamento a frequenze più elevate, accessibile grazie proprio alla presenza della tecnologia Turbo Boost, è permesso solo nel momento in cui il TDP del processore si spinge oltre il valore di targa (quindi i 127 Watt e i 95 Watt dei due processori citati poco sopra).

I processori Intel variano la propria frequenza di clock, spingendosi oltre il valore di base clock, in funzione del tipo di carico di lavoro e delle condizioni di alimentazione. Quello che tipicamente accade è che all'avvio di una applicazione il processore opera con la più elevata frequenza che riesce a mantenere stabilmente, così da fornire il massimo delle prestazioni: in questo modo la CPU si spinge oltre il dato di TDP di riferimento. Con il trascorrere dei secondi la temperatura della CPU aumenta, sino al punto che il processore abbassa la frequenza di clock per mantenere tanto temperatura come consumo complessivo entro valori di guardia che garantiscano il funzionamento stabile nel tempo.

Questo iniziale boost di prestazioni porta ovviamente ad un aumento istantaneo del TDP, che deve essere gestito dal sistema di raffreddamento. Quest'ultimo vede la temperatura crescere in modo lineare, sino al punto in cui sarà il processore stesso a diminuire la frequenza di clock così da riportarsi sul valore di TDP predefinito per la CPU in uso.

Intel indica con la sigla PL1 (Power Limit 1) lo stato del processore che opera a pieno carico, mantenendosi entro il proprio valore di TDP. Nell'esempio del processore Core i9-9900KS questo valore è pari a 127 Watt. PL2 è invece quello stato per il quale il processore si spinge, all'inizio della elaborazione, oltre il valore di TDP indicato permettendo alla scheda madre di alimentare in modo supplementare la CPU così che possa operare stabilmente ad una frequenza di clock più elevata. Di quanto sia l'entità di questo scostamento dal TDP del processore dipende da quello che il produttore della scheda madre ha scelto di implementare a livello di bios: si tratta infatti di un parametro che è controllato da microcode e può essere modificato. Il Tau, Turbo Time Parameter, indica invece la durata massima dello stato di PL2 nel quale il processore opera oltre il valore di TDP.

A questo punto si possono verificare due scenari di riferimento. Il primo vede il processore operare, quando portato a pieno carico, al massimo del proprio TDP di riferimento (per la CPU Core i9-9900KS i 127 Watt di prima) con l'eccezione data da un picco iniziale in stadio PL2, della durata definita dalla Tau, nel quale il processore può spingersi oltre il TDP nel momento in cui le condizioni di utilizzo (raffreddamento, alimentazione, temperatura) lo permettono. Nel secondo caso, invece, non solo il processore opera in regime PL2 andando oltre il TDP ma anche quando questa fase termina la CPU viene spinta dalla scheda madre ad andare oltre al proprio TDP, così da operare a frequenze di clock superiori (ovviamente a condizione che la temperatura si mantenga su valori adeguati) e fornire in questo modo prestazioni superiori.

I produttori di schede madri implementano nel bios delle proprie schede per CPU Intel Core una specifica voce che permette di scegliere tra mantenere una impostazione standard, oppure abilitare ottimizzazioni specifiche che permettono alla CPU di spingersi oltre. Queste altro non sono che modifiche ai valori di PL1, PL2 e Tau così da permettere al processore di essere meno vincolato dal valore di TDP e potersi esprimere al meglio quanto a prestazioni complessive: tutto questo ovviamente se temperatura, alimentazione e raffreddamento lo permettono.

Nel caso della scheda madre ASUS ROG Strix Z390-F Gaming che abbiamo utilizzato in questa analisi, la voce nel bios è quella ASUS MultiCore Enhancement che permette di lasciare una impostazione Auto, di forzare tutti i limiti (quindi lasciare che la CPU operi entro il tetto del TDP) oppure rimuoverli completamente (quindi lasciare che il processore vada oltre il TDP). Quello che ASUS imposta potrebbe differire, nella opzione di rimuovere i limiti, rispetto a quanto adottato da altri produttori: in generale tutti tendono a lasciare le CPU quanto più libere possibili, giocando sulla differente tolleranza a quello che è a tutti gli effetti un overclock automatizzato e sull'efficacia del sistema di raffreddamento utilizzato. Ogni produttore può selezionare, per ogni CPU utilizzata, PL2 e Tau a proprio piacimento e lo fa programmando nel bios i dati corrispondenti.

