что значит coffee lake

Так-Так-Так и никакого Тика. Чем отличаются процессоры Intel Core разных поколений на основе одной архитектуры

С появлением процессоров Intel Core седьмого поколения многим стало понятно, что стратегия «Тик-так», которой Интел следовал всё это время, дала сбой. Обещание уменьшить технологический процесс с 14 до 10 нм так и осталось обещанием, началась долгая эпоха «Така» Skylake, во время которой случился Kaby Lake (седьмое поколение), внезапный Coffee Lake (восьмое) с незначительным изменением техпроцесса с 14 нм до 14 нм+ и даже Coffee Lake Refresh (девятое). Кажется, Интелу и правда нужен был небольшой перерыв на кофе. В итоге мы имеем несколько процессоров разных поколений, которые созданы на основе одной микроархитектуры Skylake, с одной стороны. И уверения Интела о том, что каждый новый процессор — лучше прежнего, с другой. Правда, не очень понятно, чем именно…

Поэтому вернёмся к нашим поколениям. И посмотрим, чем же они отличаются.

Kaby Lake

Появление процессоров в рознице состоялось в начале 2017 года. Что же нового у этого семейства относительно его предшественника? Прежде всего, это новое графическое ядро — Intel UHD 630. Плюс поддержка технологии памяти Intel Optane (3D Xpoint), а также новый чипсет 200-ой серии (6-ое поколение работало с 100-ой серией). И на этом из действительно интересных новшеств всё.

8-ое поколение с кодовым названием Coffee Lake было выпущено в конце 2017 года. В процессорах этого поколения добавили ядер и пропорционально кэша третьего уровня, подняли Turbo Boost на 200 мегагерц, добавили поддержку DDR4-2666 (до этого было DDR4-2400), но отрезали поддержку DDR3. Графическое ядро осталось прежним, но ему накинули 50 MHz. За все повышения частот пришлось расплатиться увеличением теплопакета до 95 ватт. Ну и, конечно, новый чипсет 300-ой серии. Последнее было совсем не обязательно, так как достаточно скоро специалисты смогли запустить это семейство на чипсетах 100-ой серии, хотя представители Интел заявляли, что это невозможно из-за особенностей построения цепей питания. Позднее, правда, Интел официально признал, что был не прав. Так что же нового в 8-ом семействе? По факту больше похоже на обычный рефреш с добавлением ядер и частот.

Coffee Lake Refresh

Ха! А вот нам и рефреш! В четвёртом квартале 2018 года были выпущены процессоры Coffee Lake 9-го поколения, оснащённые аппаратными средствами защиты от некоторых уязвимостей Meltdown/Spectre. Аппаратные изменения, внесённые в новые чипы, защищают от Meltdown V3 и L1 Terminal Fault (L1TF Foreshadow). Изменения в программном обеспечении и микрокоде защищают от атак Spectre V2, Meltdown V3a и V4. Защита от Spectre V1 по-прежнему будет осуществляться исправлениями на уровне операционной системы. Появление исправлений на уровне кристалла должно уменьшить влияние программных патчей на производительность процессоров. Но всю эту радость с защитами Интел реализовала только в процессорах для массового сегмента рынка: i5-9600k, i7-9700k, i9-9900k. Всем остальным, включая серверные решения, аппаратных защит не отсыпали. Впервые в истории потребительских процессоров Intel процессоры Coffee Lake Refresh поддерживают до 128 ГБ оперативной памяти. И всё, больше никаких изменений.

Что мы имеем в сухом остатке? Два года рефрешей, игры с ядрами и частотами, плюс набор мелких улучшений. Очень хотелось объективно оценить и сравнить производительность основных представителей этих семейств. Поэтому, когда у меня под рукой оказался комплект от седьмого до девятого поколения — к нашим i7-7700 и i7-7700k недавно добавились свежие i7-8700, i7-9700k и i9-9900k, я воспользовался ситуацией и заставил пять разных процессоров Intel Core показать, на что они способны.

В тестировании участвуют пять процессоров Intel: i7-7700, i7-7700k, i7-8700, i7-9700k, i9-9900k.

Тактико-технические характеристики платформ

Процессоры Intel i7-8700, i7-9700k и i9-9900k имеют одинаковую базовую конфигурацию:

Программная часть: ОС CentOS Linux 7 x86_64 (7.6.1810).
Ядро: 3.10.0-957.1.3.el7.x86_64
Внесённые оптимизации относительно штатной установки: добавлены опции запуска ядра elevator=noop selinux=0.

Тестирование производится со всеми патчами от атак Spectre, Meltdown и Foreshadow, бэкпортированными в данное ядро. Не исключено, что результаты тестирования на более новых и актуальных ядрах Linux могут отличаться от полученных, а показатели будут лучше. Но, во-первых, лично мне CentOS 7 милее, а, во-вторых, RedHat активно занимается бэкпортированием новшеств, связанных с поддержкой оборудования, из новых ядер в своё, LTS. На то и надеюсь 🙂

Тесты, которые использовал для исследования

Sysbench — пакет тестов (или бенчмарков) для оценки производительности разных подсистем компьютера: процессор, оперативная память, накопители данных. Тест многопоточный, на все ядра. В этом тесте я замерял два показателя:

Пакет тестов, проводимых в однопоточном и многопоточном режиме. В результате выдаётся некий индекс производительности для обоих режимов. Ниже есть ссылки на результаты тестов. В этом тесте мы рассмотрим два основных показателя:
— Single-Core Score — однопоточные тесты.
— Multi-Core Score — многопоточные тесты.
Единицы измерения: абстрактные «попугаи». Чем больше «попугаев», тем лучше.

Тест Phoronix Test Suite

Phoronix Test Suite — очень богатый набор тестов. Несмотря на то, что были проведены все тесты из пакета pts/cpu, приведу результаты только тех из них, которые лично мне показались особенно интересными, тем более, что результаты упущенных тестов только подкрепляют общую тенденцию.

Почти все представленные тут тесты — многопоточные. Исключение составляют лишь два из них: однопоточные тесты Himeno и LAME MP3 Encoding.

В этих тестах чем показатель больше, тем лучше

Синтетический тест, в отличие от теста, который проводится в условиях, приближенных к реальности, способен обеспечить определённую чистоту эксперимента. Собственно, поэтому выбор и пал на синтетику.

