Линейка процессоров intel core 4 го поколения. Архитектуры процессора intel за все время

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

Спустя месяц после анонса процессоров Core восьмого поколения для ноутбуков корпорация Intel официально представила новую формацию чипов и для настольных компьютеров, известную под кодовым названием Coffee Lake. Они производятся по усовершенствованному 14-нм техпроцессу и, как и в случае с мобильными Kaby Lake Refresh, содержат большее по сравнению с предшественниками количество вычислительных ядер. Если не принимать во внимание решения класса HEDT, то это первое увеличение числа ядер в «десктопных» CPU Intel с 2006 года, когда был выпущен Core 2 Extreme QX6700.

В Core i7 и i5 ядер насчитывается шесть, в Core i3 — четыре. При этом в моделях серии i7 реализована технология HyperThreading, благодаря которой они исполняют 12 потоков одновременно. Все шесть новинок, перечень которых представлен на слайде ниже, оснащаются интегрированным GPU Intel HD Graphics 630 и могут работать с накопителями Intel Optane. Заявлена также поддержка DDR4-2666, исключение составляют лишь Core i3, совместимые с DDR4-2400.

Номинальная тактовая частота самого мощного представителя семейства — Core i7-8700K — составляет 3,7 ГГц, что на 500 МГц меньше, чем у прошлогоднего Core i7-7700K. В то же время под нагрузкой чип развивает на 200 МГц больше — 4,7 ГГц. Разница между «паспортной» частотой и турбо-режимом достигает почти 27 %, но динамический разгон Turbo Boost Max 3.0 здесь не используется, речь идёт лишь об обычном Turbo Boost 2.0. Очевидно, к новой частотной формуле Intel прибегла с целью добиться повышения производительности без серьёзного роста требований к теплоотводу: TDP Core i7-8700K равен 95 Вт, что лишь на 4 Вт больше данного показателя i7-7700K.

Говоря о быстродействии новых процессоров, разработчики обещают прирост кадровой частоты в современных играх на 25 %, на 65 % большую скорость в таких приложениях для создания контента, как Adobe Photoshop, и на 32 % более быструю обработку 4K-видео. Вместе с вычислительной мощностью выросли и цены: к примеру, стоимость i7-8700K в партиях от 1000 штук составляет $359, что на 18 % дороже модели 7700K. В розничную продажу новинки поступят 5 октября текущего года, поставки производителям компьютеров начнутся в четвёртом квартале.

Одновременно с CPU Coffee Lake компания Intel анонсировала поддерживающий их набор системной логики Z370. В пресс-релизе сообщается, что материнские платы на базе чипсета соответствуют повышенным требованиям к электропитанию шестиядерных процессоров Core восьмого поколения и позволяют устанавливать оперативную память стандарта DDR4-2666. Первые решения на базе Z370 также будут анонсированы 5 октября, но некоторые из них уже успели в сети до срока.

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.

Маркировка, позиционирование, сценарии использования

Этим летом Intel выпустила на рынок новое, четвертое поколение архитектуры Intel Core, имеющее кодовое наименование Haswell (маркировка процессоров начинается с цифры «4» и выглядит как 4xxx). Основным направлением развития процессоров Intel сейчас видит повышение энергоэффективности. Поэтому последние поколения Intel Core демонстрируют не такой уж сильный рост производительности, зато их общее потребление энергии постоянно снижается - за счет и архитектуры, и техпроцесса, и эффективного управления потреблением компонентов. Единственным исключением является интегрированная графика, производительность которой заметно растет из поколения в поколение, пусть и за счет ухудшения потребления энергии.

Эта стратегия прогнозируемо выводит на первый план те устройства, в которых энергоэффективность важна - ноутбуки и ультрабуки, а также только зарождающийся (ибо в прежнем виде его можно было отнести исключительно к нежити) класс планшетов под Windows, основную роль в развитии которого должны сыграть новые процессоры с уменьшенным потреблением энергии.

Напоминаем, что недавно у нас вышли краткие обзоры архитектуры Haswell, которые вполне применимы и к настольным, и к мобильным решениям:

Кроме того, производительность четырехъядерных процессоров Core i7 была исследована в статье со сравнением десктопных и мобильных процессоров . Также отдельно была исследована производительность Core i7-4500U . Наконец, можно ознакомиться с обзорами ноутбуков на Haswell, включающими тестирование производительности: MSI GX70 на самом мощном процессоре Core i7-4930MX, HP Envy 17-j005er .

В этом материале речь пойдет о мобильной линейке Haswell в целом. В первой части мы рассмотрим разделение мобильных процессоров Haswell на серии и линейки, принципы создания индексов для мобильных процессоров, их позиционирование и примерный уровень производительности разных серий внутри всей линейки. Во второй части - более подробно рассмотрим спецификации каждой серии и линейки и их основные особенности, а также перейдем к выводам.

Для тех, кто не знаком с алгоритмом работы Intel Turbo Boost, в конце статьи мы разместили краткое описание этой технологии. Рекомендуем с ним перед чтением остального материала.

Новые буквенные индексы

Традиционно все процессоры Intel Core делятся на три линейки:

• Intel Core i3
• Intel Core i5
• Intel Core i7

Официальная позиция Intel (которую представители компании обычно озвучивают, отвечая на вопрос, почему среди Core i7 бывают как двухъядерные, так и четырехъядерные модели) состоит в том, что процессор относят к той или иной линейке исходя из общего уровня его производительности. Однако в большинстве случаев между процессорами разных линеек есть и архитектурные различия.

Но уже в Sandy Bridge появилось, а в Ivy Bridge стало полноценным еще одно деление процессоров - на мобильные и ультрамобильные решения, в зависимости от уровня энергоэффективности. Причем на сегодня именно эта классификация является базовой: и в мобильной, и в ультрамобильной линейке есть свои Core i3/i5/i7 с весьма различающимся уровнем производительности. В Haswell, с одной стороны, разделение углубилось, а с другой - линейку попытались сделать более стройной, не так вводящей в заблуждение дублированием индексов. Кроме того, окончательно оформился еще один класс - сверхультрамобильные процессоры с индексом Y. Ультрамобильные и мобильные решения по-прежнему маркируются буквами U и M.

Итак, чтобы не путаться, сначала разберем, какие буквенные индексы используются в современной линейке мобильных процессоров Intel Core четвертого поколения:

• M - мобильный процессор (TDP 37-57 Вт);
• U - ультрамобильный процессор (TDP 15-28 Вт);
• Y - процессор с экстремально низким потреблением (TDP 11,5 Вт);
• Q - четырехъядерный процессор;
• X - экстремальный процессор (топовое решение);
• H - процессор под упаковку BGA1364.

Раз уж упомянули TDP (теплопакет), то остановимся на нем чуть подробнее. Следует учитывать, что TDP в современных процессорах Intel не «максимальный», а «номинальный», то есть рассчитывается исходя из нагрузки в реальных задачах при функционировании на штатной частоте, а при включении Turbo Boost и увеличении частоты тепловыделение выходит за рамки заявленного номинального теплопакета - для этого есть отдельный TDP. Также определен TDP при функционировании на минимальной частоте. Таким образом, существует целых три TDP. В данной статье в таблицах используется номинальное значение TDP.

• Стандартным номинальным TDP для мобильных четырехъядерных процессоров Core i7 является 47 Вт, для двухъядерных - 37 Вт;
• Литера Х в названии поднимает тепловой пакет с 47 до 57 Вт (сейчас на рынке только один такой процессор - 4930MX);
• Стандартный TDP для ультрамобильных процессоров U-серии - 15 Вт;
• Стандартный TDP для процессоров Y-серии - 11,5 Вт;

Цифровые индексы

Индексы процессоров Intel Core четвертого поколения с архитектурой Haswell начинаются с цифры 4, что как раз и говорит о принадлежности к этому поколению (у Ivy Bridge индексы начинались с 3, у Sandy Bridge - с 2). Вторая цифра обозначает принадлежность к линейке процессоров: 0 и 1 - i3, 2 и 3 - i5, 5–9 - i7.

Теперь разберем последние цифры в названии процессоров.

Цифра 8 в конце означает, что эта модель процессора имеет повышенный TDP (с 15 до 28 Вт) и существенно более высокую номинальную частоту. Еще одной отличительной чертой этих процессоров является графика Iris 5100. Они ориентированы на профессиональные мобильные системы, от которых требуется стабильная высокая производительность в любых условиях для постоянной работы с ресурсоемкими задачами. Разгон с помощью Turbo Boost у них тоже есть, но за счет сильно поднятой номинальной частоты разница между номиналом и максимумом не слишком велика.

Цифра 2 в конце названия говорит о сниженном с 47 до 37 Вт TDP у процессора из линейки i7. Но за снижение TDP приходится платить более низкими частотами - минус 200 МГц к базовой и разгонной частотам.

Если вторая с конца цифра в названии - 5, то процессор имеет графическое ядро GT3 - HD 5ххх. Таким образом, если в названии процессора последние две цифры - 50, то в него установлено графическое ядро GT3 HD 5000, если 58 - то Iris 5100, а если 50H - то Iris Pro 5200, потому что Iris Pro 5200 есть только у процессоров в исполнении BGA1364.

Для примера разберем процессор с индексом 4950HQ. Наименование процессора содержит H - значит, упаковка BGA1364; содержит 5 - значит, графическое ядро GT3 HD 5xxx; сочетание 50 и Н дает Iris Pro 5200; Q - четырехъядерный. А поскольку четырехъядерные процессоры есть только в линейке Core i7, то это мобильная серия Core i7. Что подтверждает и вторая цифра названия - 9. Получаем: 4950HQ - это мобильный четырехъядерный восьмипоточный процессор линейки Core i7 с TDP 47 Вт с графикой GT3e Iris Pro 5200 в исполнении BGA.

Теперь, когда мы разобрались с наименованиями, можно поговорить о разделении процессоров на линейки и серии, или, проще говоря, о сегментах рынка.

Серии и линейки Intel Core 4-го поколения

Итак, все современные мобильные процессоры Intel делятся на три больших группы в зависимости от энергопотребления: мобильные (M), ультрамобильные (U) и «сверхультрамобильные» (Y), а также на три линейки (Core i3, i5, i7) в зависимости от производительности. В результате мы можем составить матрицу, которая позволит пользователю подобрать процессор, лучше всего подходящий под его задачи. Попробуем свести все данные в единую таблицу.

Для примера: покупателю необходим ноутбук с высокой производительностью процессора и умеренной стоимостью. Раз ноутбук, да еще и производительный, то необходим процессор серии М, а требование умеренной стоимости заставляет остановиться на линейке Core i5. Еще раз подчеркиваем, что в первую очередь следует обращать внимание не на линейку (Core i3, i5, i7), а на серию, потому что в каждой серии могут быть свои Core i5, но уровень производительности у Core i5 из двух разных серий будет существенно отличаться. Например, Y-серия очень экономична, но имеет низкие частоты работы, и процессор Core i5 Y-серии будет менее производительным, чем процессор Core i3 U-серии. А мобильный процессор Core i5 вполне может быть производительнее ультрамобильного Core i7.

Примерный уровень производительности в зависимости от линейки

Давайте попробуем пойти на шаг дальше и составить теоретический рейтинг, который наглядно демонстрировал бы разницу между процессорами разных линеек. За 100 баллов мы возьмем самый слабый представленный процессор - двухъядерный четырехпоточный i3-4010Y с тактовой частотой 1300 МГц и объемом кэша L3 3 МБ. Для сравнения берется самый высокочастотный процессор (на момент написания статьи) из каждой линейки. Основной рейтинг мы решили считать по разгонной частоте (для тех процессоров, у которых есть Turbo Boost), в скобках - рейтинг для номинальной частоты. Таким образом, двухъядерный четырехпоточный процессор с максимальной частотой 2600 МГц получит 200 условных баллов. Увеличение кэша третьего уровня с 3 до 4 МБ принесет ему 2-5% (данные получены на основе реальных тестов и исследований) прироста условных баллов, а увеличение количества ядер с 2 до 4 соответственно удвоит количество баллов, что тоже достижимо в реальности при хорошей многопоточной оптимизации.

Еще раз настоятельно обращаем внимание, что рейтинг является теоретическим и основан по большей части на технических параметрах процессоров. В реальности сочетается большое количество факторов, поэтому выигрыш в производительности относительно самой слабой модели линейки практически наверняка не будет таким большим, как в теории. Таким образом, не стоит прямо переносить полученное соотношение на реальную жизнь - сделать окончательные выводы можно лишь по результатам тестирования в реальных приложениях. Тем не менее, эта оценка позволяет примерно оценить место процессора в линейке и его позиционирование.

Итак, некоторые предварительные замечания:

• Процессоры Core i7 U-серии будут примерно на 10% опережать Core i5 благодаря чуть большей тактовой частоте и большему объему кэша третьего уровня.
• Разница между процессорами Core i5 и Core i3 U-серии c TDP 28 Вт без учета Turbo Boost составляет около 30%, т. е. в идеале производительность тоже будет различаться на 30%. Если учитывать возможности Turbo Boost, то разница по частотам составит порядка 55%. Если же проводить сравнение процессоров Core i5 и Core i3 U-серии с TDP 15 Вт, то при устойчивой работе на максимальной частоте Core i5 будет иметь частоту на 60% выше. Однако номинальная частота у него чуть ниже, т. е. при работе на номинальной частоте он может даже чуть уступать Core i3.
• В М-серии большую роль играет наличие у Core i7 4 ядер и 8 потоков, однако тут надо помнить, что это преимущество проявляется только в оптимизированном ПО (как правило, профессиональном). У процессоров Core i7 с двумя ядрами производительность будет чуть выше за счет более высоких разгонных частот и немного большего объема кэша L3.
• В серии Y процессор Core i5 имеет базовую частоту на 7,7% и разгонную на 50% выше, чем Core i3. Но и в этом случае есть дополнительные соображения - та же энергоэффективность, шумность работы системы охлаждения и т. д.
• Если же сравнивать между собой процессоры серий U и Y, то только частотный разрыв между U- и Y-процессорами Core i3 составляет 54%, а у процессоров Core i5 - 63% на максимальной разгонной частоте.

Итак, рассчитаем балл для каждой линейки. Напомним, основной балл считается по максимальным разгонным частотам, балл в скобках - по номинальным (т. е. без разгона по Turbo Boost). Также мы рассчитали коэффициент производительности на Вт.

¹ макс. - при максимальной разгонной, ном. - при номинальной частоте
² коэффициент - условная производительность, поделенная на TDP и умноженная на 100
³ данные о разгонном TDP для этих процессоров неизвестны

По приведенной таблице можно сделать следующие наблюдения:

• Двухъядерные процессоры Core i7 серий U и M лишь немногим быстрее процессоров Core i5 аналогичных серий. Это касается сравнения как для базовой, так и для разгонной частот.
• Процессоры Core i5 серий U и M даже на базовой частоте должны быть заметно быстрее Core i3 аналогичных серий, а в Boost-режиме и вовсе уйдут далеко вперед.
• В серии Y разница между процессорами на минимальных частотах невелика, но с разгоном Turbo Boost Core i5 и Core i7 должны уходить далеко вперед. Другое дело, что величина и, главное, стабильность разгона очень зависят от эффективности охлаждения. А с этим, учитывая ориентацию этих процессоров на планшеты (особенно - безвентиляторные) могут быть проблемы.
• Core i7 серии U практически дотягивается по производительности до Core i5 M-серии. Там есть другие факторы (для него сложнее достичь стабильности из-за менее эффективного охлаждения, да и стоит он дороже), но в целом это неплохой результат.

Что же касается соотношения энергопотребления и рейтинга производительности, то можно сделать следующие выводы:

• Несмотря на увеличение TDP при переходе процессора в Boost-режим, энергоэффективность повышается. Это обусловлено тем, что относительное увеличение частоты больше относительного увеличения TDP;
• Ранжирование процессоров различных серий (M, U, Y) происходит не только по уменьшению TDP, но и по увеличению энергоэффективности - к примеру, процессоры Y-серии показывают бо́льшую энергоэффективность, чем процессоры U-серии;
• Стоит заметить, что с увеличением количества ядер, а следовательно, и потоков, энергоэффективность также повышается. Это можно объяснить тем, что удваиваются лишь сами процессорные ядра, но не сопутствующие контроллеры DMI, PCI Express и ИКП.

Из последнего можно сделать интересный вывод: если приложение хорошо распараллеливается, то четырехъядерный процессор окажется более энергоэффективным, чем двухъядерный: он быстрее закончит вычисления и вернется в режим простоя. Как итог, многоядерность может стать следующим шагом в борьбе за повышение энергоэффективности. В принципе, эту тенденцию можно отметить и в лагере ARM.

Итак, хотя рейтинг сугубо теоретический, и не факт, что он точно отражает реальную расстановку сил, но даже он позволяет сделать определенные выводы касательно распределения процессоров в линейке, их энергоэффективности и соотношения по этим параметрам между собой.

Haswell против Ivy Bridge

Хотя процессоры Haswell уже довольно давно вышли на рынок, присутствие процессоров Ivy Bridge в готовых решениях даже сейчас остается довольно высоким. Особых революций при переходе к Haswell, с точки зрения потребителя, не произошло (хотя рост энергоэффективности для некоторых сегментов выглядит внушительно), что порождает вопросы: а стоит ли обязательно выбирать четвертое поколение или можно обойтись третьим?

Сравнивать процессоры Core четвертого поколения с третьим напрямую сложно, потому что производитель поменял границы TDP:

• серия M у Core третьего поколения имеет TDP 35 Вт, а у четвертого - 37 Вт;
• серия U у Core третьего поколения имеет TDP 17 Вт, а у четвертого - 15 Вт;
• серия Y у Core третьего поколения имеет TDP 13 Вт, а у четвертого - 11,5 Вт.

И если для ультрамобильных линеек TDP понизился, то для более производительной серии М он даже вырос. Тем не менее, попробуем провести примерное сравнение:

• Топовый четырехъядерный процессор Core i7 третьего поколения имел частоты 3(3,9) ГГц, у четвертого поколения - те же 3(3,9) ГГц, то есть разница в производительности может быть обусловлена только архитектурными улучшениями - не более 10%. Хотя, стоит заметить, при плотном использовании FMA3 четвертое поколение опередит третье на 30-70%.
• Топовые двухъядерные процессоры Core i7 третьего поколения М-серии и U-серии имели частоты 2,9(3,6) ГГц и 2(3,2) ГГц соответственно, а четвертого - 2,9(3,6) ГГц и 2,1(3,3) ГГц. Как видим, частоты если и выросли, то незначительно, так что и уровень производительности может вырасти лишь минимально, за счет оптимизации архитектуры. Опять же, если ПО знает о FMA3 и умеет активно использовать это расширение, то четвертое поколение получит солидное преимущество.
• Топовые двухъядерные процессоры Core i5 третьего поколения М-серии и U-серии имели частоты 2,8(3,5) ГГц и 1,8(2,8) ГГц соответственно, а четвертого - 2,8(3,5) ГГц и 1,9(2,9) ГГц. Ситуация аналогична предыдущей.
• Топовые двухъядерные процессоры Core i3 третьего поколения М-серии и U-серии имели частоты 2,5 ГГц и 1,8 ГГц соответственно, а четвертого - 2,6 ГГц и 2 ГГц. Ситуация снова повторяется.
• Топовые двухъядерные процессоры Core i3, i5 и i7 третьего поколения Y-серии имели частоты 1,4 ГГц, 1,5(2,3) ГГц и 1,5(2,6) ГГц соответственно, а четвертого - 1,3 ГГц, 1,4(1,9) ГГц и 1,7(2,9) ГГц.

В целом, тактовые частоты в новом поколении практически не выросли, так что незначительный выигрыш в производительности получается только за счет оптимизации архитектуры. Заметное преимущество четвертое поколение Core получит при использовании ПО, оптимизированного под FMA3. Ну и не стоит забывать про более быстрое графическое ядро - там оптимизация способна принести существенный прирост.

Что касается относительной разницы в производительности внутри линеек, то по этому показателю поколения Intel Core третьего и четвертого поколений близки.

Таким образом, можно сделать вывод, что в новом поколении Intel решила снизить TDP вместо повышения частот работы. В результате прирост скорости работы ниже, чем мог бы быть, зато удалось добиться повышения энергоэффективности.

Подходящие задачи для разных процессоров Intel Core четвертого поколения

Теперь, когда мы разобрались с производительностью, можно примерно оценить, под какие задачи лучше всего подойдет та или иная линейка Core четвертого поколения. Сведем данные в таблицу.

Из этой таблицы тоже хорошо видно, что в первую очередь стоит обращать внимание на серию процессора (M, U, Y), а уже потом на линейку (Core i3, i5, i7), поскольку линейка определяет соотношение производительности процессоров только внутри серии, а между сериями производительность заметно отличается. Это хорошо видно на сравнении i3 U-серии и i5 Y-серии: первый в данном случае будет производительнее второго.

Итак, какие выводы можно сделать по этой таблице? Процессоры Core i3 любой серии, как мы уже отмечали, интересны прежде всего ценой. Поэтому обращать на них внимание стоит, если вы стеснены в средствах и готовы смириться с проигрышем как по производительности, так и по энергоэффективности.

Мобильный Core i7 стои́т особняком из-за архитектурных отличий: четыре ядра, восемь потоков и заметно больше кэша L3. В результате он способен работать с профессиональными ресурсоемкими приложениями и показывать чрезвычайно высокий для мобильной системы уровень производительности. Но для этого ПО должно быть оптимизировано под использование большого количества ядер - в однопоточном ПО свои достоинства он не раскроет. И второе - эти процессоры требуют громоздкой системы охлаждения, т. е. устанавливаются только в крупные ноутбуки с большой толщиной, да и с автономностью у них не очень.

Core i5 мобильной серии предоставляют хороший уровень производительности, достаточный для выполнения не только домашне-офисных, но и каких-то полупрофессиональных задач. Например, для обработки фото и видео. По всем параметрам (потребление энергии, выделение тепла, автономность) эти процессоры занимают промежуточное положение между Core i7 М-серии и ультрамобильной линейкой. В общем, это сбалансированное решение, подходящее тем, кому производительность важнее, чем тонкий и легкий корпус.

Двухъядерные мобильные Core i7 - это примерно то же самое, что Core i5 М-серии, только немного производительнее и, как правило, заметно дороже.

Ультрамобильные Core i7 имеют примерно тот же уровень производительности, что и мобильные Core i5, но с оговорками: если система охлаждения выдержит длительную работу на повышенной частоте. Да и греются они под нагрузкой изрядно, что часто приводит к сильному нагреву всего корпуса ноутбука. Судя по всему, они достаточно дорогие, поэтому их установка оправдана только для топовых моделей. Зато их можно ставить в тонкие ноутбуки и ультрабуки, обеспечивая высокий уровень производительности при тонком корпусе и хорошей автономности. Это делает их отличным выбором для часто путешествующих профессиональных пользователей, которым важна энергоэффективность и малый вес, но часто требуется высокая производительность.

Ультрамобильные Core i5 показывают меньшую производительность по сравению со «старшим братом» серии, но справляются с любой офисной нагрузкой, при этом обладают хорошей энергоэффективностью и гораздо демократичнее по цене. В общем, это универсальное решение для пользователей, которые не работают в ресурсоемких приложениях, а ограничиваются офисными программами и интернетом, и при этом хотели бы иметь ноутбук/ультрабук, подходящий для путешествий, т. е. легкий, с небольшим весом и долго работающий от батарей.

Наконец, Y-серия тоже стоит особняком. По производительности ее Core i7 при удаче дотянется до ультрамобильного Core i5, но этого от него, по большому счету, никто не ждет. Для серии Y главное - высокая энергоэффективность и малое тепловыделение, позволяющее создать в том числе и безвентиляторные системы. Что же касается производительности, то достаточно минимально допустимого уровня, не вызывающего раздражения.

Кратко о Turbo Boost

На случай, если некоторые наши читатели подзабыли, как работает технология разгона Turbo Boost, предлагаем вам краткое описание ее работы.

Если грубо, то система Turbo Boost может динамически повышать частоту процессора сверх установленной благодаря тому, что постоянно следит, не выходит ли процессор за штатные режимы работы.

Процессор может работать только в определенном диапазоне температур, т. е. его работоспособность зависит от нагрева, а нагрев - от способности системы охлаждения эффективно отводить от него тепло. Но поскольку заранее неизвестно, с какой системой охлаждения будет работать процессор в системе пользователя, для каждой модели процессора указывается два параметра: частота работы и количество тепла, которое необходимо отводить от процессора при максимальной нагрузке на этой частоте. Поскольку эти параметры зависят от эффективности и правильной работы системы охлаждения, а также внешних условий (в первую очередь, температуры окружающей среды), производителю приходилось занижать частоту работы процессора, чтобы даже при самых неблагоприятных условиях работы он не терял стабильность. Технология Turbo Boost отслеживает внутренние параметры процессора и позволяет ему, если внешние условия благоприятны, работать на более высокой частоте.

Первоначально Intel объясняла, что технология Turbo Boost использует «эффект температурной инерции». В большинстве случаев в современных системах процессор находится в состоянии простоя, но время от времени на короткий период от него требуется максимальная отдача. Если в этот момент сильно поднять частоту работы процессора, то он быстрее справится с задачей и раньше вернется в состояние простоя. При этом температура процессора растет не сразу, а постепенно, поэтому при краткосрочной работе на очень высокой частоте процессор не успеет нагреться так, чтобы выйти за безопасные рамки.

В реальности довольно быстро выяснилось, что с хорошей системой охлаждения процессор способен работать под нагрузкой даже на повышенной частоте неограниченно долго. Таким образом, долгое время максимальная частота разгона была абсолютно рабочей, а к номинальной процессор возвращался лишь в экстремальных случаях или если производитель делал некачественную систему охлаждения для конкретного ноутбука.

Для того чтобы не допустить перегрева и выхода из строя процессора, система Turbo Boost в современной реализации постоянно отслеживает следующие параметры его работы:

• температура чипа;
• потребляемый ток;
• потребляемая мощность;
• число загруженных компонентов.

Современные системы на Ivy Bridge способны работать на повышенной частоте практически во всех режимах, кроме одновременной серьезной нагрузки на центральный процессор и графику. Что касается Intel Haswell, то пока у нас нет достаточной статистики по поведению этой платформы под разгоном.

Прим. автора: Стоит заметить, что температура чипа косвенно влияет и на потребляемую мощность - данное влияние становится явным при ближайшем рассмотрении физического устройства самого кристалла, поскольку электрическое сопротивление полупроводниковых материалов увеличивается с ростом температуры, а это в свою очередь ведет к увеличению потребления электроэнергии. Таким образом, процессор при температуре 90 градусов будет потреблять больше электроэнергии, чем при температуре 40 градусов. А поскольку процессор «подогревает» и текстолит материнской платы с дорожками, и окружающие компоненты, то и их потери электроэнергии на преодоление более высокого сопротивления также сказываются на энергопотреблении. Данное заключение легко подтверждается разгоном как «на воздухе», так и экстремальным. Всем оверклокерам известно, что более производительный кулер позволяет получить дополнительные мегагерцы, а уж эффект сверхпроводимости проводников при температуре близкой к абсолютному нулю, когда электрическое сопротивление стремится к нулю, знаком всем еще со школьной физики. Именно поэтому при разгоне с охлаждением жидким азотом и получается достигать таких высоких частот. Возвращаясь к зависимости электрического сопротивления от температуры, можно также сказать, что в какой-то мере процессор еще и сам себя подогревает: при повышении температуры, когда система охлаждения не справляется, повышается и электрическое сопротивление, что в свою очередь увеличивает потребляемую мощность. А это ведет к увеличению тепловыделения, что приводит к повышению температуры... Кроме того, не стоит забывать, что высокие температуры сокращают срок жизни процессора. Хотя производители и заявляют достаточно высокие максимальные температуры для чипов, стоит всё же по возможности удерживать температуру невысокой.

Кстати, вполне вероятно, что «крутить» вентилятор на более высоких оборотах, когда за счет него увеличится потребление электроэнергии системы, выгоднее по энергопотреблению, чем иметь процессор с высокой температурой, которая повлечет за собой потери электроэнергии на возросшем сопротивлении.

Как видите, температура может и не являться прямым ограничивающим фактором для Turbo Boost, то есть процессор будет иметь вполне приемлемую температуру и не уходить в троттлинг, но косвенно она влияет на другой ограничивающий фактор - потребляемую мощность. Поэтому про температуру забывать не стоит.

Подводя итог, технология Turbo Boost позволяет, при благоприятных внешних условиях работы, повышать частоту процессора сверх гарантированного номинала и тем обеспечивать гораздо более высокий уровень производительности. Это свойство особенно ценно в мобильных системах, где оно позволяет добиться хорошего баланса между производительностью и нагревом.

Но следует помнить, что обратной стороной медали является невозможность оценить (спрогнозировать) чистую производительность процессора, т. к. она будет зависеть от внешних факторов. Вероятно, это одна из причин появления процессоров с «8» на конце названия модели - с «задранными» номинальными частотами работы и выросшим из-за этого TDP. Они предназначены для тех продуктов, для которых стабильная высокая производительность под нагрузкой важнее энергоэффективности.

Во второй части статьи приведено подробное описание всех современных серий и линеек процессоров Intel Haswell, включая технические характеристики всех имеющихся процессоров. А также сделаны выводы о применимости тех или иных моделей.