В 2020-м году было выпущено десятое поколения процессоров Intel Core, пятое по счету в основе которого лежала архитектура Skylake и 14 нм. техпроцесс. Несмотря на то, что выпущенные процессоры смогли помочь Intel удержаться на рынке предлагая конкурентоспособные решения, было понятно, что Comet Lake – это последняя попытка выжать соки из архитектуры Skylake. Но в рукаве у Intel был один козырь – архитектура Sunny Cove используемая в мобильных процессорах с 19-го года. Именно ее адаптацию на десктоп и решено было выпустить в рамках 11-го поколения процессоров Intel Core.
Rocket Lake
В начале 2021-го года в Intel возникла довольно странная ситуация – уже два года как был освоен 10 нм. техпроцесс, но его характеристики позволяли выпуск только относительно простых мобильных чипов, содержащих до четырех ядер и обладающих низким уровнем энергопотребления. Выпуск же мощных многоядерных процессоров на 10 нм. техпроцессе все откладывался и откладывался.
Также с 2019-го года, у Intel была новая архитектура вычислительных ядер - названная Sunny Cove. Несмотря на то, что она не была создана с чистого листа, и в ее основе лежала Skylake, производительность отдельного ядра была поднята почти на 20%. Даже более – в конце 2020-го года была представлена новая, еще более производительная мобильная архитектура Willow Cove являющаяся дальнейшим развитием Sunny Cove и основанная на усовершенствованном 10 нм. техпроцессе. Проблема переноса этих архитектур на десктоп – тот самый техпроцесс, который в текущей реализации Intel не позволял создавать сложные многоядерные чипы с высоким уровнем энергопотребления.
Поэтому для 11-го поколения процессоров Core, компания Intel осуществила перенос своей прошлой мобильной архитектуры Sunny Cove, на 14 нм. техпроцесс, позволяющий создавать высокочастотные и многоядерные чипы. Получившаяся архитектура процессорных ядер была названа Cypress Cove, а сама архитектура процессоров одиннадцатого поколения получила название Rocket Lake.
Анонсируя одиннадцатое поколение, Intel обещала прирост производительности процессорного ядра на внушительные 19%, в сравнении с Skylake. Цифра, от которой все уже отвыкли за 10 лет, прошедшие после появления Sandy Bridge. Попробуем разобраться за счет чего удалось добиться таких впечатляющих показателей.
Микроархитектура Cypress Cove, как уже было сказано, является дальнейшим развитием Skylake. Но кроме очередного увеличения буферов и очередей, что мы видели уже неоднократно, были также расширены наборы исполнительных и вычислительных устройств и добавлены новые порты запуска инструкций на выполнение. Последнее такое расширение мы видели в Haswell, где портов запуска стало 8. Архитектура Cypress Cove увеличила их число до 10. Результатом этого стало исполнение пяти инструкций, вместо четырех, а в целом процессорное ядро параллельно обрабатывает до десяти команд. Кроме исполнительных устройств были добавлены блоки чтения и записи, что ускорило работу с памятью. Улучшены алгоритмы предсказания ветвлений и оптимизированы сами исполнительные устройства для более продуктивной работы.
Набор команд AVX был расширен поддержкой 512-битных векторных вычислений до AVX-512, что в ряде задач может существенно повысить скорость работы.
Впервые за много лет была изменена система кэширования. Так кэш данных первого уровня был увеличен на 50%. Его объем теперь составляет 48 кб. Вместе с увеличением размера, почти в два раза выросла скорость кэша первого уровня. Объем кэша инструкций не изменился и составляет все те-же 32 кб. Кэш второго уровня также был увеличен в два раза до 512 Кб, вместе с полуторакратным увеличением скорости его работы. Скорость работы кэша третьего уровня практически не изменилась.
Кроме изменений внутри вычислительных ядер, значительные изменения претерпела и Uncore часть новых процессоров. Так вместо 16 линий PCI-Express третьей версии новые процессоры имеют встроенный контроллер обеспечивающий работу 20 линий PCI-Express 4. Это позволило напрямую к процессору, кроме видеокарты, использующей 16 линий, подключить твердотельный накопитель стандарта M2. Шина DMI для связи с чипсетом теперь использует целых 8 линий PCI-Express, правда всего лишь третьей версии этого протокола. Контроллер памяти полноценно поддерживает работу с памятью DDR4-3200.
