Изучаем архитектуру процессоров Intel Core последних поколений

В августе 2017 года компания Intel порадовала нас анонсом процессоров Intel Core 8 поколения. Пользователи, скорее всего уже давно перестали ориентироваться в отличиях одних поколений от других, их особенностях, а главное, преимуществах. Ведь маркировка у них более-менее одинаковая. Так есть ли смысл в переходе с одного поколения на другое?

Несколько лет назад мы опубликовали статью, которая покрывала вопросы развития архитектуры процессоров Intel. Там мы рассказали о том, что развитие архитектур ядер подчиняется двухэтапной концепции «Тик-Так»: развитие каждый тик — это появление нового техпроцесса и выпуск процессоров на нем, используя имеющуюся архитектуру, а каждый так — это появление новой архитектуры (второе поколение, если хотите). Весь цикл длится примерно 2 года, по году на каждую стадию.

Существующая нумерация поколений процессоров Core начинается с 2009 года, когда было представлено ядро Westmere, пришедшая на смену Nahalem.

• 1-е поколение «Westmere» и 2-е поколение «Sandy Bridge» (2011 г.). Технологический процесс в этом случае был идентичным — 32 нм, а вот изменения в плане архитектуры чипа существенные — северный мост материнской платы и встроенный графический ускоритель перенесены в ядро CPU.
• 3-е поколение «Ivy Bridge» (2012 г.) и 4-е поколение «Haswell» (2013 г.) — техпроцесс 22 нм. Уменьшено энергопотребление процессоров на 30-50% благодаря внедрению множества новых технологических особенностей в производство, таких как 3D трехзатворные транзисторы, повышены тактовые частоты чипов, при этом производмтельность возросла незначительно. Процессоры Haswell потребовали переход на новый сокет в связи с изменением системной шины и новой шины памяти.
• 5-е поколение «Broadwell» (2014 г.) и 6-е поколение «Skylake» (2015 г.) – техпроцесс 14 нм. Снова повышены частота, еще более улучшено энергопотребление (улучшение автономной работы на 10-30%) и добавлены несколько новых инструкций, которые улучшают быстродействие. Однако, 5-е поколение подкупает не только автономной работой. Помимо этого, такие процессоры способны укладывать загрузку в не более чем 3 секунды, проводить конвертацию видео до 8 раз быстрей, а также работать с некоторыми 3D играми в 12 раз эффективней своих предшественников Haswell. Также новые процессоры поддерживают самые последние технологии, среди которых особенно хочется выделить 4К, беспроводной экран Wi-Di и встроенную опцию безопасности с возможностью быстрого шифрования передаваемых данных.
  А вот Skylake стал самым серьезным обновлением микроархитектуры за последние 10 лет: выделим поддержку DDR4 и одновременно DDR3L с пониженным напряжением питания памяти, USB3.1 первого поколения, беспроводной зарядки и работу с Thunderbolt 3. Однако, стоит обратить внимание, что здесь поддержка Thunderbolt 3 требует отдельного Thunderbolt контроллера, который по умолчанию не входит в состав чипсета. Помимо этого в ядро интегрировали достаточно мощное графическое ядро Intel HD 520/530. Надо сказать, что процессор стал удачным маркетинговым решениям, предлагая не только привычное небольшое увлечение производительности за счет оптимизации архитектуры, но и привнес поддержку ряда технологических решений. Это привело к необходимости редизайна материнских плат и переписывая BIOS для поддержки новых возможностей. По признанию HP, их ноутбуки Elitebook имели массу проблем со стабильностью именно из-за включения множества новых необкатанных технологий, включая Thunderbolt 3. Пропатченные версии BIOS сменяли один другого каждый месяц.

 

7 поколение Core — наше настоящее

Седьмое поколение, носящее кодовое наименование «Kaby Lake», было представлено в 2016 году, а устройства на нем выпускаются до сих пор. Эта платформа удивила использование техпроцесса 14 нм. Да, на этом ядре традиционный цикл обновления ядер Intel сломался – перехода на техпроцесс 10 нм не произошло. Не хватило времени для технологической подготовки к еще большему увеличению плотности чипов за счет уменьшения транзисторов. Kaby Lake — это всего лишь «доработанная» версия Skylake, но она приносит с собой некоторые важные новые функции:

1. Новый встроенный видеоадаптер Intel HD 630, обеспечивающий производительность на целых 30% в синтетических тестах выше по сравнению с предыдущим Intel HD 620.
2. В новой микроархитектуре существенно улучшено энергопотребление, составляющее 7.5 Вт у Kaby Lake, чего не скажешь о Skylake с его 15-ти ваттным потреблением.
3. В Kaby Lake была реализована нативная поддержка портов USB 3.1 в отличие от Skylake, где для этого требовались дополнительные контроллеры на материнской плате.

