Desktop-CPU Vor 25 Jahren: Der AMD K5

Von Sebastian Gerstl

Heute ist AMD Marktführer bei Desktop-CPUs, doch bis Mitte der 90er Jahre hatte das Unternehmen nur günstige x86-Klone im Angebot. 1996 sollte sich das ändern: Mit der hausintern entwickelten K5-CPU blies AMD zum Angriff auf Branchenprimus Intel – mit überraschendem Erfolg.

Anbieter zum Thema

Vorder- und Rückansicht einer K5 P166 CPU von AMD. Mit der ersten hausintern produzierten CPU gelang es dem Prozessorhersteller Mitte der 90er Jahre erstmals, an der Hegemoniestellung des Branchenriesen Intel im PC-Markt zu kratzen.
Vorder- und Rückansicht einer K5 P166 CPU von AMD. Mit der ersten hausintern produzierten CPU gelang es dem Prozessorhersteller Mitte der 90er Jahre erstmals, an der Hegemoniestellung des Branchenriesen Intel im PC-Markt zu kratzen.

Seit AMD vor beinahe fünf Jahren die Zen-Architektur für Mikroprozessoren auf dem Markt einführte, hat sich der CPU-Hersteller wieder zu einem der umsatzstärksten und bedeutendsten Halbleiteranbieter entwickelt. Im Jahr 2021 erreichte der CPU-Anbieter seinen größten Marktanteil seit über 14 Jahren – und schaffte es nach einigen Erhebungen sogar, den Branchenriesen Intel als Marktführer für Prozessoren bei reinen Desktop-PCs abzulösen. Auch auf dem Server-Markt konnte das Unternehmen wieder nennenswerte Anteile erreichen. Zählt man alle Anwendungsfelder für x86-basierte Prozessoren, ist die Dominanz Intels weiterhin ungebrochen. Aber egal wie man zählt: Derzeit steht AMD stärker im Markt als seit über einem Jahrzehnt – eine Tendenz, die durch die anstehende Übernahme von FPGA-Marktführer Xilinx noch weiter beflügelt würden dürfte..

Das Intel als Marktführer für Desktop-CPUs übertroffen wurde, gab es in der PC-Geschichte bislang nur einmal: Ende 2005 konnte zuletzt ein Hersteller die Firma, die den Mikroprozessor erfunden hat, an der Spitze ablösen. Auch damals hieß dieses Unternehmen AMD. Und der Weg für diesen Triumph wurde durch die erste CPU bereitet, die die Firma damals hausintern selbst entwickelt hatte: dem K5-Mikroprozessor.

Exkurs: Intel vs AMD – Aus Partnern werden Rivalen

Bevor AMD sich einen Namen als ein eigener Anbieter von leistungsstarken CPUs machte, war das Unternehmen auf dem Prozessormarkt zunächst als Anbieter von Klonen bekannt. Grundlegend dafür war sogar eine Partnerschaft mit Intel: Damit für den historischen IBM PC 5150 auch eine zweite Bezugsquelle des eingesetzten Intel 8088-Prozessors vorhanden war, um möglichen Produktionsausfällen vorzubeugen, schlossen die beiden Halbleiterunternehmen eine Technologiepartnerschaft. Dieses Abkommen gab AMD Zugang zu Fertigungsdaten und dem Mikrocode von Intels x86-Prozessorfamilie und machte es dem Unternehmen so möglich, eigene Kopien des Chips zu fertigen und zu vermarkten. Die Technologiepartnerschaft sollte zehn Jahre dauern.

Nur wenige Jahre später gerieten die Firmen allerdings über Details dieses Abkommens in Streit. Denn AMD interpretierte den geschlossenen Vertrag dahingehend, dass das Unternehmen nicht nur Kopien, sondern auch eigene Derivate mit zusätzlichen Optimierungen oder Verbesserungen anbieten konnte: etwa anderen Taktraten oder Änderungen im mathematischen Koprozessor. Zudem war AMD in der Lage, die eingesetzten Prozesse zu verfeinern und so gleichwertige Chips zu günstigeren Preisen anzubieten.