Quale impostazione scegliere? A parità di sistema di raffreddamento adottato (un kit a liquido Corsair con radiatore da 240 millimetri) le differenze sono ben evidenti. Abbiamo utilizzato 3 processori Intel della famiglia Core tutti basati su architettura a 8 core: Core i7-9700K, Core i9-9900K e Core i9-9900KS. A prescindere da architettura e tecnologia produttiva ogni sample di processore è differente dagli altri, in quanto può essere più o meno tollerante al funzionamento a frequenze di clock elevate. La qualità del singolo componente di silicio, cioè del die, è discriminante e permette ad un sample di comportarsi meglio di altri nel momento in cui è portato ad operare ben al di fuori dei propri parametri di TDP.

I test sono stati eseguiti utilizzando il benchmark Cinebench R20 su singola esecuzione, monitorando i seguenti parametri abilitando da bios prima le impostazioni con i limiti e poi quella completamente svincolata da limiti:

• risultato finale del benchmark
• frequenza di clock (rilevata dal tool CoreTemp)
• temperatura massima della CPU (rilevata dal tool CPU-Z)
• consumo massimo del sistema rilevato a monte dell'alimentatore
• tensione vcore massima (rilevata dal tool CPU-Z)
• potenza della CPU (rilevata dal tool CoreTemp)

I risultati ottenuti sono molto interessanti e permettono di capire in che modo operino questi processori e quale ricaduta possa avere sulle prestazioni l'impostazione di uno specifico parametro del bios.

Con queste impostazioni i processori tendono ad operare al loro valore di TDP, che è pari a 127 Watt per la CPU Core i9-9900KS e a 95 Watt per gli altri due modelli. Il processore Core i9-9900KS mantiene un consumo, a livello di TDP, che è riportato essere pari a 132 Watt con una frequenza di clock corrispondente di 4,6GHz che è mantenuta stabilmente durante tutta l'esecuzione del test. Il risultato finale è quindi un valore più elevato di quello del modello Core i9-9900K che parte sempre da 4,6GHz di clock con una potenza di 148 Watt ma che dopo alcuni secondi vede la potenza portarsi ai 95 Watt del TDP con un conseguente abbassamento della frequenza di clock che arriva sino a circa 4,1GHz.

Dinamica simile, pur se meno estrema, per il modello Core i7-9700K: parte a 4,6GHz con potenza di 120 Watt per poi scendere a 95 Watt di potenza continuando ad oscillare tra 4,3GHz e 4,4GHz di clock. Da questi dati emerge in modo chiarissimo come la CPU Core i9-9900KS riesca ad ottenere prestazioni superiori perché il TDP di 127 Watt lascia spazio ad una frequenza di clock più elevata prima che questo limite venga toccato. Inoltre l'impressione è che a livello di silicio la qualità del die del modello Core i9-9900KS sia leggermente superiore a quella della CPU Core i9-9900K da noi utilizzata.

Rimuovendo i limiti il quadro cambia considerevolmente: tutte e 3 le CPU fanno meglio di prima, con frequenze di clock che aumentano e consumi che si impennano tanto a livello di intero sistema come di potenza della sola CPU. Core i9-9900KS e Core i9-9900K in questo caso mantengono una frequenza stabile di 4,8GHz per tutti i core, con però un livello di consumo maggiore per il modello Core i9-9900K che richiede una tensione di alimentazione core leggermente più elevata per mantenere funzionamento stabile. La risultante, scontata, sono prestazioni identiche per le due CPU Core i9 con queste impostazioni. Per il modello Core i7-9700K evidenziamo un aumento delle prestazioni, grazie alla frequenza di clock che rimane fissa su 4,7GHz per tutti i core pur con livelli di consumo e temperatura che non toccano quelli dei due modelli Core i9.

In sintesi, rimuovere i limiti agendo sull'apposita voce da bios permette di sfruttare al meglio questi processori a scapito però di un aumento dei consumi e della temperatura di funzionamento. Per fare questo è quindi indispensabile curare con ancora maggiore attenzione il raffreddamento del processore, così da evitare che la temperatura arrivi sino al punto da far diminuire automaticamente la frequenza di clock e vanificare in questo modo i benefici prestazionali.

