Процессоры Intel Core третьего поколения

Сергей Пахомов

Особенности архитектуры

Модельный ряд процессоров Ivy Bridge

Чипсеты Intel 7-й серии

 

Итак, свершилось. Компания Intel анонсировала долгожданные 22-нм процессоры Intel Core третьего поколения, известные также под кодовым наименованием Ivy Bridge. Наряду с ними компания Intel представила новое поколение чипсетов 7-й серии, которые совместимы с процессорами Ivy Bridge.

Особенности архитектуры

Уже не первый год выход новых поколений процессоров Intel подчиняется эмпирическому правилу TICK-TOCK («тик­так»), суть которого заключается в том, что перевод производства на новый технологический процесс (TICK) и внедрение новой процессорной микроархитектуры (TOCK) происходят поочередно с периодичностью в два года. Например, если в первый год происходит переход на новый техпроцесс производства, то на второй год на этом же техпроцессе внедряется новая процессорная микроархитектура. А на следующий год происходит перевод микроархитектуры на новый техпроцесс производства.

В прошлом году компания Intel выпустила 32-нм процессоры Sandy Bridge на базе новой микроархитектуры (цикл TOCK). В апреле компания анонсировала 22-нм версию процессоров на базе микроархитектуры Sandy Bridge, которые получили кодовое наименование Ivy Bridge (цикл TICK).

Однако процессоры Ivy Bridge — это не просто 22-нм версия процессоров Sandy Bridge. В данном случае речь идет и о существенной модернизации самой микроархитектуры. Именно поэтому компания Intel называет этот переход на новый техпроцесс не просто циклом TICK, а циклом TICK+.

О новых процессорах Ivy Bridge мы уже писали на страницах нашего журнала, однако, как нам кажется, официальный анонс данных процессоров — это настолько значимое событие, что имеет смысл кое­что повторить и скомпилировать в одной статье все имеющиеся на данный момент сведения об этих новых процессорах.

Итак, давайте рассмотрим, чем процессоры Ivy Bridge отличаются от Sandy Bridge и почему новые процессоры — это не просто 22-нм версия процессоров предыдущего поколения.

Процессор Ivy Bridge, так же как и процессор Sandy Bridge, имеет интегрированный контроллер PCI Express на 16 линий. Однако если в случае процессора Sandy Bridge речь шла о контроллере PCI Express 2.0, то в процессорах Ivy Bridge используется контроллер PCI Express 3.0.

Разница в пропускной способности интерфейсов PCI Express 2.0 и 3.0 весьма существенная. Так, для интерфейса PCI Express 2.0 пропускная способность каждой линии составляет в каждом направлении 500 Мбайт/с, а для интерфейса PCI Express 3.0 — 1 Гбайт/с. Нетрудно подсчитать, что для интерфейса PCI Express 3.0 x16 пропускная способность равна уже 32 Гбайт/с.

Конечно, для реализации возможностей интерфейса PCI Express 3.0 в процессоре Ivy Bridge нужна еще и видеокарта с аналогичным интерфейсом. Впрочем, даже в этом случае не стоит ожидать, что при использовании интерфейса PCI Express 3.0 повысится производительность системы в играх. Как показывают тесты, интерфейс PCI Express 2.0 не является узким местом для современных игр и переход на более скоростной интерфейс ничего не даст.

В процессор Ivy Bridge, как и в процессор Sandy Bridge, встроен двухканальный контроллер памяти DDR3. Однако в процессоре Ivy Bridge он поддерживает более скоростную и низковольтную (1,35 В) память.

Самое главное отличие процессоров Ivy Bridge от Sandy Bridge заключается в том, что они изготавливаются по 22-нм техпроцессу (процессоры Sandy Bridge производятся по 32-нм техпроцессу), то есть геометрические размеры транзисторов будут в 1,45 раза меньше. Естественно, это сказывается на всех характеристиках транзистора.

Основная проблема, связанная с уменьшением размеров транзистора, заключается в том, что экспоненциальное увеличение числа транзисторов на кристалле приводит к экспоненциальному росту потребляемой мощности и, как следствие, к перегреву микросхемы. Причина этого негативного явления заключается в том, что уменьшение размеров транзистора приводит к возникновению токов утечки. В частности, при уменьшении толщины слоя диэлектрика до величины в несколько нанометров начинают возникать эффекты туннелирования зарядов через слой диэлектрика, что приводит к появлению токов утечки.