1985 präsentierte Intel mit dem Intel 803086 eine neue Generation an Prozessoren: Die x86-Familie konnte komplett abwärtskompatibel zu früheren Modellen von einer 8- auf eine 16-Bit-Architektur erweitert werden, was den Bausteinen einen vollkommen neuen Anwendungsspielraum eröffnete. Der Chip half dem PC endgültig, sich in diesen Jahren als die dominante Büro- und Heimcomputerplattform zu etablieren. In der Folge wurden AMD Informationen zu dem 80386-Prozessor vorenthalten: Aus Sicht Intels handelte es sich bei dem Chip nicht um eine reine Weiterentwicklung, sondern um neue Technologie, die vom bestehenden Abkommen nicht abgedeckt sei. Zwei Jahre später beendete Intel schließlich einseitig das Technologieabkommen.

AMD, das seine Rechte verletzt sah, verklagte Intel 1987 auf Herausgabe der 386-Daten. Zusätzlich begann AMD, den 80386 mittels Reverse Engineering im Reinraum nachzubauen. 1989 kündigte AMD mit dem Am386 einen eigenen 386-Prozessor auf Basis seiner Bemühungen an – und fing sich sofort eine Gegenklage von Intel ein, da der Prozessor nach Intels Ansicht geschützten Mikrocode verwendete.

Die Klagen sollten sich bis 1991 und 1992 hinziehen - und endeten mit einer Niederlage für das führende Chipunternehmen. Effektiv befand das Gericht, dass AMD seinen Am386 ohne Diebstahl intellektuellen Eigentums entwickelt hatte und zulässig anbieten durfte. Das Urteil öffnete die Tore nicht nur für AMD, sondern auch für andere Unternehmen, mit eigenen x86-Prozessoren auf den Markt zu drängen: Im März 1991 führte AMD den ersten Vertreter seiner Am386-Familie in den Markt ein. Ein Jahr später präsentierten neue Konkurrenten wie Cyrix oder NexGen ebenfalls eigene pinkompatible Klone zum Intel 80386.

Intel selbst konnte diese Entwicklung gelassen sehen. Bereits 1989 hatte die nächste x86-CPU-Generation mit der 80486-Familie das Licht der Welt erblickt. Zwar dauerte es nach dem Urteil nicht lange bis auch hierzu Klone erschienen, doch konnte Intel bis dahin drei Jahre unangefochtene Technologieführerschaft genießen. Diese konnte kurz darauf mit dem Nachfolger der fünften x86-Generation weiter ausgebaut werden: Am 22. März 1993 erschien mit dem P5 der erste Vertreter der Pentium-Prozessorfamilie.

Pentium vs. 586 – Der Prozessormarkt wird neu sortiert

Der erste seiner Art: Am 22. März 1993 erschien mit dem Pentium P5 der erste Prozessor auf Basis der P5-Mikroarchitektur, welche Intels 486-Reihe ablöste. Die CPU war anfänglich in Variationen mit 60 und 66 MHz erhältlich.
Der erste seiner Art: Am 22. März 1993 erschien mit dem Pentium P5 der erste Prozessor auf Basis der P5-Mikroarchitektur, welche Intels 486-Reihe ablöste. Die CPU war anfänglich in Variationen mit 60 und 66 MHz erhältlich.
(Bild: Pentium 60 SX948 gold front / Andrzej w k 2 / CC BY-SA 3.0)

Die Einführung des Intel Pentium sorgte 1993 für neue Verhältnisse auf dem PC-Markt. Nicht nur hatte Intel durch die Abkehr der bisherigen Namenskonvention markenrechtlich besser abgesichert; Reine Zahlen wie 384 oder 486 konnten markenrechtlich nicht geschützt werden, was der Konkurrenz ermöglichte, ihre Produkte ebenfalls unter diesen Namen anzubieten. Aber die Vorzüge lagen nicht nur im Marketing: Der Sprung auf Intels fünfte Generation der x86-Architektur konnte mit einer Reihe von grundlegenden technologischen Verbesserungen aufwarten, denen die erwachsene Konkurrenz an Klon-Anbietern nicht gewachsen war.