Поддержка чипсетов

Важный момент заключается в том, что Kaby Lake используют тот же разъем LGA 1151, поэтому вы можете использовать Kaby Lake на материнской плате, на которой был установлен чип Skylake. Однако, материнские платы для Skylake 100-й серии не поддерживают ряд новых функций, поэтому рекомендуется переход на чипсеты 200-й серии. Изменилась системная шина, связывающая процессор и чипсет. Несмотря на то, что оба поколения процессоров имеют 6 PCIe 3.0 линий от CPU, Kaby Lake использует 24 линии PCIe линиями от PCH (Platform Controller Hub), в то время как Skylake обладает только 20-ю линиями.

Я напомню, что процессоры на сокете LGA1150 использовали системную шину DMI 2.0, в то время как начиная со Skylake с разъема LGA1150 стала применяться шина DMI 3.0, имеющая пропускную способность 8 Гигатранзакций в секунду (32 Гбит/с или 4 ГБ/с в каждом направлении). DMI 3.0, по сути, является эквивалентом четырем линиями PCIe 3.0. Все данные с интерфейсов ввода-вывода, включая USB флеш-накопители, SATA SSD и гигабитную сеть Ethernet, проходят сначала через PCH, и уже потом через DMI попадают в системную память, после чего достигают ЦП. Строго говоря, шина DMI 3.0 никогда не загружается на полную, однако при наличии большого числа быстрой периферии типа массива SSD, она имеет смысл. Интересно, что бюджетные чипсеты как 100-го, так и 200-го семейства (например, H110 и С226) использовали DMI 2.0, в то время как более производительные чипсеты в то же время используют DMI 3.0.

Топовый чипсет 100-го семейства Z170 имеет в общей сложности 26 линий шины HSIO (High-Speed Input-Output), шесть из которых выделены под шесть постоянных портов USB 3.0. Таким образом, на чипсете остается 20 конфигурируемых линий HSIO, которые можно назначить для работы с тем или иным устройством или шиной. Каждый порт SATA также использует линию HSIO, если он не подключен через сторонний контроллер (хотя контроллеру также нужна, по крайней мере, одна линия для связи с PCH). На схеме видно, что контроллеры GbE и SSD с интерфейсом PCIe также используют доступные линии HSIO.

 

 

А вот скромный чипсет H110 начального уровня использует только 14 линий HSIO. Lkя интересующихся тонкостями того, как производитель вводит нас в заблуждение, я приведу сводную таблицу, описывающую реальное число линий, которые позволяют подключить то или иное число периферии. Именно с этим числом может играть производитель материнских плат, устанавливая то или иное количество нужным ему интерфейсов.

 

 

Так выглядит структурная схема топового чипсета Intel Z270:

 

 

Kaby Lake процессоры также обладают широким диапазоном требований по теплоотводу, варьирующимся от 3.5Вт и до 95 Вт. Среди общих характеристик, можно выделить поддержку до 4-х ядер в главных процессорах, кеш-память L4 от 64 до 128 Мб. Это самая масштабируемая линейка процессоров за 10 лет, отсюда и множественные индексы в названиях процессоров – Y (ультранизкое энергопотребление 4,5 Вт), U (15 Вт), H и S (десктопные процессоры).

 

 

С точки зрения главных фишек для пользователя наиболее значительно, что обновленный графический чип поддерживает аппаратное кодирование и декодирование 4K видео. Для этого применяется кодек HEVC (High Efficiency Video Coding – H.265). Кодек HEVC при высоком качестве изображения позволяет менять на ходу и уменьшить битрейт, а соответственно, и размер файла. Экономия места в сравнении со стандартом H.264 может достигать 25-50% при сохранении качества, кроме того он поддерживает параллельное кодирование! Вычисления на себя берет GPU, что разгружает основное ядро, чем страдал Skylake. Это же привело и к увеличению времени автономной работы.

В целом же производительность во всех остальных приложениях осталось почти прежней: прирост составил несколько процентов за счет увеличения базовой частоты моделей на 100 МГц. Здесь также слегка обновлена технология Turbo Boost.