Встроенное видеоядро также полностью новое, использует архитектуру, названную Intel Xe. Кроме увеличения количества исполнительных устройств в полтора раза, до 32-х, была серьезно доработана их внутренняя архитектура. Обновились версии аппаратных кодеков видеопотока с поддержкой видео высокого разрешения, появилась поддержка новых видео-интерфейсов HDMI 2.0b и DisplayPort 1.4. А также встроенное видео поддерживает вывод изображения в формате 4K на три монитора одновременно.
Также важно, что новые процессоры используют привычный по десятому поколению процессоров Intel Core конструктив Socket 1200. Но полная совместимость с всем расширенным функционалом обеспечивается только с новым поколением чипсетов.
В марте 2021-го года были представлены процессоры 11-го поколения Intel Core. Верхний сегмент представляет семейство Core i9. В поколении Rocket Lake это восьмиядерные чипы с кэшем третьего уровня объемом 16 Мб, главным отличием которых от семейства Core i7 является только работа на предельно высоких частотах. Так, в дополнении к привычному Turbo Boost, процессоры Core i9 обладают также технологиями Thermal Velocity Boost (уже знакомой по Comet Lake) и Intel Adaptive Boost. Первая, как мы помним, повышает максимальную частоту процессора на 100 МГц выше разрешенной тепловым пакетом, если температура не превышает 70 градусов. Вторая-же просто повышает частоту до 5,1 ГГц при нагрузке на все ядра, основываясь на показателях энергопотребления и температуры.
В семействе представлена одна модель Core i9-11900 в различных вариациях - с разблокированным множителем и версии без видеоядра. Работая на разных стартовых частотах 2,5 и 3,5 ГГц, в режиме максимального разгона они повышают свои частоты до 5,2 и 5,3 ГГц. Также оверклокерские процессоры с индексом K привычно отличаются повышенным до 125 Вт тепловым пакетом, в то время как обычные версии довольствуются 65 Вт. Но в настройках материнской платы можно игнорировать эти лимиты, что практически уравнивает эти процессоры. Тем более что разгонного потенциала, как такового, у процессоров Core i9 одиннадцатого поколения нет – сложные чипы, выполненные по устаревшему техпроцессу и так работают на пределе своих возможностей.
Несмотря на то, что процессоры Core i9 лишились двух ядер, благодаря новой, прогрессивной архитектуре, они смогли показать уровень производительности немного выше своих предшественников десятого поколения. Впрочем, встречаются и задачи, где важнее оказывается именно количество ядер, а не их качество.
На ступеньку ниже находится массовое семейство Core i7 также представленное одной моделью Core i7-11700 в различных вариациях. От старшего брата Core i9 процессоры Core i7 отличаются только немного пониженными частотами. Но кроме пониженных частот, процессоры семейства Core i7 лишены технологий Thermal Velocity Boost и Intel Adaptive Boost, поэтому максимальный разрыв при многопоточной нагрузке доходит до внушительных 500 МГц. В остальном-же – это такие-же восьмиядерные чипы с 16 Мб кэша третьего уровня. Базовая модель работает на стартовой частоте в 2,5 ГГц, максимально разгоняясь до 4,9 ГГц. Оверклокерская модель с индексом K – работая на базовой частоте в 3,6 ГГц может повышать ее до 5,0 ГГц. Кроме этого, оверклокерский процессор, привычно обладает повышенным до 125 Вт тепловым пакетом.
Базовым предложением среди Rocket Lake были процессоры семейства Core i5. Как и их предшественники, процессоры Core i5 одиннадцатого поколения обладают шестью ядрами и выполняют 12 потоков. Кэш третьего уровня также остался без изменений – 12 Мб.
Модельный ряд состоит из трех базовых моделей, работающих на частотах от 2,6 до 2,8 ГГц, повышая их в динамическом разгоне до 4,4 – 4,8 ГГц. Старшая модель Core i5-11600 имеет оверклокерскую версию с индексом K, которая кроме разблокированного множителя, имеет повышенный до 125 Вт тепловой пакет и более высокие частоты – базовая 3,9 и максимальная 4,9 ГГц. Новые процессоры показывали производительность в среднем на 10% большую чем их предшественники десятого поколения, обладая всеми остальными преимуществами процессоров одиннадцатого поколения.