Das erste Pentium-Modell, der Pentium P5, wurde im 800-nm-Verfahren gefertigt und integrierte über 3,1 Millionen Transistoren. Er stellte den Übergang von der mit dem 80386 begründeten 16-Bit-Mikroarchitektur zum 32-Bit-Zeitalter dar: Ähnlich wie beim Übergang von 8- auf 16-Bit mit dem 80386 war es Intel beim Pentium gelungen, mit der IA32-Mikroarchitektur den bestehenden Befehlssatz diesmal von 16- auf 32-Bit zu erweitern.

Viel wichtiger war allerdings die Integration von zwei Pipelines, die es dem superskalaren Pentium erlaubten, in vielen Fällen zwei Befehle pro Taktzyklus abzuarbeiten. Potentielle Nachteile der Pipelines, wo Inhalte der Pipeline bei bereits abgearbeiteten Prozessen ihre Gültigkeit verlieren würden, wurde durch die Integration einer dynamischen Sprungvorhersage ausgeglichen. Ein 64-Bit-Datenbus, der die Lese- und Schreibgeschwindigkeit von Datenzugriffen aus dem Speicher verdoppelte, sowie die Integration eines L1-Cachespeichers und die Verlagerung der mathematischen Koprozessoreinheit in die CPU selbst taten ihr übriges.

Der Pentium war in der Datenverarbeitung leistungsstärker und signifikant schneller als die mit 586 oder 5x86 betitelten Produkte der Konkurrenz, die einfach „nur“ eine direkte Weiterentwicklung der 80486-Architektur waren und nicht über die beschleunigenden Pipelines oder eine Sprungvorhersage verfügten – der Am5x86 von AMD war beispielsweise effektiv nur ein 486-Prozessor mit der bis zu vierfachen Taktgeschwindigkeit.

Warum das nicht ausreichte, zeigte sich auch in dem Umgang mit neu aufkommenden Peripheriegeräten: So machten sich etwa Mitte der 90er Jahre Programmierer dank aufkommender neuer Grafikkarten sowie den größeren Datenbus und die Eigenschaften des Pentiums zur Sprungvorhersage zu Nutze, um mit bis dato nicht vorhandenen, schnellen 3D-Grafiken Anwender zu beeindrucken.

Die Auswirkungen zeigten sich vor allem auf dem breiten Heimanwendermarkt schnell: Die Absatzzahlen der Konkurrenz brachen bald ein. Auch wenn Intel aufgrund eines Bugs in der Fließkommaeinheit der ersten Pentium-Exemplare ein kleineres PR-Desaster erlebte, konnte sich das Unternehmen bis 1996 über eine unangefochtene Technologieführerschaft freuen – verbunden mit den entsprechenden Absatzzahlen. In der Folge verschwanden namhafte x86-Klonanbieter wie Cyrix oder NexGen, die 1992 noch einen rasanten Aufstieg erlebt hatten, bis 1997 vom Markt.

Der AMD K5: „Kryptonit“ für Intel

Die-Ansicht eines AMD K5 PR75. Die am 27. März 1993 erstmals erhältlichen Prozessorexemplare trugen noch den Namen 5k86, ab dem 7. Oktober 1993, einhergehend mit mehr Modellen und einer breiteren Verfügbarkeit, einheitlich die Bezeichnung K5.
Die-Ansicht eines AMD K5 PR75. Die am 27. März 1993 erstmals erhältlichen Prozessorexemplare trugen noch den Namen 5k86, ab dem 7. Oktober 1993, einhergehend mit mehr Modellen und einer breiteren Verfügbarkeit, einheitlich die Bezeichnung K5.
(Bild: AMD)

AMD war auf die veränderten Verhältnisse allerdings besser vorbereitet als die Konkurrenz. Aus den langjährigen Rechtsstreitigkeiten mit Intel war man zwar mit einem Sieg hervorgegangen. Doch das Unternehmen erkannte nach dem Urteil, dass man sich nicht länger darauf beruhen konnte, ein alternativer Zweitlieferant zu sein. Um langfristig wettbewerbsfähig zu bleiben, reichten kleinere Optimierungen und höhere Chiptaktraten nicht mehr aus. Um sich gegen die Konkurrenz – und vor allem den marktbestimmenden Riesen Intel – behaupten zu können, mussten grundlegende Innovationen aus hauseigener Entwicklung her.