Turbo Boost — технология компании Intel для автоматического увеличения тактовой частоты процессора свыше номинальной, если при этом не превышаются ограничения мощности, температуры и тока в составе расчетной мощности (TDP). Это приводит к увеличению производительности однопоточных и многопоточных приложений. Фактически, это технология «саморазгона» процессора. Доступность технологии Turbo Boost зависит от наличия одного или нескольких ядер, работающих с мощностью ниже расчетной. Время работы системы в режиме Turbo Boost зависит от рабочей нагрузки. Включается и выключается эта опция через BIOS.

Так вот, Turbo Boost в Kaby Lake усовершенствована за счет более быстрого переключения между частотами ядер.

В 7-ом поколении Intel решила поменять названия моделей процессоров, и если в линейке Skylake у нас были три модели с именами m3, m5 и m7, то Kaby Lake назвала свои модели m3, i5 и i7. Теперь, чтобы не ввести себя в заблуждение, и разобраться, какие перед вами i5 и i7 процессоры – маломощные Kaby Lake или же более мощные Skylake — придется обращать внимание на полное название процессора. Модели «m» содержат букву «Y» в своем названии, тогда как у более мощных процессоров вместо нее будет присутствовать буква «U».

Thunderbolt 3 – раскат грома в платформостроении

Внедрение Thunderbolt 3 на уровне чипсета в Kaby Lake стало важной вехой в развитии интересов и платформостроении. Это до сих пор пока еще странная и малопонятная вещь, которая имеет большие перспективы на рынке. Это универсальный интерфейс, который в себе объединяет совершенно различные порты в одно единое целое. В основе его лежит шина PCI Express, которая и позволяет перекоммутировать все современные последовательные интерфейсы между собой.

Контроллер Thunderbolt 3 обеспечивает подключение со скоростью до 40 Гбит, удвоив скорость предыдущего поколения, он же поддерживает USB 3.1 второго поколения (Gen2) на 10 Гб/с (а не 5 Гб/с как у Skylake) и DisplayPort 1.2, HDMI 2.0, что позволяет подключить два 4К дисплея, выводить видео и аудио сигналы одновременно. Кроме того, Thunderbolt 3 обратно совместим с Thunderbolt 2. Сам же интерфейс Thunderbolt 3 использует разъем на базе USB Type-C как основной.

Вы, наверное, обратили внимание, что многие ноутбуки с 2016 года имеют многие из этих интерфейсов сразу на борту, а заявленная поддержка USB 3.1 как раз реализована новыми портами USB Type-C. Через этот порт, например, происходит, и зарядка планшетных компьютеров, и подключение док-станций, имеющих и видео, и аудио интерфейсы в одном. Так, например, таблетка HP Elite x2 1012 имеет два порта USB-C, к которым подключается док Elite USB-C dock, а все дисплеи, локальная сеть и аудиоустройства уже подключаются к доку. USB Type-C позволяет заряжать ваши устройства до 100 Вт, которых достаточно для зарядки большинства ноутбуков. Это значит, что вы можете использовать один кабель с разъемом USB Type-C для передачи данных в тот момент, когда вы заряжаете его.

 

 

На USB Type-C перешла и компания Apple, оставив только такие порты на своих MacBook. Кстати, MacBook 2016 года как раз целиком выполнен на Kaby Lake. Помимо ноутбков MacBook Pro, многие ноутбуки ведущих брендов поддерживают Thunderbolt 3: ASUS Transformer 3 и Transformer 3 Pro, Alienware 13, Dell XPS 13, HP Elite X2 и Folio, HP Spectre и Spectre x360, Razer Blade Stealth, Lenovo ThinkPad Y900, а также ещё несколько десятков других с портами Thunderbolt 3.

Однако нужно понимать, что не все USB Type-C порты поддерживают Thunderbolt 3 – это могут быть и обычные контроллеры USB 3.1. Электрически они совместимы, но функции Thunderbolt контроллера работать не будут. Это означает, что Thunderbolt устройство можно подключить в обычный порт USB-C и наоборот, работать они будут только как обычный USB порт для передачи данных.

Thunderbolt 3 также поддерживает функции безопасности портов, защищая от подключения неавторизованных устройств. Эти функции заложены в прошивке BIOS, однако их можно отключить. Можно настроить различные политики безопасности портов – блокировать порты, спрашивать пользователя при подключении нового устройства, или же подключать без лишних вопросов.