Abbiamo scelto di riportare nei grafici comparati i risultati ottenuti, per i due processori Intel Core i9, con i limiti disabilitati: in questo modo privilegiamo le prestazioni velocistiche nella nostra analisi, pur se questo implica consumi più elevati. A titolo di confronto sono riportati tutti i valori dei benchmark ottenuti da queste due CPU con le due impostazioni da bios, così da evidenziare quale ne sia l'incidenza complessiva.

I maggiori benefici si ottengono ovviamente con applicazioni che sfruttano tutti i core a disposizione del sistema; quelle single o poco threaded non caricano al massimo la CPU per tutti i core a disposizione e di conseguenza è plausibile che anche con limiti abilitati la CPU già riesca a spingersi a frequenze molto alte per i core sfruttati dalle applicazioni in uso.

Consumi e configurazione di test

Abbiamo rilevato i consumi dei differenti processori inseriti in questa analisi rilevando quanto assorbito dall'alimentatore alla presa della corrente: il dato riportato comprende quindi il consumo dell'intero sistema, monitor escluso, e non quello unicamente riferito al processore. In idle notiamo come i consumi siano di fatto tutti identici a parità di piattaforma utilizzata: i sistemi di risparmio energetico portano infatti in automatico tutte le CPU ad operare ad un livello di consumo che è estremamente contenuto.

A pieno carico la CPU Core i9-9900KS fa registrare un livello di consumo elevato nel complesso, ma inferiore a quello del nostro sample di CPU Core i9-9900K nelle stesse condizioni d'uso. Come indicato poco sopra l'aver abilitato la rimozione dei limiti di TDP ha portato la CPU Core i9-9900K a operare con una tensione di alimentazione superiore e quindi a consumare di più nel complesso rispetto al modello Core i9-9900KS. Tale comportamento è inoltre giustificato anche dalla selezione dei die, il cosiddetto chip binning, messo in atto da Intel per i processori Core 9-9900KS: questi sono costruiti con i core capaci di operare a parità di frequenza con una tensione di alimentazione più contenuta.

Configurazione di prova

Queste le CPU inserite a confronto:

• Intel Core i9-7980XE (18C;36T;2,6GHz)
• Intel Core i9-7960X (16C;32T;2,8GHz)
• Intel Core i9-7900X (10C;20T;3,3GHz)
• Intel Core i7-7820X (8C;16T;3,6GHz)
• AMD Ryzen Threadripper 2990WX (32C;64T;3GHz)
• AMD Ryzen Threadripper 2970WX (24C;48T;3GHz)
• AMD Ryzen Threadripper 2950X (16C;32T;3,5GHz)
• AMD Ryzen Threadripper 2920X (12C;24T;3,5GHz)
• Intel Core i9-9900KS (8C;16T;4GHz)
• Intel Core i9-9900K (8C;16T;3,6GHz)
• Intel Core i7-9700K (8C;8T;3,6GHz)
• Intel Core i5-9600K (6C;6T;3,7GHz)
• Intel Core i7-8700K (6C;12T;3,7GHz)
• Intel Core i5-8600 (6C;6T;3,6GHz)
• Intel Core i5-8400 (6C;6T;2,8GHz)
• AMD Ryzen 9 3900X (12C;24T;3,8GHz)
• AMD Ryzen 7 3700X (8C;16T;3,6GHz)
• AMD Ryzen 5 3600X (6C;12T;3,8GHz)
• AMD Ryzen 5 3600 (6C;12T;3,6GHz)
• AMD Ryzen 5 3400G (4C;8T;3,7GHz)
• AMD Ryzen 7 2700X (8C;16T;3,7GHz)
• AMD Ryzen 5 2600X (6C;12T;3,6GHz)
• AMD Ryzen 5 2600 (6C;12T;3,4GHz)
• AMD Ryzen 5 2400G (4C;8T;3,6GHz)

Di seguito i restanti componenti utilizzati in questa analisi:

• Sistema operativo: Windows 10 Pro italiano
• SSD: Samsung 960 EVO 500GBs
• Driver video NVIDIA GeForce 430.86 WHQL
• Scheda video: NVIDIA GeForce RTX 2080 Founders Edition
• Alimentatore: CoolerMaster Silent Pro Gold 800 Watt
• Scheda madre socket AM4: Asus CrossHair VII Hero Wi-Fi
• Scheda madre socket AM4: Asus Crosshair VIII Hero Wi-Fi
• Scheda madre socket LGA 1151: Gigabyte Z370 Aorus Ultra Gaming Wi-Fi
• Scheda madre socket LGA 2066: ASRock X299 Taichi
• Scheda madre socket  TR4: Asus Zenith Extreme
• Memoria scheda madre socket LGA 2066: 4x8Gbytes DDR4-2400 (15-15-15-36 2T)
• Memoria scheda madre socket LGA 1151: 2x8Gbytes DDR4-2667 (15-15-15-36 2T)
• Memoria scheda madre socket AM4 (Ryzen 3000): 2x8Gbytes DDR4-3200 (16-15-15-36 1T)
• Memoria scheda madre socket AM4 (Ryzen 2000): 2x8Gbytes DDR4-2933 (15-15-15-36 2T)
• Memoria scheda madre socket TR4: 4x8Gbytes DDR4-2933 (15-15-15-36 2T)

Queste le applicazioni utilizzate nell'analisi:

Povray 3.7.0
rendering one CPU
rendering all CPU

Cinebench 20
rendering 1 CPU
rendering x CPU

Blender 2.79
bmw benchmark scene

Corona Benchmark 1.3

7-Zip 18.05 x64
valutazione totale, MIPS

Winrar 5.60
benchmark integrato, KB/s

Handbrake 1.1.1 - 64bit
conversione video 4K in H.265 MKV 1080p30; cropping Custom; constant Framerate

V-Ray Next
benchmark CPU

Indigo benchmark v4.0.64 (M samples/s)
bedroom - CPU
supercar - CPU

VeraCrypt 1.23-Hotfix-2
AES
Serpent
Twofish
Camellia
Kuznyechik

PCMark 10
PCMark 10 Score
Essentials
Productivity
Digital content creation

Luxmark
Hotel Lobby
Neumann TLM-102 SE
Luxball HDR

SPECviewperf 13
3dsmax-06
catia-05
creo-02
energy-02
maya-05
medical-02
showcase-02
snx-03
sw-04

Davinci Resolve

3DMark
Time Spy
Graphics Score
CPU Score

Shadows of the Tomb Raider - DX 12 qualità alta, TAA
1920x1080
2560x1440

Tom Clancy's The Division 2 - DX12, qualità alta
1920x1080
2560x1440

F1 2018 - qualità alta, anti aliasing TAA, anisotropico 16x
1920x1080
2560x1440

Far Cry 5 - Qualità alta
1920x1080
2560x1440

Total War: Three Kingdoms - qualità alta, battle benchmark
1920x1080
2560x1440

Tom Clancy's Ghost Recon Wildlands - qualità alta
1920x1080
2560x1440

Assassin's Creed Odyssey - qualità alta
1920x1080
2560x1440

Metro Exodus - impostazione qualitativa high
1920x1080
2560x1440

Analisi prestazioni

Abbiamo raggruppato i risultati dei vari test prestazionali a seconda della tipologia di applicazione utilizzata. Nel primo blocco troviamo quelle di puro calcolo, che tipicamente beneficiano più di tutte della disponibilità di un ampio numero di core e in secondo ordine di frequenze di clock elevate.

La CPU Core i9-9900KS è basata su architettura a 8 core, abbinata ad una frequenza di clock molto elevata: queste caratteristiche permettono di ben comportarsi sulla carta in questi scenari d'uso ma non sino al punto da sopravanzare processori meno spinti come clock ma dotati al proprio interno di un numero più elevato di core.

I risultati di queste applicazioni evidenziano come la CPU Core i9-9900KS sia indubbiamente molto valida in questi scenari di utilizzo ma non rappresenti la scelta migliore per chi esegue puro calcolo con programmi che sfruttano tutti i core a disposizione al 100% delle proprie disponibilità. Restando sulle piattaforme mainstream è da preferire in questo caso il processore AMD Ryzen 9 3900X, forte di un'architettura a 12 core e della possibilità di processare sino a 24 threads in parallelo.

Anche nell'ambito multimediale la presenza di molti core viene sfruttata, per quanto non in modo così netto e definito come quanto accada con le applicazioni di puro calcolo. Questo permette alla CPU Core i9-9900KS di far valere l'elevata efficienza a livello di singolo core, tanto per la componente architetturale alla base come per la frequenza di clock di cui è capace. I risultati finali sono complessivamente molto validi e rendono questo processore una valida scelta per questi ambiti applicativi.