Не исключено, что при решении частных задач в боевых условиях вы сможете получить крайне интересные и неожиданные результаты, но всё же «общая температура по больнице» будет максимально приближена к тому, что получилось у меня по результатам тестов. Так же не исключено, что при отключении защиты от Spectre/Meltdown при тестировании процессоров 9-ого поколения, я мог бы получить более высокие результаты. Но, забегая вперед, скажу — они и так отлично себя показали.

Спойлер: балом будут править ядра, потоки и частоты.

Ещё до тестирования я внимательно изучил архитектуру семейств этих процессоров, поэтому ожидал, что существенных отличий между подопытными не обнаружится. Причём, не столько существенных, сколько экстраординарных: зачем ждать интересных показателей в тестах, если проводишь измерения на процессорах, построенных, в сущности, на одном ядре. Мои ожидания оправдались, но кое-что всё же оказалось не совсем так, как я думал…

А теперь, собственно, результаты тестов.

Результат вполне закономерный: у кого больше потоков и выше частота, того и баллы. Соответственно, i7-8700 и i9-9900k впереди. Разрыв между i7-7700 и i7-7700k 10% в однопоточном и многопоточном тесте. Отставание i7-7700 от i7-8700 на 38% и от i9-9900k на 49%, то есть почти в 2 раза, но при этом отставание от i7-9700k всего 15%.

Ссылки на результаты тестов:

Результаты тестов из пакета Тhe Phoronix Test Suite

В тесте John The Ripper разница между братьями-двойняшками i7-7700 и i7-7700k в 10% в пользу «k», за счёт разницы в Турбобусте. У процессоров i7-8700 и i7-9700k разница весьма незначительная. i9-9900k обгоняет всех за счёт большего числа потоков и большей тактовой частоты. Двойняшек почти в 2 раза.

Результат теста C-Ray мне кажется самым интересным. Наличие технологии Hyper-Treading у i9-9900k в этом многопоточном тесте даёт лишь незначительный прирост относительно i7-9700k. А вот двойняшки отстали от лидера почти в 2 раза.

В однопоточном тесте Himeno разница не настолько велика. Ощутимый отрыв 8-ого и 9-ого поколения от двойняшек: i9-9900k обгоняет их на 18% и 15% соответственно. Разница же между i7-8700 и i7-9700k на уровне погрешности.

Тест на компрессию 7zip двойняшки проходят на 44-48% хуже, чем лидер i9-9900k. За счёт большего количества потоков i7-8700 обгоняет i7-9700k на 9%. Но этого не хватает, чтобы обогнать i9-9900k, поэтому наблюдаем отставание почти на 18%.

Тест на время сжатия алгоритмом BZIP2 показывает аналогичные результаты: выигрывают потоки.

Кодирование mp3 — «лестница» с максимальным отрывом в 19,5%. А вот в тесте ffmpeg i9-9900k проигрывает i7-8700 и i7-9700k, но обходит двойняшек. Несколько раз переделал этот тест для i9-9900k, но результат всегда одинаковый. Вот это уже неожиданно 🙂 В многопоточном тесте самый многопоточный из тестируемых процессоров показал такой невысокий результат, ниже чем у 9700k и 8700. Чётких объяснений сему явлению нет, а предположений делать не хочется.

Тест openssl показывает «лестницу» с разрывом между второй и третьей ступенью. Разница между двойняшками и лидером i9-9900k от 42% до 47%. Разрыв же между i7-8700 и i9-9900k 14%. Главное, потоки и частоты.

В тесте Apache i7-9700k обошёл всех, включая i9-9900k (6%). Но в общих чертах разница не существенная, хотя между худшим результатом i7-7700 и лучшим у i7-9700k отрыв в 24%.

В целом, в большинстве тестов лидирует i9-9900k, провал только на ffmpeg. Соберетесь работать с видео, возьмите лучше i7-9700k или i7-8700. На втором месте в общем зачёте i7-9700k, он незначительно отстаёт от лидера, а в тестах ffmpeg и apache даже опережает. Так что его и i9-9900k смело советую тем, у кого регулярно случаются большие наплывы пользователей на сайт. Процессоры подвести не должны. Про видео я уже сказал.

У i7-8700 хорошие показатели по тестам Sysbench, 7zip и ffmpeg.
Во всех тестах i7-7700k лучше i7-7700 от 2% до 14%, в тесте ffmpeg 16%.
Напомню, что никаких оптимизации, кроме указанных в начале, я не делал, а это значит, что при установке чистой системы на свежекупленном у нас дедике, вы получите точно такие же результаты.

Ядра, потоки, частоты — наше всё

В целом, результаты были предсказуемы и ожидаемы. Практически во всех тестах появляется «лестница в небо», демонстрирующая зависимость производительности от количества ядер, потоков и частот: больше вот этого всего — лучше результаты.

Поскольку все испытуемые фактически являются рефрешами одного и того же ядра на одном техпроцессе и не имеют каких-либо фундаментальных архитектурных различий, мы не смогли получить «ошеломляющих» доказательств того, что процессоры качественно отличаются друг от друга.

Разница между процессорами i7-9700k и i9-9900k во всех тестах, кроме Sysbench, стремится к нулю, так как по сути отличаются они лишь наличием технологии Hyper-Threading и сотней дополнительных мегагерц в режиме Turbo Boost у i9-9900k. В тесте же Sysbench как раз наоборот: решает не количество ядер, а количество потоков.
Очень большой разрыв в многопоточных тестах между i7-7700(k) и i9-9900k, местами аж в два раза. Также есть разница между i7-7700 и i7-7700k — лишние 300 MHz добавляют прыткости последнему.

Также не могу говорить о качественном влиянии объёма кэш-памяти на результаты тестов — имеем, что имеем. Тем более, включённая защита семейства Spectre/Meltdown должна изрядно уменьшать влияние его объёма на результаты теста, но это не точно. Если уважаемый читатель потребует «хлеба и зрелищ» от нашего отдела маркетинга, я с удовольствием выкачу вам тестирование с отключенной защитой.

Собственно, если бы меня спросили: а какой процессор ты сам выберешь? — я бы для начала посчитал деньги в кармане, и выбрал тот, на который хватает. Если коротко, то из точки в А в точку Б можно доехать и на «Жигулях», но на «Мерседесе» всё же быстрее и приятней. Процессоры, в основе которых лежит одна архитектура, так или иначе будут справляться с одинаковым спектром задач — кто-то просто хорошо, а кто-то отлично. Да, как показало тестирование, глобальных отличий между ними нет. Но разрыв между i7 и i9 от этого никуда не делся.