 

Рисунок

Планарный и Tri-Gate-транзисторы

Данная проблема частично решается благодаря применению вместо диоксида кремния, который на протяжении многих лет использовался в качестве диэлектрика в транзисторах, иных диэлектрических материалов, позволяющих получать более толстые слои диэлектрика, но обеспечивающих, тем не менее, увеличение емкости подзатворного конденсатора. Такие материалы должны иметь более высокую диэлектрическую проницаемость, а потому получили название High-K-диэлектрики. Понятно, что применение альтернативных материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяет увеличить толщину слоя диэлектрика, что, в свою очередь, уменьшает токи утечки.

Именно поэтому начиная с 45-нм техпроцесса производства при изготовлении процессоров используются транзисторы с High-K-диэлектриками (затвор High-K/metal).

Конечно, применение диэлектриков High-K — это лишь одно из усовершенствований, которым подверглись планарные транзисторы. Можно также вспомнить технологию напряженного кремния, которую начали использовать при изготовлении транзисторов NMOS и PMOS еще по 90-нм техпроцессу для улучшения их эксплуатационных характеристик. Технология создания напряжений позволяет увеличить подвижность как электронов, так и дырок и повышает скорость переключения транзисторов.

Последнее революционное усовершенствование структуры полевых транзисторов касается кардинального изменения их геометрии — транзисторы из плоских превратились в трехмерные.

Разработка трехмерной конструкции транзисторов началась еще в 2002 году. В сентябре 2002-го компания Intel объявила о разработке трехмерной конструкции транзистора с тройным затвором (Tri-gate), которая обеспечивает более эффективный расход энергии по сравнению с традиционными планарными транзисторами.

В основе трехмерного транзистора с тройным затвором лежит трехмерная структура, похожая на приподнятую горизонтальную плоскость с вертикальными стенками.

Такая структура позволяет посылать электрические сигналы как по «крыше» транзистора, так и по обеим его «стенам». Фактически получается как бы не один затвор, как в планарой структуре, а сразу три (две стенки и крышка). Отсюда и название — «тройной затвор» (Tri-gate).

Благодаря подобной схеме распределения тока эффективно увеличивается площадь, доступная для прохождения тока, а следовательно, снижается его плотность и вместе с ней — ток утечки. Тройной затвор строится на ультратонком слое полностью обедненного кремния, что обеспечивает еще большее снижение тока утечки и позволяет транзистору быстрее включаться и выключаться при значительном снижении энергопотребления.

Особенностью этой конструкции также являются поднятые исток и сток — в результате снижается сопротивление, что позволяет транзистору работать при токе меньшей мощности.

Несмотря на тот факт, что разработка трехмерной конструкции транзисторов началась еще в 2002 году, их использование в производстве процессоров стало возможно лишь спустя почти 10 лет, то есть при переходе на 22-нм техпроцесс производства.

Трехмерные транзисторы Tri-Gate, изготовленные на базе 22-нм техпроцесса и работающие на низком напряжении, обеспечивают до 37% более высокую производительность в сравнении с обычными транзисторами, изготовленными на базе 32-нм технологии. Процессоры с новыми транзисторами могут потреблять менее половины мощности, чем 32-нм чипы с двумерной структурой, сохраняя тот же уровень производительности.

Отметим также, что компания Intel первой стала применять трехмерные транзисторы при производстве микросхем. Все остальные компании, занимающиеся производством микросхем, смогут наладить производство трехмерных транзисторов не ранее чем через четыре года.

Итак, одно из главных нововведений в 22-нм процессорах Ivy Bridge — использование более производительных и энергоэффективных трехмерных Tri-Gate-транзисторов. Однако это не единственное отличие 22-нм процессоров Ivy Bridge от 32-нм процессоров Sandy Bridge.

Что касается вычислительного ядра процессора Ivy Bridge, то оно не претерпело архитектурных изменений в сравнении с вычислительным ядром Sandy Bridge. А вот интегрированное графическое ядро с поддержкой DirectX 11, которое имеет кодовое название Carlow, действительно, является одним из главных нововведений в микроархитектуре Ivy Bridge.