Alder Lake
Видимо желая наверстать упущенное, после многих лет анонсов «новинок», которые новинками не являлись, после многих лет топтания на одном месте, после заслуженной утраты звания лидера в отрасли по инновациям, спустя немногим более полу года после выхода процессоров одиннадцатого поколения, в ноябре того-же 2021-го года, Intel представляет следующее, двенадцатое поколение процессоров Intel Core. И в отличии от кочующей из поколения в поколение архитектуры Skylake, это была вторая подряд, действительно новая архитектура, представленная за один год. Также эти процессоры не были очередной оптимизацией и работой над ошибками и слабыми местами Rocket Lake (хоть частично-таки были, но об этом позже). Сама Intel называла процессоры двенадцатого поколения, получившие название Alder Lake – революционными. Сейчас мы и попробуем разобраться – что-же революционного нам предложили.
А предложили много чего. Первое что бросается в глаза – это гибридная архитектура многоядерных процессоров, впервые применённая в мире x86. Вообще гибридный подход, названный big.LITTLE давно применяется в ARM процессорах, лежащих в основе наших смартфонов и планшетов. Там применяются два типа ядер – энергоеффективные и производительные. И благодаря тому, что разные ядра обслуживают различные задачи, достигается гибкость между энергопотреблением процессора и его производительностью.
Такой-же подход Intel применили в своих настольных (и естественно мобильных) процессорах двенадцатого поколения. По правде говоря, даже для Intel этот подход не был нов – ранее выпускалась экспериментальная линейка мобильных процессоров – Lakefield, состоящая из одного производительного ядра Sunny Cove и четырех атомных ядер с архитектурой Tremont. Я об этих процессорах рассказывал в конце части про Intel Atom. Но тогда эти процессоры не были приняты рынком. И причиной этого была специфика взаимодействия между процессором и операционной системой. Операционная система должна не просто видеть процессорные ядра и их загрузку, но и понимать различие между ними. Эта особенность была учтена в новом поколении процессоров Intel Core – в них добавился аппаратный модуль, названный Intel Thread Director. Он предназначен для передачи планировщику ОС исчерпывающей информации о состоянии процессорных ядер, на основании которой планировщик принимает решение о том, на каком ядре будет выполнятся конкретный процесс. Таким образом планировщик сначала будет отправлять новую задачу на производительное ядро для ее быстрого выполнения. Если задача переходит в разряд фоновых процессов – то она перемещается для выполнения на энергоеффективных ядрах, производительности которых достаточно для выполнения фоновых задач, освобождая при этом ресурсы производительных ядер для ресурсоемких задач. Эта технология полноценно поддерживается новой операционной системой Windows 11. Но и на привычной Windows 10 новые процессоры будут работать, но их производительность может быть ниже, из-за неправильной балансировки нагрузки. Но гораздо чаще страдает не производительность, а энергоеффективность процессора, что важно в мобильных ПК, но не критично для десктопов.
Производительные ядра имеют название P-ядра, а энергоеффективные – E-ядра. Архитектура P-ядер является дальнейшим развитием Cypress Cove лежащей в основе процессоров одинадцатого поколения Rocket Lake, и получила название Golden Cove. Это была очередная, очень серьезная доработка, о масштабах которой можно судить по тому, что Intel анонсировала прирост производительности в 19% в сравнении с вышедшей полгода назад Cypress Cove. А если добавить сюда те 19% преимущества которые Cypress Cove дает в сравнении с Skylake, получается, что за один год стало вполне реально получить рост производительности в 40-45%! Посмотрим за счет чего у Intel получилось добиться такого впечатляющего роста.
Во-первых – это привычное расширение и углубление различных буферов, очередей и регистров. Также были улучшены алгоритмы предсказания ветвлений и предварительной выборки данных, и снова добавлены новые исполнительные устройства и порты запуска – теперь их стало двенадцать! С четырех до шести было увеличено количество декодеров – теперь процессорное ядро может декодировать по 6 инструкций за такт.