При выборе процессора для некоторых частных узкоспециализированных задач, как работа с mp3, компиляция из исходников или рендеринг трёхмерных сцен с обработкой света, имеет смысл ориентироваться на показатели соответствующих тестов. Например, дизайнерам можно сразу смотреть на i7-9700k и i9-9900k, а под сложные вычисления брать процессор с технологией Hyper-Threading, то есть любой, кроме i7-9700k. Тут рулят потоки.

Так что советую выбирать то, что можете себе позволить с учётом спецификации, и будет вам счастье.

В тестировании использовались серверы на базе процессоров i7-7700, i7-7700k, i7-8700k, i7-9700k и i9-9900k с 1dedic.ru. Любой из них можно заказать со скидкой 5% на 3 месяца — обратитесь в отдел продаж с кодовой фразой «Я с Хабра». При оплате за год минус ещё 10%.

Весь вечер на арене Trashwind, системный администратор FirstDEDIC

Источник

От Sandy Bridge до Coffee Lake: сравниваем семь поколений Intel Core i7

Практически всегда под любой публикацией, в которой так или иначе затрагивается тема производительности современных интеловских процессоров, рано или поздно появляется несколько сердитых читательских комментариев о том, что прогресс в развитии чипов у Intel давно забуксовал и нет смысла переходить со «старого доброго Core i7-2600K» на что-то новое. В таких репликах, скорее всего, будет раздражённо упоминаться про прирост производительности на неосязаемом уровне «не более пяти процентов в год»; про низкокачественный внутренний термоинтерфейс, который непоправимо испортил современные процессоры Intel; либо про то, что покупать в современных условиях процессоры с таким же, как и несколько лет назад, количеством вычислительных ядер вообще – удел недальновидных дилетантов, так как в них нет необходимого задела на будущее.

В том, что все такие реплики не лишены оснований, сомнений нет. Однако очень похоже, что они многократно преувеличивают имеющиеся проблемы. Лаборатория 3DNews подробно тестирует интеловские процессоры с 2000 года, и мы не можем согласиться с тезисом, что какому бы то ни было их развитию пришёл конец, а происходящее с микропроцессорным гигантом в течение последних лет иначе как стагнацией уже и не назовёшь. Да, какие-то кардинальные перемены с процессорами Intel происходят редко, но тем не менее они продолжают планомерно совершенствоваться. Поэтому те чипы серии Core i7, которые можно купить сегодня, заведомо лучше моделей, предлагавшихся несколько лет тому назад.

Собственно, этот материал как раз и является контраргументом для рассуждений о никчёмности выбранной Intel стратегии постепенного развития потребительских CPU. Мы решили собрать в одном тесте старшие интеловские процессоры для массовых платформ за последние семь лет и посмотреть на практике, насколько представители серий Kaby Lake и Coffee Lake ушли вперёд относительно «эталонных» Sandy Bridge, которые за годы гипотетических сравнений и мысленных противопоставлений в представлении обывателей стали настоящей иконой процессоростроения.

⇡#Что поменялось в процессорах Intel c 2011 года по настоящее время

Отправной точкой в новейшей истории развития процессоров Intel принято считать микроархитектуру Sandy Bridge. И это неспроста. Несмотря на то, что первое поколение процессоров под маркой Core было выпущено в 2008 году на базе микроархитектуры Nehalem, почти все основные черты, которые присущи современным массовым CPU микропроцессорного гиганта, вошли в обиход не тогда, а парой лет позднее, когда распространение получило следующее поколение процессорного дизайна, Sandy Bridge.

Сейчас компания Intel приучила нас к откровенно неторопливому прогрессу в разработке микроархитектуры, когда нововведений стало очень мало и они почти не приводят к росту удельной производительности процессорных ядер. Но всего лишь семь лет назад ситуация была кардинально иной. В частности, переход от Nehalem к Sandy Bridge был ознаменован 15-20-процентным ростом показателя IPC (числа исполняемых за такт инструкций), что обуславливалось глубокой переделкой логической конструкции ядер с прицелом на повышение их эффективности.

В Sandy Bridge были заложены многие принципы, которые с тех пор не менялись и стали стандартными для большинства процессоров сегодняшнего дня. Например, именно там появился отдельный кеш нулевого уровня для декодированных микроопераций, а также стал применяться физический регистровый файл, снижающий энергозатраты при работе алгоритмов внеочередного выполнения инструкций.

Но, пожалуй, самым главным нововведением стало то, что Sandy Bridge был спроектирован как унифицированная система-на-чипе, рассчитанная одновременно на все классы применений: на серверные, десктопные и мобильные. Скорее всего, в прадедушки современных Coffee Lake общественное мнение поставило именно его, а не какой-нибудь Nehalem и уж тем более не Penryn, именно из-за этой особенности. Впрочем, и итоговая сумма всех переделок в глубинах микроархитектуры Sandy Bridge тоже оказалась весьма значительной. В конечном итоге этот дизайн утратил все старые родственные связи с P6 (Pentium Pro), которые то здесь, то там проявлялись во всех предшествующих процессорах Intel.

Говоря об общей структуре, нельзя также не вспомнить и о том, что в процессорный кристалл Sandy Bridge впервые в истории интеловских CPU было встроено полноценное графическое ядро. Этот блок отправился внутрь процессора вслед за контроллером DDR3-памяти, разделяемым L3-кешем и контроллером шины PCI Express. Для соединения вычислительных ядер и всех остальных «внеядерных» частей инженеры Intel внедрили в Sandy Bridge новую на тот момент масштабируемую кольцевую шину, применяемую для организации взаимодействия между структурными единицами в последующих массовых CPU и по сей день.

Если же опуститься на уровень микроархитектуры Sandy Bridge, то одной из ключевых её особенностей стала поддержка семейства SIMD-инструкций, AVX, предназначенных для работы с 256-битными векторами. К настоящему моменту такие инструкции прочно вошли в обиход и не кажутся чем-то необычным, но их реализация в Sandy Bridge потребовала расширения части вычислительных исполнительных устройств. Инженеры Intel стремились сделать работу с 256-битными данными такой же быстрой, как и с векторами меньшей разрядности. Поэтому вместе с реализацией полноценных 256-битных исполнительных устройств потребовалось и увеличение скорости работы процессора с памятью. Логические исполнительные устройства, предназначенные для загрузки и сохранения данных, в Sandy Bridge получили удвоенную производительность, кроме того, симметрично была увеличена пропускная способность кеш-памяти первого уровня при чтении.

