Презентація процесорів Intel Sandy Bridge: модельний ряд і архітектурні особливості

У ці дні компанія Intel представляє світу довгоочікувані процесори Sandy Bridge, архітектура яких заздалегідь була сприйнята як революційна. Але не тільки процесори стали новинками цих днів, а і всі супутні компоненти нової настільної і мобільної платформи.

Отже, на цьому тижні анонсоване аж 29 нових процесорів, 10 чіпсетів і 4 бездротових адаптера для ноутбуків і настільних робочих і ігрових комп'ютерів.

До мобільних новинок належать:

• процесори Intel Core i7-2920XM, Core i7-2820QM, Core i7-2720QM, Core i7-2630QM, Core i7-2620M, Core i7-2649M, Core i7-2629M, Core i7-2657M, Core i7-2617M, Core i5-2540M, Core i5-2520M, Core i5-2410M, Core i5-2537M, Core i3-2310M;
• чіпсети Intel QS67, QM67, HM67, HM65, UM67 Express;
• бездротові мережні контролери Intel Centrino Advanced-N + WiMAX 6150, Centrino Advanced-N 6230, Centrino Advanced-N 6205, Centrino Wireless-N 1030.

У настільному ж сегменті з'являться:

• процесори Intel Core i7-2600K, Core i7-2600S, Core i7-2600, Core i5-2500K, Core i5-2500S, Core i5-2500T, Core i5-2500, Core i5-2400, Core i5-2400S, Core i5-2390T, Core i5-2300;
• чіпсети Intel P67, H67, Q67, Q65, B65 Express.

Але одразу ж варто відзначити, що анонс нової платформи не є одночастинним для всіх моделей процесорів і чіпсетів – з початку січня доступні тільки рішення класу «майнстрим», а більшість більш масових і не таких дорогих з'являться в продажі трохи пізніше. Разом з випуском настільних процесорів Sandy Bridge представлений і новий процесорний роз’єм для них LGA 1155. Таким чином, новинки не доповнюють модельний ряд Intel Core i3/i5/i7, а є заміною для процесорів під LGA 1156, більшість з яких тепер стають зовсім безперспективним придбанням, тому що найближчим часом їх випуск взагалі повинен припинитися. І тільки для ентузіастів до кінця року Intel обіцяє продовжувати випуск старших чотирьохядерних моделей на ядрі Lynnfield.

Однак, судячи з «роадмапу» платформа Socket T (LGA 775) все ще буде залишатися актуальною як мінімум до середини року, являючись основою для систем початкового рівня. Для найбільш ж продуктивних ігрових систем і справжніх ентузіастів до кінця року будуть актуальні процесори на ядрі Bloomfield під роз’єм LGA 1366. Як бачимо, життєвий цикл двоядерних процесорів з «інтегрованим» графічним адаптером на ядрі Clarkdale виявився дуже коротким, всього один рік, але саме вони «проклали» доріжку для представлених «сьогодні» Sandy Bridge, привчивши споживача до думки, що в процесорі може бути інтегрований не тільки контролер пам'яті, а і відеокарта. Тепер же прийшов час не просто випустити більш швидші версії подібних процесорів, серйозно оновити архітектуру, щоб забезпечити помітне збільшення їх ефективності.

Ключовими особливостями процесорів архітектури Sandy Bridge є:

• випуск з дотриманням 32 нм техпроцесу;
• збільшена енергоефективність;
• оптимізована технологія Intel Turbo Boost і підтримка Intel Hyper-Threading;
• значне збільшення продуктивності вбудованого графічного ядра;
• реалізація нового набору інструкцій Intel Advanced Vector Extension (AVX) для прискорення обробки речовинних чисел.

Але всі вищевказані нововведення не забезпечували б можливості казати про дійсно нову архітектуру, якби все це не було реалізовано тепер у межах одного ядра (кристалу), на відміну від процесорів на ядрі Clarkdale.

Звісно, щоб всі вузли процесора запрацювали узгоджено, потрібно було організувати швидкий обмін інформацією між ними – важливим архітектурним нововведенням стала кільцева шина Ring Interconnect.

Поєднує ж Ring Interconnect через кеш-пам'ять L3, що тепер називається LLC (Last Level Cache), процесорні ядра, графічне ядро і системний агент (System Agent) контролер пам'яті, що включає в себе контролер шини PCI Express, контролер DMI, модуль керування живленням і інші контролери та модулі, що раніше мали об'єднану назву «uncore».

Кільцева шина Ring Interconnect є наступним етапом розвитку шини QPI (Quickpath Interconnect), яка після «обкатування» у серверних процесорах з оновленою 8-ядерною архітектурою Nehalem-EX, перекочувала і у ядро процесорів для настільних і мобільних систем. За допомогою Ring Interconnect утворюються чотири 32-розрядних кільця для шин Даних (Data Ring), Запитів (Request Ring), Моніторингу стану (Snoop Ring) і Підтвердження (Acknowledge Ring). Функціонує кільцева шина на частоті ядер, тому її пропускна здатність, затримки і енергоспоживання повністю залежать від частоти роботи обчислювальних блоків процесора.

Кеш-пам'ять третього рівня (LLC - Last Level Cache) є загальною для всіх обчислювальних ядер, графічного ядра, системного агента і інших блоків. При цьому графічний драйвер визначає які потоки даних розмістити в кеш-пам'яті, але і будь-який інший блок може одержати доступ до всіх даних в LLC. Спеціальний механізм контролює розподіл кеш-пам'яті, щоб не виникло колізій. З метою прискорення роботи для кожного з процесорних ядер виділений «свій» сегмент кеш-пам'яті, до якого воно має прямий доступ. Кожний такий сегмент включає незалежний контролер доступу до шини Ring Interconnect, але при цьому ведеться постійна взаємодія з системним агентом, який проводить загальне керування кеш-пам'яттю.

Системний агент (System Agent), по суті, є вбудованим у процесор «північним мостом» і поєднує контролери шин PCI Express, DMI, оперативної пам'яті, блок обробки відео (медіапроцесор і керування інтерфейсами), диспетчер живлення і інші допоміжні блоки. З іншими вузлами процесора системний агент взаємодіє через кільцеву шину. Крім упорядкування потоків даних, системний агент стежить за температурою і завантаженням різних блоків, і через Power Control Unit забезпечує керування напругою живлення і частотами, щоб забезпечити найкращу енергоефективність при високій продуктивності. Тут же можна відзначити, що для живлення нових процесорів потрібен трикомпонентний стабілізатор живлення (або двох, якщо вбудоване відеоядро залишиться неактивним) – окремо для обчислювальних ядер, системного агента і інтегрованої відеокарти.

Вбудована в процесор шина PCI Express відповідає специфікації 2.0 і нараховує 16 ліній для можливості збільшення потужності графічної підсистеми за допомогою потужного зовнішнього 3D-прискорювача. У випадку використання старших наборів системної логіки і узгодження ліцензійних питань ці 16 ліній можуть бути розділені на 2 або три слоти в режимах 8x+8x або 8x+4x+4x відповідно для NVIDIA SLI і/або AMD CrossFireX.

Для обміну даними з системою (накопичувачами, портами введення-виводу, периферією, контролери яких знаходяться у чіпсеті) використовується шина DMI 2.0, що дозволяє прокачати до 2 ГБ/с корисної інформації в обох напрямках.

Важливою частиною системного агента є вбудований у процесор двоканальний контролер пам'яті DDR3, що номінально підтримує модулі на частоті 1066-1333 МГц, але при використанні в материнських платах на чіпсеті Intel P67 Express без проблем, що забезпечує функціонування модулів на частоті до 1600 і навіть 2133 МГц. Розміщення контролера пам'яті в одному кристалі з процесорними ядрами (ядро Clarkdale складалося з двох кристалів) повинно зменшити латентність пам'яті і, відповідно, збільшити продуктивність системи.

Частково завдяки розширеному моніторингу параметрів усіх обчислювальних ядер, кеш-пам'яті і допоміжних блоків, який реалізований в Power Control Unit, у процесорах Sandy Bridge з'явилася вдосконалена технологія Intel Turbo Boost 2.0. Тепер, залежно від навантаження і виконуваних завдань, ядра процесора при високій необхідності можуть прискорюватися навіть з перевищенням теплового пакета, як при звичайному ручному розгоні. Але системний агент буде стежити за температурою процесора і його компонентів, і коли буде зафіксований «перегрів» частоти вузлів будуть поступово зменшуватися. Однак у настільних процесорах лімітований час роботи у дуже швидкому режимі, тому що тут значно легше організувати в рази більш ефективне охолодження, ніж «боксовий» кулер. Такий «овербуст» дозволить одержати збільшення продуктивності в критичні для системи моменти, що повинно створити у користувача враження роботи з потужною системою, а також зменшити час очікування реакції системи. Також Intel Turbo Boost 2.0 гарантує, що і у настільних комп'ютерах вбудоване відеоядро має динамічну продуктивність.

Архітектура процесорів Sandy Bridge передбачає не тільки зміни в структурі межкомпонентної взаємодії і поліпшення можливостей і енергоефективності цих компонентів, але і внутрішні зміни в кожному обчислювальному ядрі. Якщо відкинути «косметичні» поліпшення, то найбільш важливими виявляться наступні:

• повернення до виділення кеш-пам'яті для приблизно 1,5 тисяч декодованих мікрооперацій L0 (використовувався в Pentium 4), що є відособленою частиною L1, що дозволяє одночасно забезпечити більш рівномірне завантаження конвеєрів і знизити енергоспоживання внаслідок збільшення пауз у роботі досить складних схем декодерів операцій;
• підвищення ефективності блоку пророкування розгалужень внаслідок збільшення ємності буферів адрес результатів розгалуження, історії команд, історії розгалужень, що збільшило ефективність конвеєрів;
• збільшення ємності буфера переупорядкованих команд (ROB - Reorder Buffer) і підвищення ефективності цієї частини процесора завдяки впровадженню фізичного регістрового файлу (PRF – Physical Register File, теж характерної риси Pentium 4) для зберігання даних, а також розширення інших буферів;

• подвоєння ємності регістрів для роботи з потоковими речовинними даними, що в ряді випадків може забезпечити вдвічі більшу швидкість виконання операцій, що їх використовують;
• збільшення ефективності виконання інструкцій шифрування для алгоритмів AES, RSA і SHA;
• введення нових векторних інструкцій Advanced Vector Extension (AVX);
• оптимізацію роботи кеш-пам'яті першого L1 і другого L2 рівнів.

Важливою особливістю графічного ядра процесорів Sandy Bridge є те, що воно тепер знаходиться в одному кристалі з іншими блоками, а керування його характеристиками і спостереження за станом виконує на апаратному рівні системний агент. При цьому блок обробки медіаданих і формування сигналів для відеовиходів винесений у цей самий системний агент. Така інтеграція забезпечує більш тісну взаємодію, менші затримки, більшу ефективність і т.ін.

Однак самій архітектурі графічного ядра не так багато змін, як того хотілося б. Замість очікуваної підтримки DirectХ 11 була просто додана підтримка DirectХ 10.1. Відповідно і не багато додатків з підтримкою OpenGL обмежені апаратною сумісністю тільки з 3-ю версією специфікації цього вільного API. При цьому, хоча і говориться про вдосконалення обчислювальних блоків, але їх залишилося стільки ж – 12, і то тільки для старших процесорів. Однак збільшення тактової частоти до 1350 МГц обіцяє помітний приріст продуктивності в кожному разі.

З іншого боку, створити вбудоване відеоядро з дійсно високою продуктивністю і функціональністю для сучасних ігор при невисокому його енергоспоживанні дуже важко. Тому відсутність підтримки нових API вплине лише на сумісність з новими іграми, а продуктивність при дійсно великому бажанні комфортно відіграти потрібно буде нарощувати за допомогою дискретного 3D-прискорювача. А ось розширення функціональності при роботі з мультимедійними даними, в першу чергу при кодуванні і декодуванні відео в рамках Intel Clear Video Technology HD, можна зарахувати до переваг Intel HD Graphics II (Intel HD Graphics 2000/3000).

Оновлений медіапроцесор дозволяє розвантажити процесорні ядра при кодуванні відео у форматах MPEG2 і H.264, а також розширює набір пост-процесінгових функцій апаратною реалізацією алгоритмів для автоматичного налаштування контрастності зображення (ACE – Adaptive Contrast Enhancement), коректування кольору (TCC – Total Color Control) і поліпшення відображення шкіри (STE – Skin Tone Enhancement). Підвищує перспективність використання вбудованої відеокарти реалізована підтримка інтерфейсу HDMI версії 1.4, сумісної з Blu-ray 3D (Intel Intru 3D).

Всі вище перераховані архітектурні особливості забезпечують новому поколінню процесорів помітну перевагу по швидкодії над моделями попереднього покоління, як в обчислювальних завданнях, так і при роботі з відео.

У підсумку платформа Intel LGA 1155 стає більш продуктивною і функціональною, приходячи на зміну LGA 1156.

Якщо підсумувати, то процесори сімейства Sandy Bridge спроектовані для рішення дуже широкого кола завдань при високій енергоефективності, що повинно їх зробити дійсно масовими в нових продуктивних системах, особливо коли в продажі з'являться більш доступні моделі в різноманітному асортименті. 

Найближчим часом поступово покупцям стануть доступні 8 процесорів для настільних систем різного рівня: Intel Core i7-2600K, Intel Core i7-2600, Intel Core i5-2500K, Intel Core i5-2500, Intel Core i5-2400, Intel Core i5-2300, Intel Core i3-2120 і Intel Core i3-2100. Моделі з індексом K відрізняються вільним множником і більш швидким вбудованим відеоадаптером Intel HD Graphics 3000.

Також для критичних до енергоспоживання систем випущені енергоефективніші (індекс S) і високоенергоефективні (індекс T) моделі.

Для підтримки нових процесорів вже сьогодні доступні материнські плати на чіпсетах Intel P67 Express і Intel H67 Express, в а недалекому майбутньому очікуються на Intel Q67 Express і Intel B65 Express, орієнтовані на корпоративних користувачів і малий бізнес. Всі ці чіпсети нарешті почали підтримувати накопичувачі з інтерфейсом SATA 3.0, хоча і не всіма портами. А ось підтримки, видалося б навіть більш затребуваної шини USB 3.0 у них немає. Цікавими особливостями нових чіпсетів для звичайних материнських плат стало те, що в них відмовилися від підтримки шини PCI. Крім того, тепер тактовий генератор вбудований у чіпсет і керувати його характеристиками без наслідків для стабільності роботи системи можна лише в дуже невеликому діапазоні, якщо повезе то всього ±10 МГц, а на практиці і то менше.

Також потрібно відзначити, що різні чіпсети оптимізовані під використання з різними процесорами в системах, призначених для різних цілей. Тобто Intel P67 Express від Intel H67 Express відрізняється не тільки відсутністю підтримки роботи з вбудованим відео, але і розширеними можливостями для «оверклокінгу» і тюнінга продуктивності. В свою чергу Intel H67 Express взагалі не помічає вільний множник у моделей з індексом K.

Але ж внаслідок архітектурних особливостей, розгін процесорів Sandy Bridge поки можливий тільки за допомогою множника, якщо це модель K-серії. Хоча до деякої оптимізації і «овербусту» схильні всі моделі.

Таким чином, тимчасово для створення ілюзії роботи на дуже потужному процесорі навіть моделі з заблокованим множником здатні на помітне прискорення. Час такого прискорення для настільних систем, як було згадано вище, обмежений апаратно, а не тільки температурою, як у мобільних ПК.

Після представлення всіх архітектурних особливостей і нововведень, а також оновлених фірмових технологій, залишається тільки ще раз відзначити, чим Sandy Bridge такі інноваційні і нагадати про позиціонування.

Для високопродуктивних і масових продуктивних систем найближчим часом можна буде купити процесори серій Intel Core i7 і Intel Core i5, які між собою відрізняються підтримкою технології Intel Hyper-Threading (для чотирьохядерних моделей Intel Core i5 вона відключена) і об'ємом кеш-пам'яті третього рівня. Для більш ощадливих покупців представлені нові моделі Intel Core i3, які мають вдвічі менше обчислювальних ядер, хоч і з підтримкою Intel Hyper-Threading, всього 3 МБ кеш-пам'яті LLC, не підтримують Intel Turbo Boost 2.0 і всі укомплектовані Intel HD Graphics 2000.

В середині року для масових систем будуть представлені процесори Intel Pentium (від цього бренда дуже важко відмовитися, хоча ще рік тому це пророкували) на основі дуже спрощеної архітектури Sandy Bridge. Фактично ці процесори для «робочих коників» будуть нагадувати про можливості ще вчора актуальних Core i3-3xx на ядрі Clarkdale, тому що практично всі функції, властиві старшим моделям для LGA 1155, вони втратять.

Залишається відзначити, що випуск процесорів Sandy Bridge і цілої настільної платформи LGA 1155 став черговим «Так» у межах концепції Intel «Тік-Так», тобто серйозним відновленням архітектури для випуску по вже налагодженому 32 нм техпроцесу. Приблизно через рік нас будуть чекати процесори Ivy Bridge з оптимізованою архітектурою і виконані по 22 нм техпроцесу, які, напевно, знову будуть мати «революційну енергоефективність», але, сподіваємося, не скасують процесорний роз’єм LGA 1155. Що ж, почекаємо – побачимо. А поки в нас є мінімум рік на вивчення архітектури Sandy Bridge і її всебічне тестування, до чого і збираємося приступити вже в найближчі дні.

Автор: Олександр Черноіван
Переклад: Анна Смірнова