Также был увеличен объем кэша декодированных инструкций с 2,25 до 4 тыс. записей, вместе с увеличением скорости его работы. Кэши первого уровня L1 остались без видимых изменений – только возросла их скорость и улучшилась работа в многопоточной среде. Зато кэш второго уровня L2 вырос с 512 кб до 1,25 Мб! С возможностью увеличения до 2 Мб для будущих процессоров. Впечатляющий рост на фоне десятилетнего застоя с небольшими 256 Кб L2.
Энергоеффективные ядра являются дальнейшим развитием архитектуры Tremont процессоров Atom. Получившаяся архитектура получила название Gracemont. Базируясь на принципах минимального энергопотребления и максимальной простоты, эти ядра тем не менее не такие уж и «беспомощные» - Intel сравнивая Gracemont с Skylake приводит цифру в 40% меньшего энергопотребления при сравнимом уровне производительности. Или на 40% более высокую производительность при одинаковом энергопотреблении. Правда это касается лишь однопоточной и целочисленной нагрузки, но сам факт того что экономичный Atom можно сравнивать с Skylake уже о многом говорит.
Ядра Gracemont, несмотря на то что являются значительно доработанными ядрами Tremont, объем усовершенствований позволяет говорить про них как о новой архитектуре. Так количество портов запуска было увеличено до 17! Правда в отличие от Golden Cove или Skylake, исполнительные устройства более простые и узкоспециализированные. Именно для этого и пришлось настолько увеличивать их количество – три простых исполнительных устройства, по одному на каждый тип операций, работая по очереди будут потреблять меньше энергии чем одно сложное и универсальное. Тем более что несмотря на 17 портов запуска количество одновременно выполняемых команд не может быть больше пяти.
Декодер Gracemont может за такт обрабатывать до шести инструкций. А для облегчения его работы был увеличен кэш инструкций до 64 кб, что вдвое больше чем в P-ядрах. Кэш второго уровня остался без изменений. Это все те-же 2 Мб разделяемые на кластер из четырех ядер.
Также в ядрах появились 256-разрядные регистры и поддержка команд AVX2. Но с другой стороны, так как энергоеффективные ядра не поддерживают AVX-512, процессоры Alder Lake полностью утратили поддержку этих инструкций, несмотря на то, что их предшественники одиннадцатого поколения инструкции AVX-512 выполняли. Но отключив в БИОС-е энергоеффективные ядра – можно вернуть поддержку AVX-512, которая аппаратно реализована в P-ядрах.
Так как производительные и энергоэффективные ядра слишком разные, то и работают они на разных частотах. Также кластер из четырех E-ядер и общего кэша L2 занимает на кристалле примерно такое-же место как одно производительное P-ядро, что упрощает компоновку различных вариантов итогового процессора.
Кроме новых вычислительных ядер в процессорах Alder Lake поменялись также внешние интерфейсы. Так контроллер памяти поддерживает теперь работу с памятью DDR5. Но в качестве совместимости оставлена поддержка и привычной DDR4. И естественно, что процессор может работать только с одним типом памяти – это будет определятся материнской платой, на которую он будет установлен.
Контроллер PCI-Express также поддерживает 20 линий, но 16 из них, предназначенные для подключения видеоадаптера, теперь работают по новой версии этого протокола – PCI-Express 5. Оставшиеся четыре линии все также обеспечивают четвертую версию PCI-Express, чего с запасом достаточно для твердотельных nvme накопителей.
Встроенная графика также была в очередной раз обновлена, но производительные версии графического ускорителя будут предлагаться только в мобильных процессорах, а настольные будут, как обычно, довольствоваться базовым графическим адаптером, оснащенным 32 исполнительными устройствами.
Ну и вишенкой на торте всего этого великолепия будет новый техпроцесс. Наконец-то Intel прощается с 14 нм. Новый техпроцесс, несмотря на то, что фактически является усовершенствованным 10 нм, фирма Intel называет как – Intel 7. Где 7 – уже не указывает однозначно на производственные нормы. Применить такой маркетинг в Intel решились не на пустом месте. Дело в том, что усовершенствованный 10 нм. техпроцесс в реализации Intel обеспечивает большую плотность размещения транзисторов на кристалле, чем честные 7 нм. техпроцессы других производителей чипов.