In Vorbereitung auf die fünfte x86-Generation verfolgte AMD zwei parallele Ansätze: Der Am5x86 war zunächst eine konsequent optimierte Version der bestehenden Am486-Linie, dem aber die Superskalarität eines Pentiums fehlte – und weitere technologische Innovationen, die Intels Flaggschiff so herausragen ließen. Der Hauptfokus sollte allerdings auf dem ersten, komplett hausintern entwickelten Prozessorkern liegen: dem SSA/5-Kern und dem daraus resultierenden Prozessor, dem AMD K5.

Die Namensgebung war eine klare Kampfansage an den Branchenführer Intel: Das „K“ im Namen sollte für „Kryptonit“ stehen - dem einzigen Mineral, das in der Lage ist, Superman zu verletzen. Mit 4,3 Millionen auf einer Chipfläche von 161mm2 vereinten Transistoren setzte der K5 im Endverbrauchermarkt seinerzeit eine Spitzenmarke; die drei Jahre zuvor eingeführte Pentium-Familie hatte es nur auf 2,1 Millionen gebracht. Allein das sorgte bereits für gehobene Augenbrauen in der Branche – AMD hatte gemäß des Moore'schen Gesetzes, nachdem sich die Transistorenzahl bei Prozessoren in regelmäßigen Abständen verdoppelt, Intel übertroffen.

Ein als CISC-Architektur getarnter RISC-Prozessor

Tatsächlich verfolgten die Entwickler des K5 aber generell einen grundsätzlich anderen Ansatz als die Intel-Ingenieure. Intel hatte sich ganz bewusst für eine einheitliche Beibehaltung einer CISC-Architektur (complex instruction set computer) entschieden, bei der eine hohe Zahl mächtiger Einzelbefehle diverse Operationen auf niedrigem Level kontrollieren oder mehrere Arbeitsschritte auf einmal mit einer einzelnen Anweisung ausführen können. Dies erlaubt prinzipiell leistungsstarke Systeme, wird bei zunehmender Komplexität allerdings immer schwieriger zu beherrschen und kann zu Lasten der Effizienz gehen.

Diagramm der Architektur eines AMD K5: Intern ist der K5 ein RISC-Prozessor, doch vier integrierte x86-Dekodiereinheiten erlauben eine schnelle Umsetzung von komplexen CISC-Befehlen in den reduzierten RISC-Befehlssatz.
Diagramm der Architektur eines AMD K5: Intern ist der K5 ein RISC-Prozessor, doch vier integrierte x86-Dekodiereinheiten erlauben eine schnelle Umsetzung von komplexen CISC-Befehlen in den reduzierten RISC-Befehlssatz.
(Bild: AMDK5Diagram / Magnus Manske / CC BY-SA 3.0)

Der AMD K5 basiert hingegen in seinem grundlegenden Aufbau auf einer 32-Bit-RISC-Architektur, dem Am29000, mit einem Front-End, das in der Lage war, x86-(CISC)-Befehle zu dekodieren und zur Ausführung in RISC-Befehle zu zerlegen. Fünf Integer-Einheiten, die effektiv als Pipelines ausgelegt waren, erlaubten es dem Prozessor, Befehle out-of-order abzuarbeiten, sowie eine integrierte Fließkommaeinheit, eines der bekanntesten Features das auch dem Pentium-Prozessor innewohnte. Registerumbenennung und Speculative execution verbessern die parallele Ausführungsmöglichkeit der Pipelines. Der Puffer für die Sprungvorhersage, eines der essentiellen Features der Pentium-Familie, war mit der vierfachen Größe der Pentium-Pendants geradezu massiv. Auch der L1-Cache war doppelt so groß. Rein technisch gesehen schien die K5-Architektur der von Intels Pentium P5-Prozessoren deutlich voraus zu sein.

Implementierungsprobleme und späte Markteinführung

Mangelnde Erfahrung in den Fertigungsprozessen von High-End-Prozessoren auf dem neuesten Stand der Technik bereiteten AMD allerdings massives Kopfzerbrechen. Das Design, bestätigten Branchenexperten, sei seiner Zeit voraus. Doch bei der Implementierung hatten die AMD-Ingenieure merkliche Schwierigkeiten. Infolgedessen verspätete sich die ursprünglich für Anfang 1995 anvisierte Markteinführung um wenigstens ein Jahr.

