Два быстрых ядра против четырех медленных
Методика тестирования
В данном случае процессорозависимость уже заметна, причем игре «интересны» физические ядра, но и дополнительными потоками она не брезгует. Но на уровне Core i5 уже, фактически, вновь «упираемся» в видеокарту.
Единственный, кто серьезно «провалился» — Core i5-6400. Высказанное в прошлый раз предположение, что игре очень важна частота L3, похоже, оказалось правильным. Многоядерные процессоры для LGA2011-3 тут как раз «спасало» именно количество выполняемых потоков вычисления, которые движок игры «умеет» грамотно утилизировать, но в младшей модели для LGA1151 оно, фактически, минимально-допустимое для нее.
Пример игры, которой по-прежнему достаточно и пары ядер безо всякого Hyper-Threading, так что высокочастотные Core i3 выглядят наилучшим образом. Редкий сегодня случай:)
Поскольку бывает и так. В принципе, приложению достаточно и четырех высокочастотных ядер — но из сегодняшних испытуемых таков Ryzen 3 1300X. Ryzen 5 1400 отстает от него незначительно благодаря SMT. Оба Core i5 — уже заметно: четыре однопоточных ядра и низкая частота. Все Core i3 еще медленнее. С практической точки зрения, впрочем, производительность можно считать достаточной, но... В паре с некоторыми процессорами видеокарта на базе GTX 1070 выдает уже и сотню кадров в секунду, на фоне чего 60 fps — совсем плохо. Можно обойтись и более медленной дискреткой. Заметим — касается всех испытуемых.
В этой игре отставание от «лучших» уже не столь велико, но оно тоже есть. Таким образом, времена, когда старшие Core i3 или младшие Core i5 отлично подходили для игрового компьютера практически независимо от видеокарты, остались в прошлом. Так что и с этой точки зрения пора что-то менять в указанных семействах:)
Еще один случай, когда почти уперлись в видеокарту, но именно, что почти . То есть уже сейчас желательно получать от процессоров чуть-чуть больше. Что, впрочем, логично и укладывается в старую эмпирическую формулу «соотношения цен 1:2». В том смысле, что аналогичная используемой нами видеокарта в рознице стоит в среднем 35 тысяч рублей — значит и процессор в пару к ней стоит подбирать хотя бы тысяч за 15 (если не современный, то с производительностью на уровне современного за эти деньги). А это, все-таки, уровень старших, а не младших Core i5 или Ryzen 5, не говоря уже о более бюджетных линейках. Впрочем, и их представители, вообще говоря, обеспечивают хороший уровень производительности — но нередко ее уже сами и ограничивают.
Итого
Несложно заметить, что вне зависимости от наличия или отсутствия межфирменной конкуренции (которая пока еще все равно не полная) «перетряхивать» сложившиеся много лет назад линейки процессоров Intel нужно было обязательно. Из всех причин, в принципе, достаточно одной: в текущем виде их некуда развивать, поскольку существенно увеличить частоты невозможно уже не только для топовых Core i7. Понятно, что логичнее было бы провести этот процесс «в одно касание», приурочив его к выходу седьмого поколения Core и сохранив совместимость в рамках одного сокета (при этом как минимум не выглядели бы столь странно ставшие почти одинаковыми Pentium и Core i3), однако на практике все получилось совсем по-другому.
Haswell – четвертое поколение ЦП микроархитектуры Intel Core. Этакий «так» для Ivy Bridge, с типичной 22 нм технологией производства. Но мне хотелось бы начать обзор с одной причины, а вернее – следствия того, куда направлен вектор развития процессоров.
«Темный кремний»
Полвека назад один из основателей Intel Гордон Мур сформулировал закон, согласно которому количество транзисторов на кристалле удваивается приблизительно каждые два года. Правило соблюдалось на протяжении половины столетия, поскольку появлялись новые технические процессы, и производство постепенно переходило с 150 нм на 28 нм, продолжая постоянно уменьшаться. Еще несколько лет тому назад считалось, что после 45 нм перейти на 28 нм будет трудно, а до 14-10 нм доберутся только самые продвинутые и богатые производители.