Микроархитектура Sandy Bridge

Нельзя не упомянуть и о сделанных в Sandy Bridge кардинальных изменениях в работе блока предсказания ветвлений. Благодаря оптимизациям в применяемых алгоритмах и увеличению размеров буферов, архитектура Sandy Bridge позволила сократить процент неверных предсказаний переходов почти вдвое, что не только заметно сказалось на производительности, но и позволило дополнительно снизить энергопотребление этого дизайна.

В конечном итоге с сегодняшних позиций процессоры Sandy Bridge можно было бы назвать образцово-показательным воплощением фазы «так» в интеловском принципе «тик-так». Как и предшественники, данные процессоры продолжили базироваться на техпроцессе с 32-нм нормами, но предложенный ими рост производительности оказался более чем убедителен. И подпитывала его не только обновлённая микроархитектура, но и увеличенные на 10-15 процентов тактовые частоты, а также внедрение более агрессивной версии технологии Turbo Boost 2.0. Если учесть всё это, хорошо понятно, почему многие энтузиасты до сих пор вспоминают Sandy Bridge самыми тёплыми словами.

Старшим предложением в семействе Core i7 на момент выхода микроархитектуры Sandy Bridge стал Core i7-2600K. Этот процессор получил тактовую частоту на уровне 3,3 ГГц с возможностью авторазгона при неполной нагрузке до 3,8 ГГц. Впрочем, отличали 32-нм представителей Sandy Bridge не только сравнительно высокие для того времени тактовые частоты, но и хороший разгонный потенциал. Среди Core i7-2600K нередко можно было встретить экземпляры, способные работать на частотах 4,8-5,0 ГГц, что во многом обуславливалось применением в них качественного внутреннего термоинтерфейса – бесфлюсового припоя.

Через девять месяцев после выпуска Core i7-2600K, в октябре 2011 года, компания Intel обновила старшее предложение в модельном ряду и предложила немного ускоренную модель Core i7-2700K, номинальная частота которой была доведена до 3,5 ГГц, а максимальная частота в турборежиме – до 3,9 ГГц.

Впрочем, жизненный цикл Core i7-2700K оказался коротким – уже в апреле 2012 года на смену Sandy Bridge пришёл обновлённый дизайн Ivy Bridge. Ничего особенного: Ivy Bridge относился к фазе «тик», то есть представлял собой перевод старой микроархитектуры на новые полупроводниковые рельсы. И в этом отношении прогресс действительно был серьёзным – кристаллы Ivy Bridge производились по 22-нм технологическому процессу, основанному на трёхмерных FinFET-транзисторах, которые в то время только входили в употребление.

При этом старая микроархитектура Sandy Bridge на низком уровне осталась практически нетронута. Были выполнены лишь отдельные косметические переделки, которые ускорили выполнение в Ivy Bridge операций деления и немного повысили эффективность технологии Hyper-Threading. Правда, попутно были несколько улучшены «внеядерные» компоненты. Контроллер PCI Express получил совместимость с третьей версией протокола, а контроллер памяти увеличил свои возможности и стал поддерживать скоростную оверклокерскую DDR3-память. Но в итоге рост удельной производительности при переходе от Sandy Bridge к Ivy Bridge составил не более 3-5 процентов.

Не дал серьёзных причин для радости и новый технологический процесс. К сожалению, внедрение 22-нм норм не позволило как-то принципиально нарастить тактовые частоты Ivy Bridge. Старшая версия Core i7-3770K получила номинальную частоту 3,5 ГГц с возможностью разгона в турборежиме до 3,9 ГГц, то есть с точки зрения частотной формулы она оказалась ничуть не быстрее Core i7-2700K. Улучшилась лишь энергоэффективность, однако пользователей настольных компьютеров этот аспект традиционно волнует слабо.

Всё это, конечно, вполне можно списать на то, что на этапе «тик» никаких прорывов происходить и не должно, но кое в чём Ivy Bridge оказались даже хуже предшественников. Речь – о разгоне. При выводе на рынок носителей этого дизайна Intel приняла решение отказаться от использования при финальной сборке процессоров бесфлюсовой пайки галлиевым припоем теплораспределительной крышки к полупроводниковому кристаллу. Начиная с Ivy Bridge для организации внутреннего термоинтерфейса стала использоваться банальная термопаста, и это сразу же ударило по максимально достижимым частотам. По разгонному потенциалу Ivy Bridge определённо стали хуже, и в результате переход от Sandy Bridge к Ivy Bridge стал одним из самых спорных моментов в новейшей истории потребительских процессоров Intel.

Поэтому на следующий этап эволюции, Haswell, возлагались особенные надежды. В этом поколении, относящемся к фазе «так», должны были появиться серьёзные микроархитектурные улучшения, от которых ожидалась способность как минимум продвинуть вперёд забуксовавший было прогресс. И в какой-то степени это произошло. Появившиеся летом 2013 года процессоры Core четвёртого поколения действительно приобрели заметные улучшения во внутренней структуре.

Основное: теоретическая мощность исполнительных устройств Haswell, выражающаяся в количестве исполняемых за такт микроопераций, по сравнению с прошлыми CPU выросла на треть. В новой микроархитектуре не только был проведён ребаланс имеющихся исполнительных устройств, но и появилось два дополнительных исполнительных порта для целочисленных операций, обслуживания ветвлений и генерации адресов. Кроме того, микроархитектура получила совместимость с расширенным набором векторных 256-битных инструкций AVX2, которые благодаря трёхоперандным FMA-командам увеличили пиковую пропускную способность архитектуры вдвое.

В дополнение к этому инженеры Intel пересмотрели ёмкость внутренних буферов и, где это было необходимо, увеличили их. Выросло в размере окно планировщика. Кроме того, были увеличены целочисленный и вещественночисленный физические регистровые файлы, что улучшило возможности процессора по переупорядочиванию порядка исполнения инструкций. В дополнение ко всему этому, существенно изменилась и подсистема кеш-памяти. L1- и L2-кеши в Haswell получили вдвое более широкую шину.

Казалось бы, перечисленных улучшений должно быть достаточно для того, чтобы заметно поднять удельную производительность новой микроархитектуры. Но как бы не так. Проблема дизайна Haswell состояла в том, что он оставил без изменений входную часть исполнительного конвейера и декодер x86-команд сохранил ту же производительность, что и раньше. То есть максимальный темп декодирования x86-кода в микроинструкции остался на уровне 4-5 команд за такт. И в результате при сопоставлении Haswell и Ivy Bridge на одинаковой частоте и при нагрузке, не использующей новые AVX2-инструкции, выигрыш в производительности оказался всего лишь на уровне 5-10 процентов.

Имидж микроархитектуры Haswell подпортила и первая волна процессоров, выпущенная на её основе. Опираясь на всё тот же 22-нм техпроцесс, что и Ivy Bridge, новинки не смогли предложить высокие частоты. Например, старший Core i7-4770K вновь получил базовую частоту 3,5 ГГц и максимальную частоту в турборежиме на уровне 3,9 ГГц, то есть по сравнению с прошлыми поколениями Core никакого продвижения не наметилось.

В то же время с внедрением следующего технологического процесса с 14-нм нормами у Intel стали возникать разного рода трудности, поэтому через год, летом 2014 года, на рынок было выведено не следующее поколение процессоров Core, а вторая очередь Haswell, которая получила кодовые имена Haswell Refresh, или, если говорить о флагманских модификациях, то Devil’s Canyon. В рамках этого обновления Intel смогла заметно увеличить тактовые частоты 22-нм CPU, что действительно вдохнуло в них новую жизнь. В качестве примера можно привести новый старший процессор Core i7-4790K, который по номинальной частоте взял отметку в 4,0 ГГц и получил максимальную частоту с учётом турборежима на уровне 4,4 ГГц. Удивительно, что подобное полугигагерцевое ускорение было достигнуто без каких-либо реформ техпроцесса, а лишь за счёт простых косметических изменений в схеме питания процессоров и благодаря улучшению теплопроводящих свойств термопасты, используемой под крышкой CPU.

Впрочем, даже представители семейства Devil’s Canyon особенно жалуемыми в среде энтузиастов предложениями стать не смогли. На фоне результатов Sandy Bridge их разгон нельзя было назвать выдающимся, к тому же достижение высоких частот требовало сложного «скальпирования» – демонтажа процессорной крышки с последующей заменой штатного термоинтерфейса каким-либо материалом с лучшей теплопроводностью.

Из-за сложностей, которые преследовали Intel при переводе массового производства на 14-нм нормы, выступление следующего, пятого по счёту поколения процессоров Core, Broadwell, получилось сильно скомканным. Компания долго не могла решить, стоит ли вообще выпускать на рынок десктопные процессоры с этим дизайном, поскольку при попытках изготовления крупных полупроводниковых кристаллов уровень брака превышал приемлемые значения. В конечном итоге предназначенные для настольных компьютеров четырёхъядерники Broadwell всё-таки появились, но, во-первых, произошло это лишь летом 2015 года – с девятимесячным опозданием относительно изначально запланированного срока, а во-вторых, уже через два месяца после их анонса Intel представила дизайн следующего поколения, Skylake.

Тем не менее с точки зрения развития микроархитектуры Broadwell трудно назвать вторичной разработкой. И даже более того, в настольных процессорах этого поколения применялись такие решения, к которым ни до того, ни после того Intel никогда не прибегала. Уникальность десктопных Broadwell определялась тем, что в них проникло производительное интегрированное графическое ядро Iris Pro уровня GT3e. И это значит не только то, что процессоры этого семейства обладали самым мощным на тот момент встроенным видеоядром, но и также то, что они комплектовались дополнительным 22-нм кристаллом Crystall Well, представляющим собой основанную на eDRAM кеш-память четвёртого уровня.

Смысл добавления в процессор отдельного чипа быстрой встроенной памяти вполне очевиден и обусловлен потребностями производительного встроенного графического ядра в фрейм-буфере с низкой латентностью и высокой пропускной способностью. Однако установленная в Broadwell память eDRAM архитектурно была выполнена именно как виктимный кеш, и ей могли пользоваться и вычислительные ядра CPU. В результате десктопные Broadwell стали единственными в своём роде массовыми процессорами с 128 Мбайт L4-кеша. Правда, при этом несколько пострадал объём расположенного в процессорном кристалле L3-кеша, который был сокращён с 8 до 6 Мбайт.

Некоторые улучшения были заложены и в базовой микроархитектуре. Несмотря на то, что Broadwell относился к фазе «тик», переделки коснулись входной части исполнительного конвейера. Было увеличено окно планировщика внеочередного исполнения команд, в полтора раза вырос объём таблицы ассоциативной трансляции адресов второго уровня, а, кроме того, вся схема трансляции приобрела второй обработчик промахов, что позволило обрабатывать по две операции преобразования адресов параллельно. В сумме все нововведения повысили эффективность внеочередного исполнения команд и предсказания сложных ветвлений кода. Попутно были усовершенствованы механизмы выполнения операций умножения, которые в Broadwell стали обрабатываться в существенно более быстром темпе. По итогам всего этого Intel даже смогла утверждать, что улучшения микроархитектуры повысили удельную производительность Broadwell по сравнению с Haswell на величину порядка пяти процентов.

Но несмотря на всё это, ни о каком существенном преимуществе первых десктопных 14-нм процессоров вести речь было невозможно. И кеш четвёртого уровня, и микроархитектурные изменения лишь пытались скомпенсировать главный изъян Broadwell – низкие тактовые частоты. Из-за проблем с технологическим процессом базовая частота старшего представителя семейства, Core i7-5775C, была установлена лишь на уровне 3,3 ГГц, а частота в турборежиме не превышала 3,7 ГГц, что оказалось хуже характеристик Devil’s Canyon на целых 700 МГц.

Подобная же история произошла и с разгоном. Предельные частоты, до которых удавалось раскочегаривать десктопные Broadwell без использования продвинутых методов охлаждения, находились в районе 4,1-4,2 ГГц. Поэтому нет ничего удивительного, что потребители восприняли выпуск Broadwell скептически, и процессоры этого семейства так и остались странным нишевым решением для тех, кто был заинтересован в производительном встроенном графическом ядре. Первым же полноценным 14-нм чипом для настольных компьютеров, который смог привлечь к себе внимание широких слоёв пользователей, стал только следующий проект микропроцессорного гиганта – Skylake.

