Презентация процессоров Intel Sandy Bridge: модельный ряд и архитектурные особенности

В эти дни компания Intel представляет миру долгожданные процессоры Sandy Bridge, архитектура которых заранее была окрещена как революционная. Но не только процессоры стали новинками этих дней, а и все сопутствующие компоненты новых настольной и мобильной платформ.

Итак, на этой неделе анонсировано аж 29 новых процессоров, 10 чипсетов и 4 беспроводных адаптера для ноутбуков и настольных рабочих и игровых компьютеров.

К мобильным новинкам относятся:

• процессоры 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;
• чипсеты Intel QS67, QM67, HM67, HM65, UM67 Express;
• беспроводные сетевые контроллеры Intel Centrino Advanced-N + WiMAX 6150, Centrino Advanced-N 6230, Centrino Advanced-N 6205, Centrino Wireless-N 1030.

В настольном же сегменте появятся:

• процессоры 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;
• чипсеты Intel P67, H67, Q67, Q65, B65 Express.

Но сразу же стоит отметить, что анонс новой платформы не является одночастным для всех моделей процессоров и чипсетов – с начала января доступны только решения класса «майнстрим», а большинство более массовых и не таких дорогих появятся в продаже немного позднее. Вместе с выпуском настольных процессоров Sandy Bridge представлен и новый процессорный разъем для них LGA 1155. Таким образом, новинки не дополняют модельный ряд Intel Core i3/i5/i7, а являются заменой для процессоров под LGA 1156, большинство из которых теперь становятся совсем неперспективным приобретением, ибо в ближайшее время их выпуск вообще должен прекратиться. И только для энтузиастов до конца года Intel обещает продолжать выпуск старших четырехъядерных моделей на ядре Lynnfield.

Однако, судя по «роадмапу» платформа долгожитель Socket T (LGA 775) все еще будет оставаться актуальной как минимум до середины года, являясь основой для систем начального уровня. Для наиболее же производительных игровых систем и настоящих энтузиастов до конца года будут актуальны процессоры на ядре Bloomfield по разъем LGA 1366. Как видим, жизненный цикл двухъядерных процессоров с «интегрированным» графическим адаптером на ядре Clarkdale оказался очень коротки, всего один год, но именно они «протоптали» дорожку для представленных «сегодня» Sandy Bridge, приучив потребителя к мысли, что в процессоре может быть интегрирован не только контроллер памяти, а и видеокарта. Теперь же пришло время не просто выпустить более быстрые версии подобных процессоров, серьезно обновить архитектуру, чтобы обеспечить заметное увеличение их эффективности.

Ключевыми особенностями процессоров архитектуры Sandy Bridge являются:

• выпуск с соблюдением 32 нм техпроцесса;
• заметно увеличившаяся энергоэффективность;
• оптимизированная технология Intel Turbo Boost и поддержка Intel Hyper-Threading;
• значительное увеличение производительности встроенного графического ядра;
• реализация нового набора инструкций Intel Advanced Vector Extension (AVX) для ускорения обработки вещественных чисел.

Но все вышеуказанные нововведения не обеспечивали бы возможности говорить о действительно новой архитектуре, если бы все это не было реализовано теперь в  пределах одного ядра (кристалла), в отличие от процессоров на ядре Clarkdale.

Естественно, чтобы все узлы процессора заработали согласовано, нужно было организовать быстрый обмен информацией между ними – важным архитектурным нововведением стала кольцевая шина Ring Interconnect.

Объединяет же Ring Interconnect через кэш-память L3, теперь называемую LLC (Last Level Cache), процессорные ядра, графическое ядро и системный агент (System Agent), включающий в себя контроллер памяти, контроллер шины PCI Express, контроллер DMI, модуль управления питанием и другие контроллеры и модули, ранее имеющие объединенные названием «uncore».

Кольцевая шина Ring Interconnect является следующим этапом развития шины QPI (QuickPath Interconnect), которая после «обкатки» в серверных процессорах с обновленной 8-ядерной архитектурой Nehalem-EX, перекочевала и в ядро процессоров для настольных и мобильных систем. Посредством Ring Interconnect образуются четыре 32-разрядных кольца для шин Данных (Data Ring), Запросов (Request Ring), Мониторинга состояния (Snoop Ring) и Подтверждения (Acknowledge Ring). Функционирует кольцевая шина на частоте ядер, поэтому её пропускная способность, задержки и энергопотребление полностью зависят от частоты работы вычислительных блоков процессора.