После описания всех отличий нового процессора понятным становится и то, что он просто физически не сможет использовать прежний конструктив. Теперь процессор использует новую платформу Socket 1700 или LGA1700. Также сам корпус процессора выглядит не квадратом, а прямоугольником. Также были предприняты шаги для улучшения отвода тепла от кристалла – как и в Comet Lake была еще больше уменьшена толщина кремниевой пластины, уменьшена толщина термоинтерфейса (теперь это снова жидкий припой) и увеличена толщина теплораспределительной пластины. Все эти шаги позволили упросить отвод тепла от процессорного кристалла, и несмотря на высокую тепловую мощность, при наличии высокопроизводительной системы охлаждения процессоры Alder Lake стали ощутимо холоднее своих предшественников.
Максимально производительные процессоры, уже привычно принадлежат к семейству Core i9. Эти процессоры содержат 8 производительных P-ядер и два кластера по 4 энергоеффективных E-ядер. Но несмотря на общее количество в 16 ядер, так как E-ядра лишены поддержки технологии Hyper-Threading, процессоры Core i9 двенадцатого поколения выполняют 24 потока – 16 виртуальных потоков посредством P-ядер, и 8 потоков E-ядер.
Как и полагается старшему семейству, в 12-м поколении представлена одна модель процессора Core i9-12900 в различных вариациях. Первыми, в ноябре 2021-го года, были выпущены топовые модели с индексами K и KF. Первая, привычно обладала разблокированным множителем, а вторая, кроме свободного множителя была лишена встроенного видеоядра. P-ядра этих процессоров работают на базовой частоте в 3,2 ГГц, с возможностью ее повышения до 5,2 ГГц. E-ядра работают на частотах 2,4-3,9 ГГц. Процессоры оснащены 30 Мб кэш памяти третьего уровня.
Немного позже, в январе 2022-го года, была выпущена еще одна пара процессоров Core i9-12900, на этот раз без разблокированного множителя, один из которых был лишен видеоядра. Также были немного снижены частоты. Так производительные ядра работали на частотах 2,4-5,1 ГГц, а энергоеффективные – 1,8-3,8 ГГц. Также был снижен тепловой пакет с 125 до 65 Вт. Но этот показатель уже ни о чем не говорит.
В апреле 2022-го года была выпущена топовая модель Core i9-12900KS оснащенная технологией Thermal Velocity Boost, что позволило увеличить максимальную частоту P-ядер до 5,5 ГГц, а E-ядер до 4,0 ГГц. Также увеличился тепловой пакет до 150 Вт, а максимально возможное энергопотребление процессора заявлено на уровне 241 Вт!
На ступеньку ниже привычно расположилось семейство Core i7. В двенадцатом поколении эти процессоры отличаются от старшего брата Core i9 только одним кластером из энергоеффективных ядер, и немного меньшими частотами. Так общее количество ядер в процессоре – 12 (8 P-ядер и 4 E-ядра), которые выполняют 20 потоков. Вместе с уменьшением количества ядер до 25 Мб уменьшился объем кэша третьего уровня.
Первыми, в ноябре 2021-го года, был представлен старший процессор Core i7-12700K с разблокированным множителем в двух версиях – с встроенным видеоядром и без него. P-ядра этого процессора работают на частотах 3,6-5,0 ГГц, а E-ядра – 2,8-3,8 ГГц. Позже, в январе 2022-го года был выпущен обычный Core i7 работающий на частотах 2,1-4,9 ГГц и 1,6-3,6 ГГц для P и E ядер соответственно. Ну и привычным образом у обычной версии был снижен тепловой пакет с 125 Вт до 65 Вт.
Средний сегмент рынка представляют процессоры Core i5. Как и раньше, семейство Core i5 более разнообразно чем старшие семейства Core i7 и Core i9. Первой, вместе с старшими братьями, в ноябре 2021-го года, была выпущена старшая модель семейства Core i5-12600K. Эти процессоры подверглись еще большему урезанию относительно Core i7 – тут под нож попали два производительных ядра. Осталось шесть P-ядер и один кластер из четырех E-ядер, что дает в сумме 10 ядер и 16 потоков. Также был еще немного уменьшен объем кэша третьего уровня до 20 Мб. Частоты на которых работают ядра были снижены до 3,7-4,9 ГГц для P-ядер и 2,8-3,6 ГГц для E-ядер. Важно то, что благодаря прогрессивной архитектуре, новый Core i5 двенадцатого поколения показывает более высокую производительность в сравнении с Core i7 десятого, а иногда и одиннадцатого поколений!
Но не все Core i5 были такими. Остальные модели этого семейства, выпущенные в январе 2022-го года, были лишены E-ядер, соответственно с архитектурной точки зрения они повторяли своих предшественников одиннадцатого поколения – 6 ядер и 12 потоков. Также был немного уменьшен размер кэша третьего уровня до 18 Мб. Урезание четырех энергоеффективных ядер не могло не сказаться на производительности этих процессоров – теперь они не могут конкурировать с честными восьмиядерниками прошлых поколений. Но это компенсируется их более низкой ценой.
Были выпущены три модели Core i5 работающими на частотах от 2,5-4,4 ГГц до 3,3-4,8 ГГц.
На ступеньку ниже, привычным образом расположилось семейство процессоров Core i3. Если даже младшие Core i5 не получили гибридную архитектуру, то ее отсутствие в процессорах семейства Core i3 выглядит вполне естественным. Поэтому по своим характеристикам процессоры Core i3 двенадцатого поколения повторяют своих предшественников – четыре ядра и восемь потоков. Только теперь это были мощные ядра Golden Cove, плюс размер кэша третьего уровня был увеличен до 12 Мб. Благодаря всему этому новые Core i3 показывают превосходство над своими предшественниками на 35-45%, что совсем не плохо, учитывая, что ценовая политика компании Intel не изменилась, и цена процессоров семейства Core i3 стартует с суммы немного большей 100 долларов (за младшую модель без видеоускорителя). Всего в семействе Core i3, в январе 2022-го года, были представлены две модели. Младшая работает на частотах 3,3-4,3 ГГц, а старшая 3,5-4,4 ГГц.
Самый бюджетный сегмент рынка представляют процессоры Pentium Gold и Celeron. В январе 2022-го года были представлены по одной модели в каждом семействе. И, как и полагается – это были простейшие процессоры состоящими из двух ядер Golden Cove и не обремененные поддержкой различных технологий. Так Pentium поддерживает технологию Hyper-Threading и с помощью двух ядер может выполнять четыре потока, а Celeron лишен и этой технологии и строго двухпоточный. Технологию Turbo Boost бюджетные процессоры также не поддерживают, поэтому работают на фиксированных частотах -3,7 ГГц у Pentium, и 3,4 ГГц у Celeron. Также различался и размер кэша третьего уровня – 6 Мб у Pentium и 4 Мб у Celeron. Ничего большего для самых бюджетных процессоров не положено. Но несмотря на это, новые бюджетные процессоры быстрее в среднем на 30% чем их предшественники, что тоже неплохо само по себе.
Итоги
Похоже на то, что после многих лет застоя, и как следствие потери лидирующих позиций в отрасли, в Intel всерьез взялись за то, чтобы наверстать упущенное. И у них это получилось. Если процессоры Rocket Lake смогли догнать конкурентов от AMD, то Alder Lake кроме безоговорочной победы предлагает новаторскую идею гибридного процессора где высокопроизводительные ядра соседствуют с эноргоеффективными. Насколько такая концепция приживется в мире x86 покажет время, но в ARM процессорах она уже давно привычна и доказала свою эффективность. Поэтому, думаю что в мобильных процессорах эта идея 100% будет востребована, а в десктопных – E-ядра дают ощутимую прибавку в 15-20% производительности.
В дальнейшем Intel планирует развивать идею гибридного процессора – в тринадцатом поколении Intel Core, известном как Raptor Lake, кроме обновления архитектуры производительных ядер, будет в два раза увеличено количество E-ядер. А в будущих процессорах планируется и дальше наращивать количество именно энергоеффективных ядер, вместе с обновлением их архитектуры. Кто знает, может через несколько лет процессоры пойдут по пути видеоускорителей – отказавшись от сложных и производительных ядер в угоду сотне-другой энергоеффективных узкоспециализированных ядер, управлять которыми будет программно-аппаратный планировщик…
Комментариев нет:
Отправить комментарий