Die ersten K5-Prozessoren, noch mit der internen Kennung SSA/5, erschienen mit erheblicher Verspätung am 27. März 1996. Die K5-Familie litt aufgrund der erwähnten Implementierungsprobleme unter merklichen Problemen bei der Skalierung der Taktfrequenz. Die ersten Chargen mussten daher mit vergleichsweise niedrigen Taktraten von 75 und 90 MHz produziert werden, was die Geschwindigkeitsvorteile gegenüber den bereits im Markt etablierten, auf 100 und 133 MHz getakteten Pentium-Prozessoren wieder schmelzen ließ.

Darüber hinaus hatten diese ersten Modelle noch mit Produktionsfehlern zu kämpfen. In der Folge war die Sprungvorhersage in den Einheiten ab Werk deaktiviert - was den Vorteil des größeren Pufferspeichers für eben diese Funktionalität wieder hinfällig machte. Für reine Büroanwendungen war dies unproblematisch, aber gerade bei grafikintensiven Anwendungen oder Applikationen, die paralleles Rechnen erforderten, für enorme Schwierigkeiten und merkliche Leistungseinbußen gegenüber einem Pentium-Prozessor sorgte. Auch der integrierte L1-Cache war fehlerhaft.

Entsprechend fielen die K5-Prozessoren in vielen Benchmarks, trotz allem Potenzials, hinter die teilweise schon ein oder zwei Jahre länger im Markt präsenten Intel P5 Pendants zurück. Auch für die Zeit kurios: Aufgrund der teilweise hohen Betriebstemperaturen, die ein K5 erreichen konnte, empfahl AMD seinen Kunden, sich einen eigenen aktiven Lüfter für den Prozessor anzuschaffen. Zwar hatte Intels P5 bisweilen dasselbe Problem – doch außerhalb von Bastlern, die ihre Prozessoren übertakten wollten, war ein Lüfter für Desktop-PC-Prozessoren Mitte der 90er noch weitgehend unerhört.

Die auf dem SSA/5-Kern basierenden ersten K5-Chips können aufgrund dieser Schwachstellen auch gerne als eine „Vorabversion“ des K5-Prozessors betrachtet werden. Die auf einer optimierten, 5k86 getauften Kern-Variante basierenden K5-Modelle erschienen ab dem 7. Oktober 1996 - was oft als der „richtige“ Geburtstag des K5 gilt. Die 5k86-Chips wurden im 350-nm-Verfahren hergestellt, boten deutlich verbesserte Taktraten und endlich eine aktivierte Sprungvorhersage. Bis diese Modelle im Markt erschienen, hatte AMD allerdings erneut Boden an Intel verloren.

Auch wenn ihr der erhoffte Erfolg durch diese Schwierigkeiten bei der Markteinführung versagt blieb, fand die K5-Familie ihre Liebhaber. Das lag nicht zuletzt am Preis lag: Ein auf 150 MHz getakteter K5-150 Prozessor kostete gerade einmal 106 US-$ (bei Bestellungen ab 1000 Stück), war aber pinkompatibel zu entsprechenden P5-Modellen und konnte daher problemlos in allen Intel-kompatiblem Boards eingesetzt werden. Ein entsprechender Pentium P5 kostete im Listenpreis bei Erscheinen ab 1000 Stück stolze 547 US-$. Aber auch hier machte sich die späte Markteinführung schmerzlich bemerkbar: Als der K5-150 im Januar 1997 im Markt erschien, war der auf 150 MHz getaktete P5 bereits seit einem Jahr erhältlich.

Dennoch hatte sich AMD mit dem K5 gehörigen Respekt verschafft, hatte der einstige Klon-Anbieter es doch geschafft, eine eigene Architektur zu entwickeln, die es mit der des Platzhirschen Intel aufnehmen konnte - und das wie gewohnt zu einem Bruchteil des Preises.

Strategische Siege und Fehlkalkulationen

AMD hatte einen Achtungserfolg erzielt – mehr aber noch nicht. Denn obwohl der K5 durchaus Anerkennung fand, blieb er aufgrund der komplizierten, langwierigen Entwicklungszeit und der entsprechend verspäteten Markteinführung hinter seinen Erwartungen zurück.