Подводя итоги тому, что мы сейчас имеем на рынке – это весьма удачные с точки зрения графического ядра и тепловыделения процессоры Kaby Lake, можно сказать, идеальные для ноутбуков различного класса, но не сильно отличающиеся по производительности от предшественников. В целом, для тех, кому все перечисленные выше фишки не нужны, и кто пользуется внешней видеокартой, данная покупка в плане апгрейда не имеет смысла.

8 поколение – Озеро Кофе

Текущий 2017 год получился очень насыщенным в процессорном мире. AMD выпустила очень удачные процессоры Ryzen и Threadripper, которые наконец пришлись ко двору, так сказать, в нужное время и за нужную цену, отчего они стали так популярны среди простых покупателей. Intel же, выпустила Core X с 14, 16 и даже 18 ядрами так сказать, с прицелом на будущее. Но мы ждем чуда – реализации продолжения закона Мура, то есть перехода на 10 нанометровый техпроцесс. И это опять не произошло.

Хорошо это или плохо? Наверное, с маркетинговой точки зрения, это грамотный шаг, оставить новый техпроцесс про запас, на вырост. Но что-то же надо выпустить. И Intel выстрелила – наконец, впервые, последовав идеологии AMD, пошли на увеличение числа ядер. И теперь у Core i7 6 ядер/12 потоков, у Core i5 их также 6, а у i3 теперь 4 полноценных ядра, теперь он вообще как целый i5 раньше!

Итак, новый топовый Intel Core i7-8700 имеет в два раза больше ядер на одном кристалле, что стало возможным за счет очередной оптимизации компоновки ядра, более равномерного расположения транзисторов по кристаллу. Площадь кристалла увеличилась на 16% до 150 мм². Чуть-чуть вырос кэш L1, кэш L2 стал 1,5 Мбайт, а L3 – 12 Мбайт. Эти изменения логичны для обслуживания вычислительной работы ядер. Однако, это все меньше, чем у Ryzen, у которых 4 и 16 Мбайт кэши второго и третьего уровня соответственно при значительно меньшей цене. Хотя это ни о чем напрямую не говорит, ведь эффективность работы с кэшем зависит от длины конвейера и точности попадания при ветвлениях. Но потенциально это проигрыш.

Новый процессор теперь поддерживает только память DDR4, а встроенный контроллер памяти увеличил частот до 2666 МГц, что является рекордом работы с памятью. Уровень TDP увеличился с 91 до 95 Вт в режиме без разгона и до 145 Вт в турборежиме, что потребует очень хорошей системы охлаждения. Частота поднята за счет высокого множителя – максимальный множительный частоты шины – 43x.

Несмотря на то, что количество потоков увеличилось до 12 за счет Hyper-Threading, количество инструкций выполняемых за такт (IPC) осталось таким же, как и у Skylake и Kaby Lake. А это означает, что архитектура вычислительного устройства (ALU), конвейера и блока предвыборки инструкций не изменилась. Иначе говоря, это та же архитектура с тем же набором инструкций.

Графическое ядро не изменилось — Intel UHD Graphics 630, однако слегка увеличена частота GPU. Структурно там все также 24 вычислительных блока. Графика занимает примерно треть всего кристалла.

Что стало неприятной, но ожидаемой новостью – это то, что новые процессоры не смогут работать со старыми чипсетами. И дело даже не разъеме – будет использоваться прежний LGA1151. Дело в том, что из-за новой компоновки ядра, изменится и обвязка питания кристалла, что приводит к иной распиновке выводов. Появилось большее число выводов Vcc (питание) и Vss (заземление). Как результат, Intel следом представила и 300-е семейство чипсетов, топовая модель которого – Z370. На удивление, Z370 ничем не отличается от предшественника Z270, даже имея USB 3.1 первого поколения. Все это в купе создает не слишком приятное впечатление о новинке.

 

 

Пожалуй, самая лучшая новость заключается в том, что некогда младшенький Core i3 стал, наконец, полноценным четырехядерным процессором. Вероятнее всего, он и получит наибольшую популярность в своем сегменте.

Говоря о производительности, можно констатировать, что отличия по сравнению с предыдущим поколением по большей части будут заметны только при работе с видео (особенно 4К до 30%), графикой (в Adobe Photoshop до 60%) и играх (до 25%). Средневзвешенная производительность увеличится не более чем на 15%.