Кэш-память третьего уровня (LLC - Last Level Cache) является общей для всех вычислительных ядер, графического ядра, системного агента и других блоков. При этом графический драйвер определяет какие потоки данных разместить в кэш-памяти, но и любой другой блок может получить доступ ко всем данным в LLC. Специальный механизм контролирует распределение кэш-памяти, чтобы не возникло коллизий. В целях ускорения работы для каждого из процессорных ядер выделен «свой» сегмент кэш-памяти, к которому оно имеет прямой доступ. Каждый такой сегмент включает независимый контроллер доступа к шине Ring Interconnect, но при этом ведется постоянное взаимодействие с системным агентом, который производит общее управление кэш-памятью.

Системный агент (System Agent), по сути, является встроенным в процессор «северным мостом» и объединяет контроллеры шин PCI Express, DMI, оперативной памяти, блок обработки видео (медиапроцессор и управление интерфейсами), диспетчер питания и другие вспомогательные блоки. С остальными узлами процессора системный агент взаимодействует через кольцевую шину. Кроме упорядочения потоков данных, системный агент следит за температурой и загрузкой различных блоков, и через Power Control Unit обеспечивает управление напряжением питания и частотами, дабы обеспечить наилучшую энергоэффективность при высокой производительности. Здесь же можно отметить, что для питания новых процессоров нужно трехкомпонентный стабилизатор питания (или двух, если встроенное видеоядро останется неактивным) – отдельно для вычислительных ядер, системного агента и интегрированной видеокарты.

Встроенная в процессор шина PCI Express соответствует спецификации 2.0 и насчитывает 16 линий для возможности увеличения мощности графической подсистемы при помощи мощного внешнего 3D-ускорителя. В случае использования старших наборов системной логики и согласования лицензионных вопросов эти 16 линий могут быть разделены на 2 или три слота в режимах 8x+8x или 8x+4x+4x соответственно для NVIDIA SLI и/или AMD CrossFireX.

Для обмена данными с системой (накопителями, портами ввода-вывода, периферией, контроллеры которых находятся в чипсете) используется шина DMI 2.0, позволяющая прокачать до 2 ГБ/с полезной информации в обоих направлениях.

Важной частью системного агента является встроенный в процессор двухканальный контроллер памяти DDR3, номинально поддерживающий модули на частоте 1066-1333 МГц, но при использовании в материнских платах на чипсете Intel P67 Express без проблем обеспечивающий функционирование модулей на частоте до 1600 и даже 2133 МГц. Размещение контроллера памяти в одном кристалле с процессорными ядрами (ядро Clarkdale состояло из двух кристаллов) должно уменьшить латентность памяти и, соответственно, увеличить производительность системы.

Отчасти благодаря расширенному мониторингу параметров всех вычислительных ядер, кэш-памяти и вспомогательных блоков, который реализован в Power Control Unit, в процессорах Sandy Bridge появилась усовершенствованная технология Intel Turbo Boost 2.0. Теперь, в зависимости от нагрузки и выполняемых задач, ядра процессора при высокой необходимости могут ускоряться даже с превышением теплового пакета, как при обычном ручном разгоне. Но системный агент будет следить за температурой процессора и его компонентов, и когда будет зафиксирован «перегрев» частоты узлов будут постепенно уменьшаться. Однако в настольных процессорах лимитировано время работы в сверхускоренном режиме, т.к. здесь значительно легче организовать в разы более эффективное охлаждение, чем «боксовый» кулер. Такой «овербуст» позволит получить прибавку производительности в критичные для системы моменты, что должно создать у пользователя впечатление работы с более мощной системой, а также уменьшить время ожидания реакции системы. Также Intel Turbo Boost 2.0 гарантирует, что и в настольных компьютерах встроенное видеоядро имеет динамическую производительность.