AMD selbst erkannte das bereits frühzeitig. 1995 erwarb das Unternehmen für 850 Millionen US-$ das Unternehmen NexGen, einen weiteren Anbieter von Klon-Prozessoren für den 486-Anwender-Markt. NexGens 486-Varianten galten im direkten Takt-für-Takt-Vergleich als effizienter als ihre Intel-Vorbilder oder andere Konkurrenz-Chips. Zudem verfügte das noch junge Unternehmen über eine talentierte Entwicklungsabteilung, die auch an einem eigenen Konkurrenten zum Pentium arbeitete. Jedoch geriet das Unternehmen in finanzielle Schwierigkeiten geraten, ehe es dieser auf den Markt schaffte.

Als AMD sah, dass der K5 hinter den Erwartungen zurückbleiben würde, wurde der bereits in der Entwicklung befindliche Nachfolger eingestellt. Statt dessen erhielt die einstige NexGen-Entwicklungsabteilung carté blanche, auf Basis seiner bei Übernahme bereits gestarteten Eigenentwicklung einen alternativen Pentium-Konkurrenten (nun zur weiter entwickelten Pentium II Familie) zu entwickeln. Der Erfolg zeigte sich umgehend: Bereits 1997 konnte AMD den K6 präsentieren – und hielt endlich das ersehnte „Kryptonit“ in Händen. Der Prozessor war all das, was der K5 nie verwirklichen konnte: Ein leistungsfähiger, voll pinkompatibler Konkurrent zu zeitgemäßen Pentium-Prozessoren, die diese in manchen Benchmarks an Effizienz sogar übertrafen – und dies zu einem Bruchteil des Preises. Zudem ließ sich der K6 mit einfachen Mitteln noch weiter übertakten. Erstmals konnte mit dem AMD K6 ein x86-Prozessor eines anderen Hersteller für Intel auf dem PC-Markt eine ernsthafte Konkurrenz darstellen.

Anfang 2021 konnte AMD Intel auf dem Markt für Desktop-Prozessoren wieder übertreffen. Zuletzt war dies Ende 2005 geschehen – getragen von den Erfolgen der K5-, K6 und schließlich der K8-Familie.
Anfang 2021 konnte AMD Intel auf dem Markt für Desktop-Prozessoren wieder übertreffen. Zuletzt war dies Ende 2005 geschehen – getragen von den Erfolgen der K5-, K6 und schließlich der K8-Familie.
(Bild: Passmark)

Intel reagierte darauf scheinbar erstaunlich gelassen. 1997 begann das Unternehmen mit der Entwicklung seines ersten eigenen 64-Bit-Prozessors: Die EPIC-Architektur hatte das Ziel, mittelfristig die alternde x86-Architektur abzulösen. Intel entwickelte seine Pentium-Familie zwar graduell weiter, vernachlässigte es aber, wirklich bahnbrechende Innovationen in die immer noch zur originalen Intel 8086 8-Bit-CPU befehlssatzkompatible Prozessorreihe einzubauen. Das eröffnete AMD eine neue Angriffsfläche: Intels EPIC-Prozessoren gerieten zu einem schmerzhaften Flop. 2003 war es dagegen AMD, die mit den K8 'Opteron' CPUs die ersten 64-Bit-Prozessoren auf Basis der x86-Architektur präsentieren konnten. Ende 2005 geschah daher etwas, das bis dahin kein anderes Unternehmen geschafft hatte: AMD gelang es, Intels Marktanteile bei Desktop-Prozessoren zu übertreffen. Ein Weg, den der K5 bereitet hatte.

In den Folgejahren sollte AMD, auch aufgrund von Sackgassen in der Entwicklung, Fehlinvestitionen und einer für das Unternehmen schmerzhaft verlaufenen Finanzkrise 2008/2009, gegenüber Intel wieder deutlich an Boden verlieren. Seit dem Erfolg der Zen-Architektur zeigt sich AMD aber so stark wie nie zuvor, legte 2021 das weltweit stärkste Wachstum aller Halbleiterunternehmen vor und kann sich wieder in die Riege der umsatzstärksten Chiphersteller einreihen.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

(ID:47848688)