Но в этом году AMD готовится освоить 20-22 нм техпроцесс, а Intel изготавливает 22-нанометровые решения уже больше года. К 2018-2020 годам число слоев металлизации достигнет 18-20, а количество транзисторов внутри процессора превысит триллион! Сумасшедшие цифры, говорящие о практически достигнутом пределе технологий.
Обратная сторона медали – это растущие токи утечки, протекающие через закрытый транзистор, что является основным фактором роста энергопотребления, которое в идеальном случае не должно меняться. Но в существующей реальности в результате глобального роста энергопотребления, а значит, и тепловыделения, процессоры постепенно превращаются в маленькие ядерные реакторы. И на этом этапе инженерам пришлось искать варианты решения проблемы.
Существует несколько подходов, позволяющих микроэлектронике процветать в эпоху темного кремния: внедрение новых технологических достижений, специализация и управление энергопотреблением и оптимизация на системном уровне, параллелизация для повышения энергоэффективности.
Так как процессор в разный период времени своей работы задействуется не полностью, а лишь частично, появилась идея отключать неиспользуемые блоки, которые получили название «темный кремний». И чем больше погасших участков (те, что работают на значительно пониженной тактовой частоте или полностью отключены), тем меньше энергопотребление CPU.
В будущем микроэлектронике потребуется совершить прорыв в использовании транзисторов, которые изготовлены не по традиционной MOSFET-технологии. Изобретение Tri-Gate- и FinFET-транзисторов, а также High-K-диэлектриков позволило на одно-два поколения процессоров отсрочить неизбежное, все же микроэлектроника приближается к финальной стадии развития. Хотя бы потому, что недавно внедренные технологии являются, по сути, разовыми улучшениями.
Попытки найти замену MOSFET предпринимаются давно, и часть из них уже существует в кремнии. Сейчас есть как минимум два кандидата: TFET-транзисторы и наноэлектромеханические транзисторы. От них ожидают радикального уменьшения токов утечки, но промышленное изготовление пока не освоено. По той же причине из-за роста токов утечки увеличивать число ядер по мере уменьшения размера ячеек невозможно. Иначе одновременное включение всех исполнительных устройств приведет к чрезвычайно высокому уровню энергопотребления.
По мнению современных аналитиков, это недопустимо. Да и снабжать такие ЦП двухкилограммовыми радиаторами глупо. Не стоит забывать и о силовой части, расположенной на материнской плате. Ей придется выдавать ток огромный силы. Поэтому внедрение «темного кремния» в процессоры на данный момент единственный способ сдержать TDP в разумных рамках и не уменьшить удельную производительность CPU. Фактически это ответ на рост частоты, энергопотребления и числа транзисторов.
Отдельного внимания требует оговорка о финансовой стороне вопроса производства процессоров. Теоретически, чем больше кристаллов помещается (поскольку их размер уменьшился), тем выгоднее производить новые модели. Но на практике это становится практически бессмысленным: появляются проблемы корпусирования, затраты на разработку и изготовление новых литографических масок составляют до трети себестоимости производства, что приводит к росту стоимости за единицу площади кремния. И, в конечном счете, делает переход на новый техпроцесс финансово непривлекательным. Не забудьте и о возврате потраченных средств. Чем быстрее и чаще вы переходите с большего на меньший техпроцесс, тем дольше вам надо выпускать и продавать товар. С другой стороны, выход годных кристаллов выше.
Второй сценарий развития процессоров – это уменьшение площади кристалла. Что и происходит каждые два-три года. Сам по себе вариант неплохой, разве что придется усложнять разводку микросхемы, закупать дорогостоящее оборудование, проводить исследования. Помимо этого, на определенном этапе разработчики получат сильно перегретые участки в процессоре и столкнутся с проблемой охлаждения. Явный тому пример – переход от Sandy Bridge к Ivy Bridge.