Архитектура процессоров Sandy Bridge подразумевает не только изменения в структуре межкомпонентного взаимодействия и улучшение возможностей и энергоэффективности этих компонентов, но и внутренние изменения в каждом вычислительном ядре. Если отбросить «косметические» улучшения, то наиболее важными окажутся следующие:

• возврат к выделению кэш-памяти для примерно 1,5 тысяч декодированных микроопераций L0 (использовался в Pentium 4), являющейся обособленной частью L1, что позволяет одновременно обеспечить более равномерную загрузку конвейеров и снизить энергопотребление вследствие увеличения пауз в работе достаточно сложных схем декодеров операций;
• повышение эффективности блока предсказания ветвлений вследствие увеличение емкости буферов адресов результатов ветвления, истории команд, истории ветвлений, что увеличило эффективность конвейеров;
• увеличение емкости буфера переупорядоченных команд (ROB - ReOrder Buffer) и повышение эффективности этой части процессора благодаря внедрению физического регистрового файла (PRF – Physical Register File, тоже характерной особенности Pentium 4) для хранения данных, а также расширение других буферов;

• удвоение емкости регистров для работы с потоковыми вещественными данными, что в ряде случаев может обеспечить в два раза большую скорость выполнения операций, их использующих;
• увеличение эффективности исполнения инструкций шифрования для алгоритмов AES, RSA и SHA;
• введение новых векторных инструкций Advanced Vector Extension (AVX);
• оптимизацию работы кэш-памяти первого L1 и второго L2 уровней.

Важной особенностью графического ядра процессоров Sandy Bridge является то, что оно теперь находится в одном кристалле с остальными блоками, а управление его характеристиками и слежение за состоянием выполняет на аппаратном уровне системный агент. При этом блок обработки медиаданных и формирования сигналов для видеовыходов вынесен в этот самый системный агент. Такая интеграция обеспечивает более тесное взаимодействие, меньшие задержки, большую эффективность и т.д.

Однако самой архитектуре графического ядра не так много изменений, как того хотелось бы. Вместо ожидаемой поддержки DirectX 11 была просто добавлена поддержка DirectX 10.1. Соответственно и не многие приложения с поддержкой OpenGL ограничены аппаратной совместимостью только с 3-й версией спецификации этого свободного API. При этом, хотя и говорится об усовершенствовании вычислительных блоков, но их осталось столько же – 12, и то только для старших процессоров. Однако увеличение тактовой частоты до 1350 МГц обещает заметный прирост производительности в любом случае.

С другой стороны, создать встроенное видеоядро с действительно высокой производительностью и функциональностью для современных игр при невысоком его энергопотреблении очень тяжело. Поэтому отсутствие поддержки новых API повлияет лишь на совместимость с новыми играми, а производительность при действительно большом желании комфортно играть нужно будет наращивать с помощью дискретного 3D-ускорителя. А вот расширение функциональности при работе с мультимедийными данными, в первую очередь при кодировании и декодировании видео в рамках Intel Clear Video Technology HD, можно причислить к достоинствам Intel HD Graphics II (Intel HD Graphics 2000/3000).

Обновленный медиапроцессор позволяет разгрузить процессорные ядра при кодировании видео в форматах MPEG2 и H.264, а также расширяет набор пост-процессинговых функций аппаратной реализацией алгоритмов для автоматической подстройки контрастности изображения (ACE – Adaptive Contrast Enhancement), корректировки цветов (TCC – Total Color Control) и улучшения отображения кожи (STE – Skin Tone Enhancement). Повышает перспективность использования встроенной видеокарты реализованная поддержка интерфейса HDMI версии 1.4, совместимой с Blu-ray 3D (Intel InTru 3D).

Все выше перечисленные архитектурные особенности обеспечивают новому поколению процессоров заметное превосходство по быстродействию над моделями предыдущего поколения, как в вычислительных задачах, так и при работе с видео.

В итоге платформа Intel LGA 1155 становится более производительной и функциональной, приходя на смену LGA 1156.

Если подытожить, то процессоры семейства Sandy Bridge спроектированы для решения очень широкого круга задач при высокой энергоэффективности, что должно их сделать действительно массовыми в новых производительных системах, особенно когда в продаже появятся более доступные модели в широком ассортименте.  