По заявлению компании Intel, графическое ядро в процессорах Ivy Bridge будет на 60% производительнее графического ядра в процессорах Sandy Bridge.

Кроме поддержки DirectX 11 в графическом ядре Carlow будет реализована поддержка OpenGL 3.1 и OpenCL 1.1, то есть графическое ядро Intel будет способно производить вычисления средствами шейдерных процессоров.

Напомним, что в процессоре Sandy Bridge графическое ядро содержит (в зависимости от модели процессора) шесть или 12 исполнительных блоков (Execution Unit, EU), каждый из которых имеет по одному текстурному блоку. В графическом ядре Ivy Bridge максимальное число исполнительных блоков увеличено до 16, причем на каждый исполнительный блок приходится уже по два текстурных блока.

В графическое ядро Ivy Bridge также добавлены блоки для аппаратной тесселяции и поддержка Shader Array (что, собственно, и позволило добиться совместимости с Shader Model 5.0 и DirectX 11).

Интересно отметить, что тактовая частота графического ядра процессора Ivy Bridge ниже, чем частота графического ядра процессора Sandy Bridge, что позволяет уменьшить энергопотребление. В результате по такому показателю, как производительность на ватт, графическое ядро Carlow вдвое превосходит ядро HD 2000/3000 в процессоре Sandy Bridge. Отметим, что будет две реализации графического ядра Carlow — HD 4000 и HD 2500, которые отличаются друг от друга числом функциональных блоков.

Изменения коснулись также технологии Intel Quick Sync. Прежде всего, производитель обещает двукратное увеличение скорости перекодирования HD-видео с применением специализированных процессорных блоков. Кроме того, заявлено улучшение качества кодирования и добавление возможности применения к перекодируемому видеопотоку фильтров типа улучшения цветовой гаммы или контрастности.

Мощности аппаратного видеодекодера будет достаточно для одновременного воспроизведения не менее 16 HD-видеопотоков. Еще одно нововведение в процессорах Ivy Bridge — это конфигурируемый TDP.

Напомним, что TDP является одной из важнейших характеристик процессоров Intel. В частности, значение TDP определяет и максимальное энергопотребление процессора, и необходимую эффективность системы охлаждения. К значению TDP привязывается также возможность повышения тактовой частоты ядер процессора в режиме Turbo Boost (то есть тактовая частота может повышаться, только если не превышено значение TDP или это превышение кратковременное).

В процессорах Ivy Bridge определено не одно, а три значения TDP: минимальное, номинальное и турбо. То есть при достаточном теплоотводе TDP процессора может быть повышено и соответственно увеличится его тактовая частота в режиме Turbo Boost. Если же нужно максимально снизить энергопотребление, то TDP можно уменьшить.

Понятно, что технология конфигурируемого TDP направлена прежде всего на мобильные процессоры. Так, если ноутбук питается от сети и обеспечивается достаточное охлаждение процессора, то TDP можно повысить. Если же ноутбук работает в автономном режиме, то с целью увеличения времени автономной работы TDP процессора желательно снизить.

Важно отметить, что технология конфигурируемого TDP не заменяет собой технологию Intel Speed Step или выбор схемы энергопотребления процессора в настройках операционной системе. Она лишь дополняет все те технологии, которые уже имеются.

Существенные усовершенствования были сделаны и в плане разгона процессоров Ivy Bridge. Напомним, что в процессорах Sandy Bridge с разблокированным коэффициентом умножения (процессоры К-серии) максимальный коэффициент умножения был равен 57. То есть даже теоретически процессоры Sandy Bridge нельзя было разогнать выше частоты 5,7 ГГц (процессоры Sandy Bridge практически невозможно разогнать за счет повышения частоты системной шины). В процессорах Ivy Bridge максимальный коэффициент умножения повышен до значения 63, то есть путем изменения коэффициента умножения процессор теоретически можно будет разогнать до частоты 6,3 ГГц.

Еще одно новшество среди разгонных способностей процессора Ivy Bridge — это возможность изменения коэффициента умножения без необходимости перезагрузки системы.