Производство Skylake, как и процессоров предыдущего поколения, выполнялось по 14-нм техпроцессу. Однако здесь Intel уже смогла добиться нормальных тактовых частот и разгона: старшая десктопная версия Skylake, Core i7-6700K, получила номинальную частоту 4,0 ГГц и авторазгон в рамках турборежима до 4,2 ГГц. Это чуть более низкие значения, если сравнивать с Devil’s Canyon, однако более новые процессоры оказались определённо быстрее предшественников. Дело в том, что Skylake – это «так» в интеловской номенклатуре, что означает существенные изменения в микроархитектуре.

И они действительно есть. Улучшений в дизайне Skylake на первый взгляд было сделано не так много, но все они носили прицельный характер и позволили устранить имевшиеся слабые места в микроархитектуре. Если коротко, то Skylake получили увеличенные внутренние буфера для более глубокого внеочередного исполнения инструкций и более высокую пропускную способность кеш-памяти. Усовершенствования затронули блок предсказания переходов и входную часть исполнительного конвейера. Также был увеличен темп исполнения инструкций деления, и перебалансированы механизмы исполнения операций сложения, умножения и FMA-инструкций. В довершение разработчики потрудились над повышением эффективности технологии Hyper-Threading. В сумме это позволило добиться примерно 10-процентного улучшения производительности на такт в сравнении с процессорами прошлых поколений.

В целом Skylake можно охарактеризовать как достаточно глубокую оптимизацию исходной архитектуры Core, с таким расчётом, чтобы в дизайне процессора не оставалось никаких узких мест. С одной стороны, за счёт увеличения мощности декодера (с 4 до 5 микроопераций за такт) и скорости работы кеша микроопераций (с 4 до 6 микроопераций за такт) существенно увеличился темп декодирования инструкций. А с другой – выросла эффективность обработки получающихся микроопераций, чему поспособствовало углубление алгоритмов внеочередного исполнения и перераспределение возможностей исполнительных портов вместе с серьёзной ревизией темпа исполнения целого ряда обычных, SSE и AVX-команд.

Например, Haswell и Broadwell имели по два порта для исполнения умножений и FMA-операций над вещественными числами, но только один порт предназначался для сложений, что плохо соответствовало реальному программному коду. В Skylake этот дисбаланс был устранён и сложения стали выполняться уже на двух портах. Кроме того, количество портов, способных работать с целочисленными векторными инструкциями, выросло с двух до трёх. В конечном итоге всё это привело к тому, что практически для любого типа операций в Skylake всегда есть несколько альтернативных портов. А это значит, что в микроархитектуре наконец были успешно устранены практически все возможные причины простоя конвейера.

Заметные изменения затронули и подсистему кеширования: пропускная способность кеш-памяти второго и третьего уровня была увеличена. Кроме того, сократилась ассоциативность кеша второго уровня, что в конечном счёте позволило улучшить его КПД и уменьшить штраф при обработке промахов.

Существенные перемены произошли и на более высоком уровне. Так, в Skylake вдвое выросла пропускная способность кольцевой шины, которая соединяет все процессорные блоки. Кроме того, в CPU этого поколения обосновался новый контроллер памяти, который получил совместимость с DDR4 SDRAM. А в дополнение к этому для соединения процессора с чипсетом стала применяться новая шина DMI 3.0 с увеличенной вдвое пропускной способностью, что дало возможность реализовать скоростные линии PCI Express 3.0 в том числе и через чипсет.

Впрочем, как и все предшествующие версии архитектуры Core, Skylake представлял собой ещё одну вариацию на тему изначального дизайна. А это значит, что и в шестом поколении микроархитектуры Core разработчики Intel продолжили придерживаться тактики поэтапного внедрения улучшений на каждом цикле разработки. В целом это – не слишком впечатляющий подход, который не позволяет увидеть какие-то значимые изменения в производительности сразу – при сравнении CPU из соседних поколений. Но зато при модернизации старых систем ощутимый прирост производительности заметить совсем несложно. Например, сама Intel охотно сравнивала Skylake с Ivy Bridge, демонстрируя при этом, что за три года быстродействие процессоров выросло более чем на 30 процентов.

И в действительности это был достаточно серьёзный прогресс, потому что потом всё стало значительно хуже. После Skylake какое бы то ни было улучшение удельной производительности процессорных ядер прекратилось совсем. Те процессоры, которые представлены на рынке в настоящее время, всё ещё продолжают использовать микроархитектурный дизайн Skylake, несмотря на то, что с момента его появления в десктопных процессорах прошло уже почти три года. Неожиданный простой случился из-за того, что Intel не смогла справиться со внедрением следующей версии полупроводникового процесса с 10-нм нормами. В результате весь принцип «тик-так» рассыпался, вынудив микропроцессорного гиганта как-то выкручиваться и заниматься многократным перевыпуском старых продуктов под новыми именами.

Процессоры поколения Kaby Lake, которые появились на рынке в самом начале 2017 года, стали первым и очень ярким примером попыток Intel продать клиентам тот же Skylake во второй раз. Близкие родственные связи между двумя поколениями процессоров особо и не скрывались. Intel честно говорила, что Kaby Lake – это уже не «тик» и не «так», а простая оптимизация предыдущего дизайна. При этом под словом «оптимизация» понимались некие улучшения в структуре 14-нм транзисторов, которые открывали возможность увеличения тактовых частот без изменения рамок теплового пакета. Для видоизменённого техпроцесса был даже придуман специальный термин «14+ нм». Благодаря этой производственной технологии старший массовый десктопный процессор Kaby Lake, получивший наименование Core i7-7700K, смог предложить пользователям номинальную частоту 4,2 ГГц и частоту турборежима 4,5 ГГц.

Таким образом, рост частот Kaby Lake по сравнению с оригинальным Skylake составил примерно 5 процентов, и этим всё и ограничивалось, что, честно говоря, ставило под сомнение правомерность отнесения Kaby Lake к следующему поколению Core. До этого момента каждое последующее поколение процессоров, не важно, относилось оно к фазе «тик» или «так», обеспечивало хоть какой-то прирост показателя IPC. Между тем в Kaby Lake никаких микроархитектурных улучшений не было вообще, поэтому эти процессоры логичнее было бы считать просто вторым степпингом Skylake.