А с выходом Haswell дополнительный нагрев создают элементы управления питанием, расположенные теперь под крышкой. Вероятнее всего оставшаяся часть площади при переходе на более тонкий техпроцесс будет использована для снижения энергопотребления – с девизом «Больше темного кремния – значит лучше!».
И в итоге ввод нового понятия («темный кремний») позволяет производителям экономить пиковое и среднее энергопотребление, оставаясь в рамках фиксированного размера кристалла и ограниченного TDP. Так что в ближайшем будущем процессоры будут сохранять полезную площадь и постепенно сокращать энергопотребление.
Haswell: вид снаружи
Двух- и четырехъядерный варианты Haswell.
Решения поколения Haswell создавались с оглядкой на постоянно растущий сектор ноутбуков и ультрабуков. Поэтому к новым процессорам выдвигались соответствующие требования. А десктопный вариант – это адаптированный к настольным системам ЦП с большими частотами. Увы, но вычислительная часть Haswell не является его преимуществом по отношению к Ivy Bridge. Вообще, говоря о производительности новых моделей Intel, в первую очередь обращают внимание на структурные изменения (система питания перебралась в CPU, новое графическое ядро), а не на удельную скорость выполнения 2D задач.
Революционных изменений архитектуры Intel HD Graphics в Haswell по сравнению с Ivy Bridge нет, но есть новые возможности (в том числе увеличенное количество исполнительных устройств и некоторые архитектурные улучшения), приводящие к росту производительности и существенному снижению энергопотребления.
Поддерживаемые API:
- Haswell – DirectX 11.1, OpenGL 4.0 и OpenCL 1.2;
- Ivy Bridge – DirectX 11.0, OpenGL 3.3 и OpenCL 1.1.
В зависимости от модели процессора GPU Haswell будут выпускаться в разных модификациях, отличающихся количеством исполнительных устройств (EU). К модификациям GT1 и GT2 добавится новая - GT3. Она будет включать не только вдвое больше EU, чем GT2, но и двукратное увеличение количества блоков растеризации, операций с пикселями (Stensil buffer, Color Blend), и кэша третьего уровня. Такой подход теоретически на 50-70% поднимет пиковую производительность встроенной графики, которая, как вы знаете, все еще существенно проигрывает APU (Accelerated Processing Unit) AMD.
Смотрим вглубь
Для того чтобы понять, насколько серьезно Intel расширила отведенную для GPU часть процессора, сначала надо оценить количественные улучшения. Так, Command Streamer (CS) дополнен одним блоком Resource Streamer (RS). Блок сам по себе уникален для современной архитектуры Intel, потому как отлично вписывается в концепцию переложения работы с CPU на GPU. Частично он делает то, что раньше делали драйверы, но, увы, полностью заменить программную сущность он не в силах.
Продолжается и развитие управлением Ring Bus. Еще со времен Sandy Bridge Intel уловила направление развития технологий и высокую значимость энергопотребления, и «отвязала» частоту кольцевой шины от вычислительных блоков ЦП. Теперь Ring Bus изменяет свою частоту в более широких пределах и даже независимо от частоты процессора, что дополнительно экономит энергию.
Обновились и блоки медиасистемы - в целом они такие же, как и в Ivy Bridge, но, как всегда , лучше.
- Кодирование MPEG2;
- Улучшение качества кодирования видео, возможность выбора между производительностью и качеством (режимы Fast, Normal и Quality);
- Декодирование SVC (Scalable Video Coding) в AVC, VC1 и MPEG2;
- Декодирование Motion JPEG;
- Декодирование видео высокого разрешения - до 4096х2304 пикселей.
В процессоре появилось новое исполнительное устройство – Video Quality Engine («Блок качества видео»), которое отвечает за различные улучшения качества (шумоподавление, деинтерлейсинг, коррекция тона кожи, адаптивное изменение контраста). Но только в Haswell к ним добавили еще две особенности: стабилизацию изображения и преобразование частоты кадров.