Queste applicazioni di produttività tendono a premiare in modo bilanciato sia la disponibilità di numerosi core sia una frequenza di clock molto alta, dando preferenza però a quest'ultimo aspetto. Da questo i risultati qui ottenuti, che evidenziano una ottima posizione per la CPU Core i9-9900KS forte proprio dell'efficienza del singolo core e della elevata frequenza alla quale questo opera.

Passiamo ora ad analizzare il comportamento con alcuni giochi, utilizzando la scheda video NVIDIA GeForce RTX 2080 con le risoluzioni di 1920x1080 e 2560x1440 pixel selezionando impostazioni qualitative alte ma non tra le più spinte.

La CPU Intel Core i9-9900KS è tra quelle in prova la più veloce nell'ambito gaming, con un comportamento che è speculare a quello della CPU Intel Core i9-9900K di pari caratteristiche tecniche. Il margine di vantaggio sulle proposte concorrenti AMD della famiglia Ryzen 3000 è complessivamente contenuto alla risoluzione di 1920x1080 pixel, diventando di fatto trascurabile nel momento in cui si passa a quella di 2560x1440 pixel. In quest'ultimo caso è infatti la scheda video e non il processore a rappresentare un collo di bottiglia alle prestazioni.

Considerazioni finali

Concludiamo questa analisi con il nostro tradizionale sguardo alle prestazioni riparametrate su quelle di uno dei processori d'ingresso, in questo caso il modello Intel Core i5-8400. Proponiamo dati di sintesi raggruppati per la tipologia di applicazione, oltre ad un dato medio finale che permette di capire come si posizioni uno specifico processore rispetto agli altri tenendo conto di tutti gli ambiti applicativi.

In quegli scenari d'uso nei quali le prestazioni sono maggiormente influenzate dal numero di core integrati all'interno della CPU il modello Core i9-9900KS può solo difendersi rispetto a proposte concorrenti, tanto Intel come AMD, che offrono più core al loro interno. Se il piano di elaborazione passa invece a dipendere maggiormente dal'efficienza del singolo core, non scalando particolarmente al loro aumentare ma dipendendo dalla frequenza di clock, ecco che la nuova CPU Intel guadagna margine posizionandosi tra le più veloci. Questo è ben evidenziato dai test con i giochi ma si tratta del resto di quanto avevamo già visto con il modello Core i9-9900K in precedenza. Le differenze tra queste due CPU, del resto, sono estremamente ridotte soprattutto quando da bios della scheda madre si abilita la possibilità di operare oltre il limite dato dal TDP sfruttando l'efficienza del sistema di raffreddamento.

Il dato medio finale vede la CPU Core i9-9900KS ben posizionarsi rispetto alle proposte AMD Ryzen della serie 3000, non riuscendo però a superare quella Ryzen 9 3900X che primeggia in virtù del bilanciamento tra numero di core (12) e frequenza di clock che viene mantenuta a pieno carico.

Il processore Core i9-9900KS viene proposto da Intel ad un listino ufficiale di 513 dollari. cifra di poco superiore ai 488 dollari del modello Core i9-9900K. La cosa non deve sorprendere: l'ultima arrivata di casa Intel è di fatto nulla più che il frutto di un attento binning dei migliori die a 8 core che Intel riesce al momento a produrre con tecnologia a 14nm++ abbinato ad un TDP aumentato dai precedenti 95 Watt agli attuali 127 Watt. Per sfruttare al meglio questo processore, ma medesima analisi vale per Core i9-9900K come abbiamo visto, è necessario abilitare da bios la modalità che ne sfrutta tutto il margine permettendo di operare oltre il limite imposto dal TDP. Le frequenze massime migliorano, senza però nel nostro caso riuscire con impostazioni standard a toccare i 5 GHz di clock stabili su tutti i core a pieno carico, ma aumenta il consumo e le temperature si innalzano notevolmente richiedendo un sistema di raffreddamento correttamente dimensionato.

Pensando alla evoluzione portata avanti da Intel con la propria tecnologia produttiva a 14 nanometri non si può che fare i complimenti a chi, con affinamenti continui, è riuscito a portare questo processo sino alla soglia dei 5 GHz con un così elevato numero di core a processare. E' però evidente come questo sia il limite forse assoluto per questa tecnologia, oltre il quale non ci si può spingere se non forzando ancora di più oltre il TDP e assicurando l'abbinamento con sistemi di raffreddamento che devono essere adeguati a questo scopo.