Однако новая версия 14-нм техпроцесса всё же смогла кое в чём положительно проявить себя: разгонный потенциал Kaby Lake по сравнению с Skylake подрос примерно на 200-300 МГц, благодаря чему процессоры данной серии оказались достаточно тепло встречены энтузиастами. Правда, Intel продолжила использовать под процессорной крышкой вместо припоя термопасту, поэтому для полноценного разгона Kaby Lake необходимо было проводить скальпирование.

Не справилась Intel и с вводом в строй 10-нм технологии и к началу текущего года. Поэтому в конце прошлого года на рынок была выведена ещё одна разновидность процессоров, построенных на всё той же микроархитектуре Skylake, – Coffee Lake. Но говорить о Coffee Lake как о третьем обличье Skylake не совсем правильно. Прошлый год стал периодом кардинальной смены парадигмы на процессорном рынке. В «большую игру» вернулась AMD, которая смогла переломить устоявшиеся традиции и создать спрос на массовые процессоры с числом ядер более четырёх. Внезапно Intel оказалась в роли догоняющей, и выход Coffee Lake стал не столько попыткой заполнить паузу до долгожданного появления 10-нм процессоров Core, сколько реакцией на выход шести- и восьмиядерных процессоров AMD Ryzen.

В результате процессоры Coffee Lake получили важное структурное отличие от своих предшественников: число ядер в них было увеличено до шести штук, что с массовой платформой Intel произошло впервые. Однако при этом никаких изменений на уровне микроархитектуры вновь введено не было: Coffee Lake по сути – шестиядерный Skylake, собранный на основе точно таких же по внутреннему устройству вычислительных ядер, которые снабжены увеличенным до 12 Мбайт L3-кешем (по стандартному принципу 2 Мбайт на ядро) и объединены привычной кольцевой шиной.

Впрочем, несмотря на то, что мы так запросто позволяем себе говорить о Coffee Lake «ничего нового», утверждать о полном отсутствии каких-то перемен не совсем справедливо. Хотя в микроархитектуре вновь ничего не поменялось, специалистам Intel пришлось потратить немало усилий для того, чтобы шестиядерные процессоры смогли вписаться в стандартную десктопную платформу. И результат вышел достаточно убедительным: шестиядерные процессоры остались верны привычному тепловому пакету и, более того, совсем не замедлились по тактовым частотам.

В частности, старший представитель поколения Coffee Lake, Core i7-8700K, получил базовую частоту 3,7 ГГц, а в турборежиме он может разгоняться до 4,7 ГГц. При этом оверклокерский потенциал Coffee Lake, несмотря на его более массивный полупроводниковый кристалл, оказался даже лучше, чем у всех предшественников. Core i7-8700K нередко выводятся их рядовыми владельцами на пятигигагерцевый рубеж, причём такой разгон бывает реален даже без скальпирования и замены внутреннего термоинтерфейса. И это значит, что Coffee Lake хоть и экстенсивный, но существенный шаг вперёд.

Всё это стало возможным исключительно благодаря очередному усовершенствованию 14-нм технологического процесса. На четвёртый год его использования для массового производства десктопных чипов Intel удалось добиться действительно впечатляющих результатов. Внедрённая третья версия 14-нм норм («14++ нм» в обозначениях производителя) и перекомпоновка полупроводникового кристалла позволили существенно улучшить производительность в пересчёте на каждый затраченный ватт и поднять суммарную вычислительную мощность. Внедрением шестиядерности Intel, пожалуй, смогла совершить даже более значительный шаг вперёд, чем любым из предшествующих тому улучшений микроархитектуры. И сегодня Coffee Lake смотрится весьма соблазнительным вариантом для модернизации старых систем, основанных на предыдущих носителях микроархитектуры Core.

145 + 77 (eDRAM)

⇡#Процессоры и платформы: спецификации

Для проведения сравнения семи последних поколений Core i7 мы взяли старших представителей в соответствующих сериях – по одному от каждого дизайна. Основные характеристики этих процессоров приведены в следующей таблице.

Любопытно, что за прошедшие с момента выпуска Sandy Bridge семь лет Intel так и не смогла заметно нарастить тактовые частоты. Несмотря на то, что дважды менялся технологический производственный процесс и дважды серьезно оптимизировалась микроархитектура, сегодняшние Core i7 почти не продвинулись вперёд по своей рабочей частоте. Новейший Core i7-8700K имеет номинальную частоту 3,7 ГГц, что всего лишь на 6 процентов выше частоты вышедшего в 2011 году Core i7-2700K.

Впрочем, такое сравнение не совсем корректно, ведь Coffee Lake имеет в полтора раза больше вычислительных ядер. Если же ориентироваться на четырёхъядерный Core i7-7700K, то рост частоты выглядит всё-таки убедительнее: этот процессор ускорился относительно 32-нм Core i7-2700K на достаточно весомые 20 процентов в мегагерцевом выражении. Хотя всё равно вряд ли это можно назвать впечатляющим приростом: в абсолютных величинах это конвертируется в прибавку по 100 МГц в год.

Нет никаких прорывов и в других формальных характеристиках. Intel продолжает снабжать все свои процессоры индивидуальной кеш-памятью второго уровня объёмом 256 Кбайт на ядро, а также общим на все ядра L3-кешем, размер которого определяется из расчёта 2 Мбайт на ядро. Иными словами, главный фактор, по которому произошёл самый большой прогресс, – это число вычислительных ядер. Развитие Core начиналось с четырёхъядерных CPU, а пришло к шестиядерным. Причём очевидно, что это ещё не конец и в ближайшей перспективе мы увидим и восьмиядерные варианты Coffee Lake (либо Whiskey Lake).

Любопытно, что самые крупные перемены произошли даже не с самими процессорами, а с поддержкой ими оперативной памяти. Пропускная способность двухканальной SDRAM с момента выхода Sandy Bridge и до сегодняшнего дня выросла вдвое: с 21,3 до 41,6 Гбайт/с. И это – ещё одно немаловажное обстоятельство, определяющее преимущество современных систем, совместимых со скоростной DDR4-памятью.

Да и вообще, все эти годы вместе с процессорами эволюционировала и вся остальная платформа. Если вести речь о главных вехах в развитии платформы, то, помимо роста скорости совместимой памяти, отметить хочется и появление поддержки графического интерфейса PCI Express 3.0. Кажется, что скоростная память и быстрая графическая шина наряду с прогрессом в частотах и архитектурах процессоров выступают весомыми причинами того, что современные системы стали лучше и быстрее прошлых. Поддержка DDR4 SDRAM появилась в Skylake, а перевод процессорной шины PCI Express на третью версию протокола произошёл ещё в Ivy Bridge.

