Сергій Пахомов
особливості архітектури
Модельний ряд процесорів Ivy Bridge
Чіпсети Intel 7-ї серії
Отже, сталося. Компанія Intel анонсувала довгоочікувані 22-нм процесори Intel Core третього покоління, відомі також під кодовою назвою Ivy Bridge. Поряд з ними компанія Intel представила нове покоління чіпсетів 7-ї серії, які сумісні з процесорами Ivy Bridge.
особливості архітектури
Уже не перший рік вихід нових поколінь процесорів Intel підпорядковується емпіричному правилу TICK-TOCK ( «тіктак»), суть якого полягає в тому, що переведення виробництва на новий технологічний процес (TICK) і впровадження нової процесорної мікроархітектури (TOCK) відбуваються по черзі з періодичністю в два роки. Наприклад, якщо в перший рік відбувається перехід на новий техпроцес виробництва, то на другий рік на цьому ж техпроцессе впроваджується нова процесорна мікроархітектура. А на наступний рік відбувається переклад мікроархітектури на новий техпроцес виробництва.
У минулому році компанія Intel випустила 32-нм процесори Sandy Bridge на базі нової мікроархітектури (цикл TOCK). У квітні компанія анонсувала 22-нм версію процесорів на базі мікроархітектури Sandy Bridge, які отримали кодову назву Ivy Bridge (цикл TICK).
Однак процесори Ivy Bridge - це не просто 22-нм версія процесорів Sandy Bridge. В даному випадку мова йде і про істотної модернізації самої мікроархітектури. Саме тому компанія Intel називає цей перехід на новий техпроцес не просто циклом TICK, а циклом TICK +.
Про нові процесори Ivy Bridge ми вже писали на сторінках нашого журналу, однак, як нам здається, офіційний анонс даних процесорів - це настільки значуща подія, що має сенс коечто повторити і скомпілювати в одній статті всі наявні на даний момент відомості про ці нові процесори.
Отже, давайте розглянемо, чим процесори Ivy Bridge відрізняються від Sandy Bridge і чому нові процесори - це не просто 22-нм версія процесорів попереднього покоління.
Процесор Ivy Bridge, так само як і процесор Sandy Bridge, має інтегрований контролер PCI Express на 16 ліній. Однак якщо в разі процесора Sandy Bridge йшлося про контроллер PCI Express 2.0, то в процесорах Ivy Bridge використовується контролер PCI Express 3.0.
Різниця в пропускної здатності інтерфейсів PCI Express 2.0 та 3.0 вельми істотна. Так, для інтерфейсу PCI Express 2.0 пропускна здатність кожної лінії становить в кожному напрямку 500 Мбайт / с, а для інтерфейсу PCI Express 3.0 - 1 Гбайт / с. Неважко підрахувати, що для інтерфейсу PCI Express 3.0 x16 пропускна здатність дорівнює вже 32 Гбайт / с.
Звичайно, для реалізації можливостей інтерфейсу PCI Express 3.0 в процесорі Ivy Bridge потрібна ще і відеокарта з аналогічним інтерфейсом. Втім, навіть в цьому випадку не варто очікувати, що при використанні інтерфейсу PCI Express 3.0 підвищиться продуктивність системи в іграх. Як показують тести, інтерфейс PCI Express 2.0 не є вузьким місцем для сучасних ігор і перехід на більш швидкісний інтерфейс нічого не дасть.
У процесор Ivy Bridge, як і в процесор Sandy Bridge, вбудований двоканальний контролер пам'яті DDR3. Однак в процесорі Ivy Bridge він підтримує більш швидкісну і низьковольтну (1,35 В) пам'ять.
Найголовніша відмінність процесорів Ivy Bridge від Sandy Bridge полягає в тому, що вони виготовляються по 22-нм техпроцесу (процесори Sandy Bridge виробляються по 32-нм техпроцесу), тобто геометричні розміри транзисторів будуть в 1,45 рази менше. Природно, це позначається на всіх характеристиках транзистора.
Основна проблема, пов'язана зі зменшенням розмірів транзистора, полягає в тому, що експоненціальне збільшення числа транзисторів на кристалі призводить до експоненціального зростання споживаної потужності і, як наслідок, до перегріву мікросхеми. Причина цього негативного явища полягає в тому, що зменшення розмірів транзистора призводить до виникнення струмів витоку. Зокрема, при зменшенні товщини шару діелектрика до величини в кілька нанометрів починають виникати ефекти тунелювання зарядів через шар діелектрика, що призводить до появи струмів витоку.
Планарний і Tri-Gate-транзистори
Дана проблема частково вирішується завдяки застосуванню замість діоксиду кремнію, який протягом багатьох років використовувався в якості діелектрика в транзисторах, інших діелектричних матеріалів, що дозволяють отримувати більш товсті шари діелектрика, але забезпечують, проте, збільшення ємності подзатворного конденсатора. Такі матеріали повинні мати більш високу діелектричну проникність, а тому отримали назву High-K-діелектрики. Зрозуміло, що застосування альтернативних матеріалів з більш високою діелектричної проникністю дозволяє збільшити товщину шару діелектрика, що, в свою чергу, зменшує струми витоку.
Саме тому починаючи з 45-нм техпроцесу виробництва при виготовленні процесорів використовуються транзистори з High-K-діелектриками (затвор High-K / metal).
Звичайно, застосування діелектриків High-K - це лише одне з удосконалень, яких зазнали планарниє транзистори. Можна також згадати технологію напруженого кремнію, яку почали використовувати при виготовленні транзисторів NMOS і PMOS ще по 90-нм техпроцесу для поліпшення їх експлуатаційних характеристик. Технологія створення напружень дозволяє збільшити рухливість як електронів, так і дірок і підвищує швидкість перемикання транзисторів.
Останнє революційне вдосконалення структури польових транзисторів стосується кардинальної зміни їх геометрії - транзистори з плоских перетворилися в тривимірні.
Розробка тривимірної конструкції транзисторів почалася ще в 2002 році. У вересні 2002-го компанія Intel оголосила про розробку тривимірної конструкції транзистора з потрійним затвором (Tri-gate), яка забезпечує більш ефективний витрата енергії в порівнянні з традиційними планарнимі транзисторами.
В основі тривимірного транзистора з потрійним затвором лежить тривимірна структура, схожа на підняту горизонтальну площину з вертикальними стінками.
Така структура дозволяє посилати електричні сигнали як по «даху» транзистора, так і по обидва його «стін». Фактично виходить ніби не один затвор, як в планарії структурі, а відразу три (дві стінки і кришка). Звідси і назва - «потрійний затвор» (Tri-gate).
Завдяки подібній схемі розподілу струму ефективно збільшується площа, доступна для проходження струму, а отже, знижується його щільність і разом з нею - струм витоку. Потрійний затвор будується на ультратонкому шарі повністю збідненого кремнію, що забезпечує ще більше зниження струму витоку і дозволяє транзистору швидше включатися і вимикатися при значному зниженні енергоспоживання.
Особливістю цієї конструкції також є підняті витік і стік - в результаті знижується опір, що дозволяє транзистору працювати при струмі меншої потужності.
Незважаючи на той факт, що розробка тривимірної конструкції транзисторів почалася ще в 2002 році, їх використання у виробництві процесорів стало можливо лише через майже 10 років, тобто при переході на 22-нм техпроцес виробництва.
Тривимірні транзистори Tri-Gate, виготовлені на базі 22-нм техпроцесу і працюють на низькій напрузі, забезпечують до 37% вищу продуктивність в порівнянні зі звичайними транзисторами, виготовленими на базі 32-нм технології. Процесори з новими транзисторами можуть споживати менше половини потужності, ніж 32-нм чіпи з двовимірної структурою, зберігаючи той же рівень продуктивності.
Відзначимо також, що компанія Intel першої стала застосовувати тривимірні транзистори при виробництві мікросхем. Всі інші компанії, що займаються виробництвом мікросхем, зможуть налагодити виробництво тривимірних транзисторів не раніше ніж через чотири роки.
Отже, одне з головних нововведень в 22-нм процесорах Ivy Bridge - використання більш продуктивних і енергоефективних тривимірних Tri-Gate-транзисторів. Однак це не єдина відмінність 22-нм процесорів Ivy Bridge від 32-нм процесорів Sandy Bridge.
Що стосується обчислювального ядра процесора Ivy Bridge, то вона не зазнала архітектурних змін в порівнянні з обчислювальним ядром Sandy Bridge. А ось інтегроване графічне ядро з підтримкою DirectX 11, яке має кодову назву Carlow, дійсно, є одним з головних нововведень в мікроархітектурі Ivy Bridge.
За заявою компанії Intel, графічне ядро в процесорах Ivy Bridge буде на 60% продуктивніше графічного ядра в процесорах Sandy Bridge.
Крім підтримки DirectX 11 в графічному ядрі Carlow буде реалізована підтримка OpenGL 3.1 і OpenCL 1.1, тобто графічне ядро Intel буде здатне виробляти обчислення засобами шейдерних процесорів.
Нагадаємо, що в процесорі Sandy Bridge графічне ядро містить (в залежності від моделі процесора) шість або 12 виконавчих блоків (Execution Unit, EU), кожен з яких має по одному текстурних блоків. У графічному ядрі Ivy Bridge максимальне число виконавчих блоків збільшено до 16, причому на кожен виконавчий блок доводиться вже по два текстурних блоки.
В графічне ядро Ivy Bridge також додані блоки для апаратної тесселяції і підтримка Shader Array (що, власне, і дозволило добитися сумісності з Shader Model 5.0 і DirectX 11).
Цікаво відзначити, що тактова частота графічного ядра процесора Ivy Bridge нижче, ніж частота графічного ядра процесора Sandy Bridge, що дозволяє зменшити енергоспоживання. В результаті за таким показником, як продуктивність на ват, графічне ядро Carlow вдвічі перевершує ядро HD 2000/3000 в процесорі Sandy Bridge. Відзначимо, що буде дві реалізації графічного ядра Carlow - HD 4000 і HD 2500, які відрізняються один від одного числом функціональних блоків.
Зміни торкнулися також технології Intel Quick Sync. Перш за все, виробник обіцяє дворазове збільшення швидкості перекодування HD-відео із застосуванням спеціалізованих процесорних блоків. Крім того, заявлено поліпшення якості кодування і додавання можливості застосування до перекодіруемий відеопотоку фільтрів типу поліпшення колірної гами або контрастності.
Потужності апаратного відеодекодера буде досить для одночасного відтворення не менше 16 HD-відео потоків. Ще одне нововведення в процесорах Ivy Bridge - це конфігурується TDP.
Нагадаємо, що TDP є однією з найважливіших характеристик процесорів Intel. Зокрема, значення TDP визначає і максимальне енергоспоживання процесора, і необхідну ефективність системи охолодження. До значенням TDP прив'язується також можливість підвищення тактової частоти ядер процесора в режимі Turbo Boost (тобто тактова частота може підвищуватися, тільки якщо не перевищено значення TDP або це перевищення короткочасне).
У процесорах Ivy Bridge визначено не одне, а три значення TDP: мінімальне, номінальне і турбо. Тобто при достатньому теплоотводе TDP процесора може бути підвищено і відповідно збільшиться його тактова частота в режимі Turbo Boost. Якщо ж потрібно максимально знизити енергоспоживання, то TDP можна зменшити.
Зрозуміло, що технологія конфигурируемого TDP спрямована перш за все на мобільні процесори. Так, якщо ноутбук харчується від мережі і забезпечується достатнє охолодження процесора, то TDP можна підвищити. Якщо ж ноутбук працює в автономному режимі, то з метою збільшення часу автономної роботи TDP процесора бажано знизити.
Важливо відзначити, що технологія конфигурируемого TDP не замінює собою технологію Intel Speed Step або вибір схеми енергоспоживання процесора в налаштуваннях операційної системи. Вона лише доповнює все ті технології, які вже є.
Істотні удосконалення були зроблені і в плані розгону процесорів Ivy Bridge. Нагадаємо, що в процесорах Sandy Bridge з розблокованим коефіцієнтом множення (процесори К-серії) максимальний коефіцієнт множення дорівнював 57. Тобто навіть теоретично процесори Sandy Bridge не можна було розігнати вище частоти 5,7 ГГц (процесори Sandy Bridge практично неможливо розігнати за рахунок підвищення частоти системної шини). У процесорах Ivy Bridge максимальний коефіцієнт множення підвищений до значення 63, тобто шляхом зміни коефіцієнта множення процесор теоретично можна буде розігнати до частоти 6,3 ГГц.
Ще одне нововведення серед розгінних здібностей процесора Ivy Bridge - це можливість зміни коефіцієнта множення без необхідності перезавантаження системи.
Наступне нововведення в процесорі Ivy Bridge - це наявність апаратного генератора випадкових чисел (Digital Random Number Generator, DRNG), який знаходить застосування в криптографічних завданнях. Взагалі в процесорах вже давно використовуються генератори випадкових чисел. Однак до сих пір мова йшла про псевдовипадкових генераторах, які працюють відповідно до визначеного математичним алгоритмом. У процесорі Ivy Bridge використовується реальний (НЕ псевдовипадковий) генератор випадкових чисел, в основі якого лежить електронна схема з невизначеним станом, що дозволяє генерувати потік випадкових символів в 16-, 32- або 64-бітному форматі зі швидкістю 2 або 3 Гбіт / с.
До нововведень також можна віднести режим Supervisory Mode Execute Protection (SMEP), що представляє собою реалізацію технології захисту від підвищення рівня привілеїв. Дана технологія контролює рівень привілеїв виконуваного коду, який розміщений в адресному просторі, виділеному для роботи програмами (Applications). Фактично на апаратному рівні блокується класична атака, націлена на підвищення рівня привілеїв і необхідна для отримання доступу до системних ресурсів.
Модельний ряд процесорів Ivy Bridge
Компанія Intel cобірается випустити досить значний ряд процесорів Ivy Bridge, який буде представлений родинами Intel Core i7, Core i5 і Core i3 ( табл. 1 ). Ці процесори будуть відрізнятися тактовою частотою, версією графічного ядра (HD 4000 або HD 2500), кількістю ядер (чотири або два), підтримкою технології Hyper-Threading, розміром кеша L3 і TDP. Всі процесори Ivy Bridge для настільних ПК мають процесорний роз'єм LGA 1155 і сумісні з платами на базі чіпсетів Intel 7-ї серії, а в деяких випадках і з платами на базі чіпсетів Intel 6-ї серії.
Всі процесори сімейства Intel Core i7 є чотирьохядерними і підтримують технологію Hyper-Threading. Розмір кешу L3 для них становить 8 Мбайт, вони мають інтегроване графічне ядро HD 4000 з базовою тактовою частотою 650 МГц, яка в режимі Turbo може підвищуватися до 1150 МГц.
Процесор Intel Core i7-3770K - це топова модель в сімействі Intel Core i7. Він відрізняється тим, що має розблокований коефіцієнт множення (на це вказує буква «K») і орієнтований на любителів екстремального розгону. При цьому його TDP становить всього 77 Вт.
Взагалі, якщо в назві процесора фігурує буква «K», то це означає, що він має розблокований коефіцієнт множення. Відсутність букви - це базова модель процесора. Для базових моделей і процесорів K-серій сімейств Intel Core i7 і Core i5 TDP становить 77 Вт. Ну а для базових моделей процесорів сімейства Intel Core i3 TDP одно 55 Вт.
Наявність літери «S» означає, що рівень TDP становить 65 Вт, а літери «T» - що TDP дорівнює 45 Вт для чотириядерних процесорів і 35 Вт для двоядерних.
Відмітною ознакою процесорів сімейства Intel Core i5 можна вважати наявність чотирьох логічних ядер. Тобто це можуть бути чотириядерні процесори без підтримки технології Hyper-Threading або двоядерні процесори з підтримкою технології Hyper-Threading. Якщо точніше, то все, за винятком одного, процесори сімейства Intel Core i5 є чотирьохядерними, але не підтримують технологію Hyper-Threading. Розмір кешу L3 для цих процесорів становить 6 Мбайт. І тільки одна модель в сімействі Intel Core i5 є двоядерний. Йдеться про процесор Core i5-3470T. Він підтримує технологію Hyper-Threading, а тому, як і всі інші процесори сімейства Intel Core i5, розпізнається операційною системою як чотирьохядерний (чотири логічних ядра).
Всі процесори сімейства Intel Core i5 мають графічне ядро HD 2500 з базовою тактовою частотою 650 МГц і 1050 МГц в режимі Turbo. Виняток становлять лише процесори з номером, що закінчується на цифру «5» (наприклад, Intel Core i5-3475S). Це процесори з графічним ядром HD 4000.
До відмітних особливостей процесорів сімейства Intel Core i3 можна віднести, по-перше, та обставина, що всі вони двоядерні і не підтримують технологію Hyper-Threading, тобто з точки зору операційної системи є двоядерними, а по-друге, ці процесори не підтримують режим Turbo для обчислювальних ядер.
Якщо маркування процесора закінчується на цифру «0», то це означає, що в процесорі реалізовано графічне ядро HD 2500, а якщо на цифру «5» - графічне ядро HD 4000.
Чіпсеті Intel 7-ї серії
Для Нових процесорів Ivy Bridge прізначені и Нові чіпсеті Intel 7-ї серії. Як вже позначають, процесори Ivy Bridge сумісні з платами на базі чіпсетів Intel 7-ї серії, а в Деяк випадка и з платами на базі чіпсетів Intel 6-ї серії. Тобто можливо, что для роботи процесора Ivy Bridge на платі з чіпсетом Intel 6-ї серії буде нужно перепрошивка BIOS, а може буті, процесор Ivy Bridge ні при якіх обставинні НЕ запрацює на платі з чіпсетом Intel 6-ї серії. Одним словом, перш ніж ризикувати, потрібно ознайомитися зі списком підтримуваних платою моделей процесорів.
Відзначимо, що з процесорами Sandy Bridge спостерігається схожа ситуація. Вони можуть «завестися», а можуть, як показує наш досвід, і не «завестися» з платами на базі чіпсетів Intel 7-ї серії. Причому це не дивлячись на той факт, що формально все процесори Sandy Bridge повинні бути сумісні з платами на базі чіпсетів Intel 7-ї серії.
Однак повернемося до чипсетам Intel 7-ї серії. Власне, материнські плати на базі чіпсетів Intel 7-ї серії з'явилися в продажу ще до анонса процесора Ivy Bridge, що, в принципі, логічно, оскільки ці плати повністю сумісні і з процесорами Sandy Bridge. Виняток становить лише чіпсет Intel X79 Express, який був анонсований вже давно. Він також відноситься до 7-ї серії чіпсетів Intel, однак стоїть осібно, оскільки сумісний тільки з процесорами Sandy Bridge-E з роз'ємом LGA 2011. Відповідно ми не будемо розглядати його в цьому огляді. Всі інші чіпсети Intel 7-ї серії сумісні тільки з процесорами з роз'ємом LGA 1155.
Відмінною особливістю нових чіпсетів Intel 7-ї серії є підтримка портів USB 3.0 і SATA 6 Гбіт / с.
Найбільш масовим буде чіпсет для десктопних процесорів Intel Z77 Express, який орієнтований на продуктивні і масові ПК. Він підтримує процесорний графічне ядро, має вісім додаткових ліній PCI Express 2.0, підтримує десять портів USB 2.0 і чотири порти USB 3.0, а також чотири порти SATA 3 Гбіт / с і по два порти SATA 6 Гбіт / с. Крім того, чіпсет Intel Z77 підтримує технологію Intel Smart Response і дозволяє розганяти процесор. Цей чіпсет дає можливість реалізувати три варіанти конфігурації слотів PCI Express через 16 ліній PCI Express 3.0, підтримуваних процесором Ivy Bridge. Це може бути тільки один слот PCI Express 3.0, що функціонує в режимі x16, або два слоти PCI Express 3.0 х8, або один слот PCI Express 3.0 х8 і два слоти PCI Express 3.0 х4.
Чіпсет Intel Z75 має більш скромні можливості. Він також дозволяє розганяти процесор, однак не підтримує технологію Intel Smart Response. Крім того, цей чіпсет дозволяє реалізувати тільки два варіанти конфігурації слотів PCI Express. Це може бути тільки один слот PCI Express 3.0, що функціонує в режимі x16, або два слоти PCI Express 3.0 х8.
Чіпсет Intel H77 є молодшою моделлю в цій лінійці і орієнтований на бюджетні материнські плати. Він підтримує технологію Intel Smart Response, однак не дає можливості розганяти процесор. Крім того, він дозволяє згрупувати 16 ліній PCI Express 3.0, підтримуваних процесором Ivy Bridge, тільки в порт PCI Express 3.0 х16.
Відзначимо, що, крім чіпсета Intel Z77, топового в лінійці десктопних чіпсетів Intel 7-ї серії, компанія анонсувала чіпсети H77, Z75 і B75. Трохи пізніше будуть анонсовані чіпсети Q77 і Q75. Характеристики чіпсетів Intel 7-ї серії для процесорів з роз'ємом LGA 1155 наведені в табл. 2 .
КомпьютерПресс 05'2012