В ближайшее время постепенно покупателям станут доступны 8 процессоров для настольных систем разного уровня: 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 и Intel Core i3-2100. Модели с индексом K отличаются свободным множителем и более быстрым встроенным видеоадаптером Intel HD Graphics 3000.

Также для критичных к энергопотреблению систем выпущены энергоэффективные (индекс S) и высокоэнергоэффективные (индекс T) модели.

Для поддержки новых процессоров уже сегодня доступны материнские платы на чипсетах Intel P67 Express и Intel H67 Express, в а недалеком будущем ожидаются на Intel Q67 Express и Intel B65 Express, ориентированные на корпоративных пользователей и малый бизнес. Все эти чипсеты наконец-то начали поддерживать накопители с интерфейсом SATA 3.0, хотя и не всеми портами. А вот поддержки, казалось бы даже более востребованной шины USB 3.0 в них нет. Интересными особенностями новых чипсетов для обычных материнских плат стало то, что в них отказались от поддержки шины PCI. Кроме того, теперь тактовый генератор встроен в чипсет и управлять его характеристиками без последствий для стабильности работы системы можно лишь в очень небольшом диапазоне, если повезет то всего ±10 МГц, а на практике и того меньше.

Также нужно отметить, что разные чипсеты оптимизированы под использование с разными процессорами в системах, предназначенных для различных целей. То есть Intel P67 Express от Intel H67 Express отличается не только отсутствием поддержки работы со встроенным видео, но и расширенными возможностями для «оверклокинга» и тюнинга производительности. В свою очередь Intel H67 Express вообще не замечает свободный множитель у моделей с индексом K.

А ведь вследствие архитектурных особенностей, разгон процессоров Sandy Bridge пока возможен только с помощью множителя, если это модель K-серии. Хотя к некоторой оптимизации и «овербусту» склонны все модели.

Таким образом, временно для создания иллюзии работы на очень мощном процессоре даже модели с заблокированным множителем способны на заметное ускорение. Время такого ускорения для настольных систем, как было упомянуто выше, ограничено аппаратно, а не только температурой, как в мобильных ПК.

После представления всех архитектурных особенностей и нововведений, а также обновленных фирменных технологий, остается только еще раз просуммировать, чем же Sandy Bridge такие инновационные и напомнить о позиционировании.

Для высокопроизводительных и массовых производительных систем в ближайшее время можно будет купить процессоры серий Intel Core i7 и Intel Core i5, которые между собой отличаются поддержкой технологии Intel Hyper-Threading (для четырехъядерных моделей Intel Core i5 она отключена) и объемом кэш-памяти третьего уровня. Для более экономных покупателей представлены новые модели Intel Core i3, которые имеют в 2 раза меньше вычислительных ядер, хоть и с поддержкой Intel Hyper-Threading, всего 3 МБ кэш-памяти LLC, не поддерживают Intel Turbo Boost 2.0 и все укомплектованы Intel HD Graphics 2000.

В середине года для массовых систем будут представлены процессоры Intel Pentium (от этого бренда очень тяжело отказаться, хотя еще год назад это пророчили) на основе очень упрощенной архитектуры Sandy Bridge. Фактически эти процессоры для «рабочих лошадок» будут напоминать по возможностям еще вчера актуальные Core i3-3xx на ядре Clarkdale, т.к. практически всех функций, присущих старшим моделям для LGA 1155, они лишатся.

Остается отметить, что выпуск процессоров Sandy Bridge и целой настольной платформы LGA 1155 стал очередным «Так» в рамках концепции Intel «Тик-Так», т.е. серьезным обновлением архитектуры для выпуска по уже отлаженному 32 нм техпроцессу. Примерно через год нас будут ждать процессоры Ivy Bridge с оптимизированной архитектурой и выполненные по 22 нм техпроцессу, которые, наверняка, снова будут иметь «революционную энергоэффективность», но, надеемся, не упразднят процессорный разъем LGA 1155. Что ж, подождем – увидим. А пока у нас есть минимум год на изучение архитектуры Sandy Bridge и её всестороннее тестирование, к чему и собираемся приступить уже в ближайшие дни.

Автор: Александр Черноиван