Следующее нововведение в процессоре Ivy Bridge — это наличие аппаратного генератора случайных чисел (Digital Random Number Generator, DRNG), который находит применение в криптографических задачах. Вообще в процессорах уже давно используются генераторы случайных чисел. Однако до сих пор речь шла о псевдослучайных генераторах, которые работают в соответствии с определенным математическим алгоритмом. В процессоре Ivy Bridge используется реальный (не псевдослучайный) генератор случайных чисел, в основе которого лежит электронная схема с неопределенным состоянием, что позволяет генерировать поток случайных символов в 16-, 32- или 64-битном формате со скоростью 2 или 3 Гбит/с.

К нововведениям также можно отнести режим Supervisory Mode Execute Protection (SMEP), представляющий собой реализацию технологии защиты от повышения уровня привилегий. Данная технология контролирует уровень привилегий исполняемого кода, который размещен в адресном пространстве, выделенном для работы программам (Applications). Фактически на аппаратном уровне блокируется классическая атака, нацеленная на повышение уровня привилегий и необходимая для получения доступа к системным ресурсам.

Модельный ряд процессоров Ivy Bridge

Компания Intel cобирается выпустить довольно внушительный ряд процессоров Ivy Bridge, который будет представлен семействами Intel Core i7, Core i5 и Core i3 (табл. 1). Эти процессоры будут различаться тактовой частотой, версией графического ядра (HD 4000 или HD 2500), количеством ядер (четыре или два), поддержкой технологии Hyper-Threading, размером кэша L3 и TDP. Все процессоры Ivy Bridge для настольных ПК имеют процессорный разъем LGA 1155 и совместимы с платами на базе чипсетов Intel 7-й серии, а в некоторых случаях и с платами на базе чипсетов Intel 6-й серии.

Все процессоры семейства Intel Core i7 являются четырехъядерными и поддерживают технологию Hyper-Threading. Размер кэша L3 для них составляет 8 Мбайт, они имеют интегрированное графическое ядро HD 4000 с базовой тактовой частотой 650 МГц, которая в режиме Turbo может повышаться до 1150 МГц.

Процессор Intel Core i7-3770K — это топовая модель в семействе Intel Core i7. Он отличается тем, что имеет разблокированный коэффициент умножения (на это указывает буква «K») и ориентирован на любителей экстремального разгона. При этом его TDP составляет всего 77 Вт.

Вообще, если в названии процессора фигурирует буква «K», то это означает, что он имеет разблокированный коэффициент умножения. Отсутствие буквы — это базовая модель процессора. Для базовых моделей и процессоров K-серий семейств Intel Core i7 и Core i5 TDP составляет 77 Вт. Ну а для базовых моделей процессоров семейства Intel Core i3 TDP равно 55 Вт.

Наличие литеры «S» означает, что уровень TDP составляет 65 Вт, а литеры «T» — что TDP равен 45 Вт для четырехъядерных процессоров и 35 Вт для двухъядерных.

Отличительным признаком процессоров семейства Intel Core i5 можно считать наличие четырех логических ядер. То есть это могут быть четырехъядерные процессоры без поддержки технологии Hyper-Threading или двухъядерные процессоры с поддержкой технологии Hyper-Threading. Если точнее, то все, за исключением одного, процессоры семейства Intel Core i5 являются четырехъядерными, но не поддерживают технологию Hyper-Threading. Размер кэша L3 для этих процессоров составляет 6 Мбайт. И только одна модель в семействе Intel Core i5 является двухъядерной. Речь идет о процессоре Core i5-3470T. Он поддерживает технологию Hyper-Threading, а потому, как и все остальные процессоры семейства Intel Core i5, распознается операционной системой как четырехъядерный (четыре логических ядра).

Все процессоры семейства Intel Core i5 имеют графическое ядро HD 2500 с базовой тактовой частотой 650 МГц и 1050 МГц в режиме Turbo. Исключение составляют лишь процессоры с номером, оканчивающимся на цифру «5» (например, Intel Core i5-3475S). Это процессоры с графическим ядром HD 4000.

К отличительным особенностям процессоров семейства Intel Core i3 можно отнести, во-первых, то обстоятельство, что все они двухъядерные и не поддерживают технологию Hyper-Threading, то есть с точки зрения операционной системы являются двухъядерными, а во-вторых, эти процессоры не поддерживают режим Turbo для вычислительных ядер.