Со стабилизацией изображения мы знакомы давно, поскольку GPU и APU AMD давно предложили ее нам, а преобразование частоты кадров фишка гораздо более интересная. Это аппаратное решение, которое преобразует 24-30 кадровое видео в 60 кадров! В компании Intel заявляют об интеллектуальном совмещении и добавлении кадров, а не о простом размножении или интерполировании кадров. Если кратко, технология вычисляет движение соседних кадров и с помощью блока «преобразования частоты кадров» делается интерполяция и вставка.
Помимо этого появились следующие возможности:
- Работа трех мониторов одновременно;
- Display Port 1.2 с последовательным подключением панелей;
- Поддержка дисплеев высокого разрешения до 3840х2160 @ 60 Гц через Display Port 1.2 и 4096х2304 @ 24 Гц через HDMI включительно;
- Расположение «Коллаж».
Режим «Коллаж» соединяет четыре монитора, превращая всю доступную поверхность в 4К дисплей. Для этого предполагается использовать специальные разветвители.
Что касается самой архитектуры, то блочная схема, когда все процессоры построены из отдельных унифицированных блоков, никуда не делась. Но самое главное то, что процессоры Haswell просто-таки требуют нового разъема, очевидно тоже энергоэффективного .
Новая архитектура Haswell по-прежнему отлично справляется с моно- и многопоточной нагрузкой. Ревизии подверглись две вещи: очередь декодированных инструкций и емкость буферов (в сторону увеличения). Это дало некоторое увеличение точности предсказания переходов и повышение оптимизации разделения потоков в режиме Hyper-Threading. Важным элементом в строении стали новые инструкции, призванные в нужный момент дать двукратный рост скорости. К сожалению, увеличенная пропускная способность кэш-памяти (первого и второго уровней) соседствует со старой латентностью.
Процессоры Intel Core выполняли до шести микроопераций параллельно. Хотя внутренняя организация и содержит более шести исполнительных устройств, в системе есть только шесть стеков исполнительных блоков. Три порта задействуются для операций с памятью, оставшиеся три – для других вычислений (математических).
На протяжении многих лет Intel добавляла дополнительные типы инструкций и меняла ширину исполнительных блоков (например, в Sandy Bridge были добавлены 256-битные AVX операции), но она не пересматривала количество портов. А вот Haswell наконец-то обзавелся еще двумя исполнительными портами.
Для модельного ряда Haswell Intel ввела новое условие по части питания. Процессоры будут работать с интегрированными регуляторами напряжения, которые установлены внутри. Хотя нет никаких преград для полной интеграции питания в кремний, разработчики ограничились отдельной микросхемой рядом с кристаллом CPU.
В Haswell установлено двадцать ячеек, каждая из которых размером 2.8 мм 2 и создает виртуальные 16 фаз с максимальной силой тока 25 ампер. Несложно подсчитать, что в общей сложности регулятор содержит 320 фаз для питания процессора и обеспечивает очень точную регулировку напряжения. Возможно, в следующем поколении ЦП Broadwell эти компоненты питания будут окончательно перенесены внутрь кристалла CPU.
Новый набор логики
| Модель | Седьмая серия | Восьмая серия |
| Количество USB портов | 14 | 14 |
| Порты USB 3.0 | до 4 | до 6 |
| xHCI порты | 4 USB 3.0 | 20 USB (14+6) |
| PCI-e |
Компания Intel прошла очень длинный путь развития, от небольшого производителя микросхем до мирового лидера по производству процессоров. За это время было разработано множество технологий производства процессоров, очень сильно оптимизирован технологический процесс и характеристики устройств.
Множество показателей работы процессоров зависит от расположения транзисторов на кристалле кремния. Технологию расположения транзисторов называют микроархитектурой или просто архитектурой. В этой статье мы рассмотрим какие архитектуры процессора Intel использовались на протяжении развития компании и чем они отличаются друг от друга. Начнем с самых древних микроархитектур и рассмотрим весь путь до новых процессоров и планов на будущее.
Как я уже сказал, в этой статье мы не будем рассматривать разрядность процессоров. Под словом архитектура мы будем понимать микроархитектуру микросхемы, расположение транзисторов на печатной плате, их размер, расстояние, технологический процесс, все это охватывается этим понятием. Наборы инструкций RISC и CISC тоже трогать не будем.
Второе, на что нужно обратить внимание, это поколения процессора Intel. Наверное, вы уже много раз слышали - этот процессор пятого поколения, тот четвертого, а это седьмого. Многие думают что это обозначается i3, i5, i7. Но на самом деле нет i3, и так далее - это марки процессора. А поколение зависит от используемой архитектуры.
С каждым новым поколением улучшалась архитектура, процессоры становились быстрее, экономнее и меньше, они выделяли меньше тепла, но вместе с тем стоили дороже. В интернете мало статей, которые бы описывали все это полностью. А теперь рассмотрим с чего все начиналось.
Архитектуры процессора Intel
Сразу говорю, что вам не стоит ждать от статьи технических подробностей, мы рассмотрим только базовые отличия, которые будут интересны обычным пользователям.
Первые процессоры
Сначала кратко окунемся в историю чтобы понять с чего все началось. Не будем углубятся далеко и начнем с 32-битных процессоров. Первым был Intel 80386, он появился в 1986 году и мог работать на частоте до 40 МГц. Старые процессоры имели тоже отсчет поколений. Этот процессор относиться к третьему поколению, и тут использовался техпроцесс 1500 нм.
Следующим, четвертым поколением был 80486. Используемая в нем архитектура так и называлась 486. Процессор работал на частоте 50 МГц и мог выполнять 40 миллионов команд в секунду. Процессор имел 8 кб кэша первого уровня, а для изготовления использовался техпроцесс 1000 нм.
Следующей архитектурой была P5 или Pentium. Эти процессоры появились в 1993 году, здесь был увеличен кэш до 32 кб, частота до 60 МГц, а техпроцесс уменьшен до 800 нм. В шестом поколении P6 размер кэша составлял 32 кб, а частота достигла 450 МГц. Тех процесс был уменьшен до 180 нм.
Дальше компания начала выпускать процессоры на архитектуре NetBurst. Здесь использовалось 16 кб кэша первого уровня на каждое ядро, и до 2 Мб кэша второго уровня. Частота выросла до 3 ГГц, а техпроцесс остался на том же уровне - 180 нм. Уже здесь появились 64 битные процессоры, которые поддерживали адресацию большего количества памяти. Также было внесено множество расширений команд, а также добавлена технология Hyper-Threading, которая позволяла создавать два потока из одного ядра, что повышало производительность.
Естественно, каждая архитектура улучшалась со временем, увеличивалась частота и уменьшался техпроцесс. Также существовали и промежуточные архитектуры, но здесь все было немного упрощено, поскольку это не является нашей основной темой.
Intel Core
На смену NetBurst в 2006 году пришла архитектура Intel Core. Одной из причин разработки этой архитектуры была невозможность увеличения частоты в NetBrust, а также ее очень большое тепловыделение. Эта архитектура была рассчитана на разработку многоядерных процессоров, размер кэша первого уровня был увеличен до 64 Кб. Частота осталась на уровне 3 ГГц, но зато была сильно снижена потребляемая мощность, а также техпроцесс, до 60 нм.
Процессоры на архитектуре Core поддерживали аппаратную виртуализацию Intel-VT, а также некоторые расширения команд, но не поддерживали Hyper-Threading, поскольку были разработаны на основе архитектуры P6, где такой возможности еще не было.
Первое поколение - Nehalem
Дальше нумерация поколений была начата сначала, потому что все следующие архитектуры - это улучшенные версии Intel Core. Архитектура Nehalem пришла на смену Core, у которой были некоторые ограничения, такие как невозможность увеличить тактовую частоту. Она появилась в 2007 году. Здесь используется 45 нм тех процесс и была добавлена поддержка технологии Hyper-Therading.
Процессоры Nehalem имеют размер L1 кэша 64 Кб, 4 Мб L2 кэша и 12 Мб кєша L3. Кэш доступен для всех ядер процессора. Также появилась возможность встраивать графический ускоритель в процессор. Частота не изменилась, зато выросла производительность и размер печатной платы.
Второе поколение - Sandy Bridge
Sandy Bridge появилась в 2011 году для замены Nehalem. Здесь уже используется техпроцесс 32 нм, здесь используется столько же кэша первого уровня, 256 Мб кэша второго уровня и 8 Мб кэша третьего уровня. В экспериментальных моделях использовалось до 15 Мб общего кэша.
Также теперь все устройства выпускаются со встроенным графическим ускорителем. Была увеличена максимальная частота, а также общая производительность.
Третье поколение - Ivy Bridge
Процессоры Ivy Bridge работают быстрее чем Sandy Bridge, а для их изготовления используется техпроцесс 22 нм. Они потребляют на 50% меньше энергии чем предыдущие модели, а также дают на 25-60% высшую производительность. Также процессоры поддерживают технологию Intel Quick Sync, которая позволяет кодировать видео в несколько раз быстрее.
Четвертое поколение - Haswell
Поколение процессора Intel Haswell было разработано в 2012 году. Здесь использовался тот же техпроцесс - 22 нм, изменен дизайн кэша, улучшены механизмы энергопотребления и немного производительность. Но зато процессор поддерживает множество новых разъемов: LGA 1150, BGA 1364, LGA 2011-3, технологии DDR4 и так далее. Основное преимущество Haswell в том, что она может использоваться в портативных устройствах из-за очень низкого энергопотребления.
Пятое поколение - Broadwell
Это улучшенная версия архитектуры Haswell, которая использует техпроцесс 14 нм. Кроме того, в архитектуру было внесено несколько улучшений, которые позволили повысить производительность в среднем на 5%.
Шестое поколение - Skylake
Следующая архитектура процессоров intel core - шестое поколение Skylake вышла в 2015 году. Это одно из самых значительных обновлений архитектуры Core. Для установки процессора на материнскую плату используется сокет LGA 1151, теперь поддерживается память DDR4, но сохранилась поддержка DDR3. Поддерживается Thunderbolt 3.0, а также шина DMI 3.0, которая дает в два раза большую скорость. И уже по традиции была увеличенная производительность, а также снижено энергопотребление.
Седьмое поколение - Kaby Lake
Новое, седьмое поколение Core - Kaby Lake вышло в этом году, первые процессоры появились в середине января. Здесь было не так много изменений. Сохранен техпроцесс 14 нм, а также тот же сокет LGA 1151. Поддерживаются планки памяти DDR3L SDRAM и DDR4 SDRAM, шины PCI Express 3.0, USB 3.1. Кроме того, была немного увеличена частота, а также уменьшена плотность расположения транзисторов. Максимальная частота 4,2 ГГц.
Выводы
В этой статье мы рассмотрели архитектуры процессора Intel, которые использовались раньше, а также те, которые применяются сейчас. Дальше компания планирует переход на техпроцесс 10 нм и это поколение процессоров intel будет называться CanonLake. Но пока что Intel к этому не готова.
Поэтому в 2017 планируется еще выпустить улучшенную версию SkyLake под кодовым именем Coffe Lake. Также, возможно, будут и другие микроархитектуры процессора Intel пока компания полностью освоит новый техпроцесс. Но обо всем этом мы узнаем со временем. Надеюсь, эта информация была вам полезной.
Об авторе
Основатель и администратор сайта сайт, увлекаюсь открытым программным обеспечением и операционной системой Linux. В качестве основной ОС сейчас использую Ubuntu. Кроме Linux интересуюсь всем, что связано с информационными технологиями и современной наукой.