Кроме того, заметное развитие получили и сопутствующие процессорам наборы системной логики. Действительно, сегодняшние интеловские чипсеты трёхсотой серии могут предложить гораздо более интересные возможности в сравнении с Intel Z68 и Z77, которые использовались в LGA1155-материнских платах под процессоры поколения Sandy Bridge. В этом нетрудно убедиться по следующей таблице, в которой мы свели воедино характеристики флагманских интеловских чиспсетов для массовой платформы.

В современных наборах логики существенно развились возможности для подключения высокоскоростных носителей информации. Самое главное: благодаря переходу чипсетов на шину PCI Express 3.0 сегодня в производительных сборках можно использовать быстродействующие NVMe-накопители, которые даже по сравнению с SATA SSD могут предложить заметно лучшую отзывчивость и более высокую скорость чтения и записи. И одно только это может стать веским аргументом в пользу модернизации.

Кроме того, современные наборы системной логики предоставляют гораздо более богатые возможности для подключения дополнительных устройств. И речь не только о существенном увеличении числа линий PCI Express, что обеспечивает наличие на платах нескольких дополнительных слотов PCIe, заменяющих обычные PCI. Попутно в сегодняшних чипсетах имеется также и врождённая поддержка портов USB 3.0, а многие современные материнские платы снабжаются и портами USB 3.1 Gen2.

⇡#Описание тестовых систем и методики тестирования

Для того чтобы протестировать семь принципиально разных процессоров Intel Core i7, выпущенных за последние семь лет, нам потребовалось собрать четыре платформы с процессорными разъёмами LGA1155, LGA1150, LGA1151 и LGA1151v2. Набор комплектующих, который оказался необходим для этого, описывается следующим перечнем:

Тестирование выполнялось в операционной системе Microsoft Windows 10 Enterprise (v1709) Build 16299 с использованием следующего комплекта драйверов:

Описание использовавшихся для измерения вычислительной производительности инструментов:

Комплексные бенчмарки:

Приложения:

Игры:

Во всех игровых тестах в качестве результатов приводится среднее количество кадров в секунду, а также 0,01-квантиль (первая перцентиль) для значений fps. Использование 0,01-квантиля вместо показателей минимального fps обусловлено стремлением очистить результаты от случайных всплесков производительности, которые были спровоцированы не связанными напрямую с работой основных компонентов платформы причинами.

⇡#Производительность в комплексных бенчмарках

Комплексный тест PCMark 8 показывает средневзвешенную производительность систем при работе в типичных общеупотребительных приложениях разного рода. И он хорошо иллюстрирует тот прогресс, который претерпевали интеловские процессоры на каждом этапе смены дизайна. Если говорить о базовом сценарии Essentials, то тут действительно средний прирост скорости на каждом поколении не превышает пресловутых 5 процентов. Однако выделяется на общем фоне Core i7-4790K, который благодаря усовершенствованиям в микроархитектуре и росту тактовых частот смог обеспечить неплохой рывок в производительности, выходящий за среднестатистический уровень. Этот рывок виден и в сценарии Productivity, по результатам которого быстродействие Core i7-4790K сравнимо с производительностью старших процессоров в семействах Skylake, Kaby Lake и Coffee Lake.

Третий же сценарий, Digital Content Creation, объединяющий ресурсоёмкие творческие задачи, выдаёт совсем иную картину. Тут свежий Core i7-8700K может похвастать 80-процентным преимуществом перед Core i7-2700K, что можно расценить как более чем достойный результат семилетней эволюции микроархитектуры. Конечно, существенная часть этого преимущества объясняется увеличением числа вычислительных ядер, но даже если сравнивать между собой показатели четырёхъядерных Core i7-2700K и Core i7-7700K, то и в этом случае прирост скорости достигает солидной величины в 53 процента.

Ещё сильнее выпячивает преимущества новых процессоров синтетический игровой тест 3DMark. Мы пользуемся сценарием Time Spy Extreme, который имеет усиленные оптимизации под многоядерные архитектуры, и в нём итоговый рейтинг Core i7-8700K оказывается почти втрое выше, чем у Core i7-2700K. Но двукратное преимущество перед Sandy Bridge показывает и представитель поколения Kaby Lake, который, как и все предшественники, располагает четырьмя вычислительными ядрами.

Любопытно, что самым успешным усовершенствованием изначальной микроархитектуры, если судить по результатам, следует считать переход от Ivy Bridge к Haswell – на этом этапе, по данным 3D Mark, производительность выросла на 34 процента. Впрочем, Coffee Lake, безусловно, тоже есть чем похвастать, однако интеловские процессоры образца 2017-2018 года имеют точно такую же микроархитектуру, как и Skylake, а выделяются исключительно за счёт экстенсивного усиления – роста числа ядер.

⇡#Производительность в ресурсоёмких приложениях

В целом производительность в приложениях за последние семь лет эволюции процессоров Intel выросла заметно. И речь тут идёт совсем не о пяти процентах в год, о которых принято шутить в рядах интелоненавистников. Сегодняшние Core i7 превосходят своих предшественников из 2011 года более чем в два раза. Конечно, большую роль тут сыграл переход на шестиядерность, однако немалый вклад внесли и микроархитектурные улучшения, и рост тактовой частоты. Самым результативным дизайном в этом плане оказался Haswell. В нём существенно поднялась частота, а также появилась поддержка AVX2-инструкций, которая постепенно укрепились в приложениях для работы с мультимедийным контентом и в задачах рендеринга.

Стоит отметить, что в ряде случаев модернизация процессоров в системах, на которых решаются профессиональные задачи, может дать поистине прорывное улучшение скорости работы. В частности, троекратное увеличение быстродействия при переходе от Sandy Bridge к Coffee Lake можно получить при перекодировании видео современными кодерами, а также при финальном рендеринге посредством V-Ray. Неплохой прирост отмечается и при нелинейном видеомонтаже в Adobe Premiere Pro. Впрочем, даже если ваша сфера деятельности не связана напрямую с решением таких задач, в любом из проверенных нами приложений прирост составил как минимум 50 процентов.

Источник