Если маркировка процессора заканчивается на цифру «0», то это означает, что в процессоре реализовано графическое ядро HD 2500, а если на цифру «5» — графическое ядро HD 4000.

Чипсеты Intel 7-й серии

Для новых процессоров Ivy Bridge предназначены и новые чипсеты Intel 7-й серии. Как уже отмечалось, процессоры Ivy Bridge совместимы с платами на базе чипсетов Intel 7-й серии, а в некоторых случаях и с платами на базе чипсетов Intel 6-й серии. То есть возможно, что для работы процессора Ivy Bridge на плате с чипсетом Intel 6-й серии потребуется перепрошивка BIOS, а может быть, процессор Ivy Bridge ни при каких обстоятельствах не заработает на плате с чипсетом Intel 6-й серии. Одним словом, прежде чем рисковать, нужно ознакомиться со списком поддерживаемых платой моделей процессоров.

Отметим, что с процессорами Sandy Bridge наблюдается похожая ситуация. Они могут «завестись», а могут, как показывает наш опыт, и не «завестись» с платами на базе чипсетов Intel 7-й серии. Причем это несмотря на тот факт, что формально все процессоры Sandy Bridge должны быть совместимы с платами на базе чипсетов Intel 7-й серии.

Однако вернемся к чипсетам Intel 7-й серии. Собственно, материнские платы на базе чипсетов Intel 7-й серии появились в продаже еще до анонса процессора Ivy Bridge, что, в принципе, логично, поскольку эти платы полностью совместимы и с процессорами Sandy Bridge. Исключение составляет лишь чипсет Intel X79 Express, который был анонсирован уже давно. Он также относится к 7-й серии чипсетов Intel, однако стоит особняком, поскольку совместим только с процессорами Sandy Bridge-E с разъемом LGA 2011. Соответственно мы не будем рассматривать его в этом обзоре. Все остальные чипсеты Intel 7-й серии совместимы только с процессорами с разъемом LGA 1155.

Отличительной особенностью новых чипсетов Intel 7-й серии является поддержка портов USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с.

Наиболее массовым будет чипсет для десктопных процессоров Intel Z77 Express, который ориентирован на производительные и массовые ПК. Он поддерживает процессорное графическое ядро, имеет восемь дополнительных линий PCI Express 2.0, поддерживает десять портов USB 2.0 и четыре порта USB 3.0, а также четыре порта SATA 3 Гбит/с и по два порта SATA 6 Гбит/с. Кроме того, чипсет Intel Z77 поддерживает технологию Intel Smart Response и позволяет разгонять процессор. Этот чипсет дает возможность реализовать три варианта конфигурации слотов PCI Express через 16 линий PCI Express 3.0, поддерживаемых процессором Ivy Bridge. Это может быть только один слот PCI Express 3.0, функционирующий в режиме x16, либо два слота PCI Express 3.0 х8, либо один слот PCI Express 3.0 х8 и два слота PCI Express 3.0 х4.

Чипсет Intel Z75 имеет более скромные возможности. Он также позволяет разгонять процессор, однако не поддерживает технологию Intel Smart Response. Кроме того, этот чипсет позволяет реализовать только два варианта конфигурации слотов PCI Express. Это может быть только один слот PCI Express 3.0, функционирующий в режиме x16, либо два слота PCI Express 3.0 х8.

Чипсет Intel H77 является младшей моделью в данной линейке и ориентирован на бюджетные материнские платы. Он поддерживает технологию Intel Smart Response, однако не дает возможности разгонять процессор. Кроме того, он позволяет сгруппировать 16 линий PCI Express 3.0, поддерживаемых процессором Ivy Bridge, только в порт PCI Express 3.0 х16.

Отметим, что, кроме чипсета Intel Z77, топового в линейке десктопных чипсетов Intel 7-й серии, компания анонсировала чипсеты H77, Z75 и B75. Чуть позже будут анонсированы чипсеты Q77 и Q75. Характеристики чипсетов Intel 7-й серии для процессоров с разъемом LGA 1155 приведены в табл. 2.

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 05'2012

Наш канал на Youtube

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует