Уже на протяжении нескольких лет, являя миру свои очередные технические решения, компания Intel следует маятниковому принципу, поочередно переходя на более тонкие нормы техпроцесса и представляя архитектурные совершенствования своих CPU. Удивительно, но производителю пока удается удерживать заданный темп, и согласно составленному им же самим календарю 2011-й является годом внедрения прогрессивной процессорной архитектуры Sandy Bridge. Так что сам факт анонса очередной платформы не стал особой неожиданностью, а вот полученные в результате устройства действительно вызывают неподдельный интерес.

Прежде чем перейти к обзору архитектурных особенностей новых CPU отметим, что в процессорах Sandy Bridge впервые на одном кристалле объединены вычислительные блоки, графическое решение и системный агент, включающий контроллеры памяти и PCI Express. При этом монолитный чип производится по наиболее совершенному на текущий момент 32-нанометровому техпроцессу. Плотная интеграция всех блоков позволила на одном кристалле площадью порядка 216 мм2 разместить почти миллиард транзисторов (995 млн). Давайте посмотрим, как взаимодействует между собой такое огромное количество микроскопических элементов.

Архитектура

В новых процессорах вычислительные блоки и графическое ядро расположены на одном кристалле

Одно из важнейших нововведений в архитектуре Sandy Bridge – кеш инструкций L0, или кеш декодированных микроопераций (МОП), позволяющий увеличить производительность и энергоэффективность. Достигается это за счет буферизации всех МОП, полученных после преобразования инструкций x86. И если входной поток команд содержит совпадения с ранее декодированным, то результаты работы декодера загружаются сразу из кеша L0. При этом цепи декодеров, которые являются сложной и «прожорливой» частью x86 процессоров, выключаются. Емкость L0 – 1536 МОП, что эквивалентно 6 КБ кеша инструкций (L1). По оценкам Intel, степень попадания в L0 составляет примерно 80 %, так что в его эффективности сомневаться не приходится.

Объем кеша L1 для команд и данных не изменился и равен 32 + 32 КБ соответственно. Но его пропускная способность, а также размеры буферов записи и чтения, разделенных между исполнительными блоками ядра, были увеличены.

Рост интеграции, а в будущем и количества ядер привел к отказу Intel от обычной перекрестной топологии, когда каждое ядро имело свое собственное подключение к общей кеш-памяти (L3), в пользу кольцевой межкомпонентной шины. Также она заменит и QPI, которая применялась в Arrandale/Clarkdale для связи с котроллером памяти и графикой и являлась ограничителем производительности. Теперь для сообщения всех ключевых компонентов Sandy Bridge (графического и процессорных ядер, кеша L3 и системного агента) используется высокоскоростная кольцевая шина. Это упрощает разводку и значительно улучшает возможности масштабирования. При частоте 3 ГГц производительность кольцевой шины оценивается на уровне 96 ГБ/с на соединение. Благодаря тому что при пересылке данных всегда выбирается кратчайший маршрут, в некоторых случаях у кольцевой шины будет и меньшая латентность.

На коробках с чипами Sandy Bridge теперь красуется новый логотип

Важные изменения претерпел кеш L3, получивший в интерпретации Intel название Last Level Cache (LLC). Теперь он не является частью блока Uncore (именуемого в Sandy Bridge как системный агент) и работает на частоте процессорных ядер. При этом кеш разбит на равноправные сегменты объемом 2 МБ, закрепленые за своим ядром, которое может обращаться к нему не только через кольцевую шину, но и напрямую. В случае необходимости банки могут отключаться. Так, в моделях Core i5, где общий объем L3 составляет 6 МБ, одно ядро лишено своего сегмента, но благодаря кольцевой шине целостность кеша не нарушается. Подобное деление на банки позволяет увеличить скорость L3 кеша, масштабируемую с ростом их количества, и на примере четырехъядерного процессора с частотой 3 ГГц обеспечивает совокупную пропускную способность в 384 ГБ/с.

Блок под названием «системный агент» (System Agent) является, по сути, северным мостом и содержит двухканальный контроллер памяти DDR3, PCI-Express 2.0, DMI, дисплейные интерфейсы, блок аппаратного декодирования видео и модуль управления питанием (Power Control Unit, PCU). Как и все элементы архитектуры, он подключен к кольцевой шине. Благодаря этому, а также доработке котроллера памяти латентность после регресса в процессорах Clarkdale вернулась на уровень Lynnfield, а пропускная способность стала еще выше. Формально поддерживается DDR3-1067 или DDR3-1333, но на практике есть множители даже для DDR3-2133 (только c чипсетом Intel P67). Системный агент, а также остальные два домена (первый – процессорные ядра и L3 кеш, второй – графическое ядро) имеют собственную схему тактования и питающее напряжение. Модуль управления питанием собирает данные о загрузке, потребляемом токе и нагреве различных узлов процессора и в соответствии с ними может переводить их как в режим экономии энергии, так и в режим повышенного быстродействия. За последнее отвечает обновленная технология Intel Turbo Boost, главная особенность которой – возможность разгона на непродолжительное время (до 25 с) ядер процессора и GPU до уровня, превышающего TDP, если до этого CPU какое-то время простаивал. Это логично, ведь система охлаждения не нагревается моментально, и потому может отводить больше тепла после периода невысокой нагрузки. Подобная работа Turbo Boost позволит повысить отзывчивость и производительность в задачах, требующих высокого быстродействия на короткое время.

Важным нововведением процессоров Sandy Bridge можно считать набор инструкций AVX (Advanced Vector Extensions), которые являются дальнейшим усовершенствованием SSE. AVX позволяет работать с 256-битовыми векторными инструкциями и потенциально способен заметно ускорить работу с мультимедийными данными, однако в этом случае необходима поддержка со стороны разработчиков программного обеспечения. Intel сделала серьезные архитектурные оптимизации с тем, чтобы AVX функционировал очень быстро, а программисты были заинтересованы активнее использовать новые возможности.

Интегрированная графика

Встроенное видеоядро стало неотъемлемой частью второй генерации процессоров Intrel Core. Новые графические решения были названы Intel HD Graphics 3000/2000. Первое содержит 12 вычислительных блоков, а упрощенная модификация – 6. Благодаря более тесной интеграции встроенное графическое ядро получило массу преимуществ. Быстрая кольцевая шина позволяет GPU задействовать для своих нужд процессорную кеш-память последнего уровня, что в какой-то степени компенсирует сравнительно невысокую скорость системной ОЗУ, которую видеоядро использует в качестве кадрового буфера.

Из нововведений также отметим поддержку DirectX 10.1, OpenGL 3.0, аппаратное транскодирование видео различных форматов, улучшенные функции постобработки, появление возможности передачи посредством HDMI 1.4 на устройство отображения стереокартинки для просмотра Blu-Ray 3D.

Функция авторазгона графического ядра, которая ранее присутствовала только в мобильных чипах Arrandale, теперь используется и для десктопных CPU. В ряде моделей частота ядра под нагрузкой увеличивается до 1350 МГц. И это приносит свои плоды. Согласно результатам проведенного экспресс-теста, Core i5-2500K, оснащенный интегрированным Intel HD Graphics 3000, набирает порядка 4120 баллов в 3DMark 06, а это уровень наиболее доступных дискретных видеокарт. Однако сможет ли встроенное видео Intel на равных соперничать с последними во всех приложениях? Данный вопрос требует дополнительного исследования, которому мы посвятим отдельный материал.

Продуктовая линейка

Intel сразу анонсировала почти три десятка мобильных процессоров и чипов для настольных систем. Однако на рынке они появятся не одновременно. Говоря о десктопных моделях, отметим, что первыми в продажу поступили четырехъядерные чипы средней ценовой категории, чуть позже будут представлены более доступные двухъядерные CPU. Intel сохранила уже хорошо известные названия семейств процессоров – Core i7/i5/i3. Однако для обозначения модели теперь применяется четырехсимвольный номер. Также в некоторых случаях используется дополнительный буквенный суффикс, который указывает на принадлежность CPU к специальной категории: К – процессоры с разблокированным коэффициентом умножения, S – экономичные устройства (TDP 65 Вт), T – ультраэкономичные чипы (TDP 35–45 Вт).

Таблица 1. Технические характеристики процессоров

Технические характеристики новых процессоров представлены в таблице 1. Анонсированная на текущий момент линейка выглядит вполне сбалансированной. Традиционно старшие в серии Core i7 имеют максимальную тактовую частоту (3,4 ГГц), 8 МБ кеш-памяти LLC и обладают Hyper-Threading. Чипы Core i5 работают на более низкой частоте (2,8–3,3 ГГц), содержат 6 МБ кеш-памяти последнего уровня и не поддерживают технологии логической многопоточности. Вскоре в продажу поступят двухъядерные процессоры из новой линейки Core i3, у которых меньшая емкость буфера, отсутствует технология динамического разгона Turbo Boost, зато и стоимость будет заметно ниже уже представленных чипов.

Чипсеты

Еще со времен появления Clarkdale, когда котроллер памяти и графическое ядро переехали под крышку процессора, чипсет фактически выполняет представительские функции, держа на связи CPU и периферийные устройства. Для работы с Sandy Bridge инженеры подготовили целый набор микросхем, однако базовыми для настольных платформ будут Intel P67 и H67. Во многом новые чипсеты схожи с предшественниками пятой серии, хотя отличий тоже предостаточно. Прежде всего отметим поддержку SATA 6 Гб/c. Два из шести портов теперь могут передавать данные на скоростях до 600 МБ/c. Для жестких дисков, линейные трансферы которых лишь недавно превысили 150 ГБ/c, это не так важно, однако лучшие модели твердотельных накопителей уже сейчас получат преимущества при подключении с помощью более производительного интерфейса. Новые чипсеты позволяют организовать RAID-массивы уровней 0, 1, 0 + 1 и 5, а также гибридную конфигурацию Matrix RAID.

Блок-схема чипсета Intel P67 Express

Блок-схема чипсета Intel H67 Express

Процессор с чипсетом связаны по шине DMI, причем ее пропускная способность увеличилась до 2 ГБ/c в каждом направлении. Отдельного внимания заслуживает поддержка до восьми полноскоростных портов PCI Express x1 версии 2.0 (у Intel x5 скорость передачи чипсетных линий соответствовала стандарту 1.1). Обеспечивается работа до 14 портов USB 2.0. А вот долгожданного USB 3.0 так и не появилось, хотя устройств, в которых он уже есть, на рынке сейчас достаточно много, и их количество будет только увеличиваться. Отсутствие поддержки компания аргументирует неготовностью экосистемы и небольшим спросом. Однако мы целиком не отбрасывали бы предположение о том, что Intel не хочет укреплять позиции USB 3.0 перед запуском собственного многообещающего интерфейса Light Peak, который формально не должен конкурировать с USB 3.0 и, по словам разработчиков, уже практически готов к внедрению и началу коммерческой эксплуатации. Так или иначе, но подавляющее большинство плат с LGA1155, за исключением самых доступных моделей, будут оснащаться дополнительными контроллерами USB 3.0 от сторонних производителей. Нативную же поддержку прогрессивного стандарта USB в чипсетах Intel обещают реализовать лишь в 2012 году.

Волевым решением Intel отказалась от поддержки шины PCI в новых наборах логики. Производителям материнских плат, которые захотят сохранить соответствующие порты, понадобится устанавливать дополнительные контроллеры, представляющие собой мост PCI Express-PCI.

Что касается функциональных отличий Intel P67 и H67, то на этот раз Intel существенно разграничила область применения каждого из них. Intel P67 отведена роль чипсета для платформ с дискретной графикой и возможностью устанавливать в системе несколько видеокарт (CrossFire и SLI). Кроме того, он позволяет разгонять процессоры путем увеличения множителя частоты и имеет повышающие коэффициенты для моделей памяти вплоть до режима DDR3-2133. А вот Intel H67 в первую очередь подойдет тем, кто планирует использовать интегрированную графику и их не смутит тот факт, что данный чипсет не предназначен для разгона CPU, а поддержка ОЗУ ограничена DDR3-1333. В то же время он позволяет увеличивать частоту графического ядра.

Что касается практической стороны работы чипсетов, то сами микросхемы нагреваются достаточно слабо, их заявленный уровень энергопотребления составляет порядка 6 Вт. Потому применение охладительных систем материнских плат с трубопроводами причудливых форм, помимо маркетинговых соображений, имеет хоть какое-то обоснование лишь в том случае, если на плате используется дополнительный масштабирующий мост PCI Express, позволяющий на полной скорости связывать несколько графических адаптеров (например, NVIDIA NF200).

Результаты тестирования

Для определения удельной производительности на гигагерц для чипов Intel Core предыдущего и нового поколений удобно сравнивать показатели Core i5-760 и Core i5-2300, у которых одинаковые штатные частоты (2,8 ГГц). А в битве Core i7 вполне уместно противопоставление i7-860 и i7-2600K. Последняя хотя и имеет на 400 МГц большую тактовую частоту, но стоит примерно как модель предыдущей линейки. Учитывая ценовой критерий, мы также подобрали участников для платформы AMD. Это топовые на текущий момент четырех- и шестиядерные процессоры – Phenom II X4 975 (3,6 ГГц) и Phenom II X6 1100T (3,3 ГГц).

Комплексный тест PC Mark Vantage, содержащий алгоритмы и скрипты, эмулирующие работу с офисными и мультимедийными приложениями, дает возможность оценить влияние процессоров на общесистемную производительность. Чипы Sandy Bridge в данной номинации уверенно заняли лидирующие позиции, существенно опередив как братьев по оружию, так и решения конкурента.

Процессорный подтест в еще одном популярном пакете 3DMark Vantage также благоволит к чипам Intel Core второй генерации. Более чем на 20% оторвался i7-2600K от i7-870, а i5-2300 опередил равночастотный i5-760 на 13%. Однако посмотрим, как обстоят дела за рамками синтетических приложений от Futuremark.

Архиваторы чутко реагируют на большой объем кеш-памяти, быструю подсистему ОЗУ и с некоторого времени количество вычислительных блоков процессора. В прогрессивном 7-Zip чип Core i7-2600K обеспечил себе 10%-ный отрыв от преследователей. Phenon II X6 идет вровень с Core i7-870, при этом подобный результат обеспечили не только шесть ядер, так как Phenom II X4 975 здесь также выглядит довольно неплохо, заняв позицию в аккурат между двумя новыми Core i5.

А вот в каких случаях число вычислительных блоков играет ключевую роль, так это в приложениях рендеринга сцен. Результаты CineBench 11.5 неплохо коррелируют с таковыми для реальных пакетов построения изображений и позволяют оценить возможности CPU в подобных задачах. Core i7-2600K уже привычно возглавляет рейтинг. Phenom II X6 берет количеством ядер, отстав от лидера всего на 15% – тоже весьма приличный результат. Очный версус между i5-760 и i5-2300 демонстрирует 18%-ное преимущество последнего – непосредственная заслуга новой архитектуры. Благодаря чему i5-2500K почти удалось настичь i7-870, который, помимо большего объема кеш-памяти, имеет поддержку технологии Hyper-Treading, прекрасно помогающей в многопоточных задачах. Очень схожие показатели можно наблюдать в тесте при транскодировании видеопотока 1080p. Чипы Sandу Bridge на подобных операциях потенциально могут получить хорошую прибавку к скорости, с началом активного внедрения поддержки AVX.

Результаты чипов с архитектурой Sandy Bridge в играх стали настоящим откровением. Значительную прибавку в скорости удалось получить даже в тех ситуациях, когда уже вроде бы действуют ограничения видеокарт, на что ранее списывалось отсутствие прироста кадров/c при дальнейшем увеличении частот CPU. Любопытно, что старшая модель Core i5 здесь фактически не отстает от Core i7. В игровых приложениях поддержка HT уже не дает таких преимуществ, как в других прикладных задачах, а объема кеш-памяти третьего уровня в 6 МБ оказывается достаточно для нужд игровых движков. А вот позиции чипов AMD здесь менее убедительны. Безусловно, дополнительное улучшение качества графики в играх обеспечит не столь кардинальные отличия в производительности участников, однако в таком случае повышается нагрузка на графический адаптер и, соответственно, влияние быстродействия CPU на общий результат снижается. В данном же случае нас интересует именно процессорный потенциал, ведь скорость будущих видеокарт также может значительно возрасти.

Диаграмма с показателями энергопотребления систем вряд ли требует подробных комментариев. Практические замеры демонстрируют великолепную энергоэффективность чипов Sandy Bridge. Система с четырехъядерным Core i5-2500К потребляет столько же энергии, как и ПК, в котором установлен двухъядерный Core i5-661, несмотря на вдвое большее количество вычислительных блоков. Если же сравнивать уровни энергопотребления новинки с таковым у Core i5-760, то в режимах максимальной нагрузки разница составляет впечатляющие 25%. Что же касается процессоров от AMD, то в данной категории им пока сложно что-либо противопоставить новым CPU от Intel, учитывая, что Phenom II все еще производятся по 45-нанометровой технологии.

Выводы

Платформа Intel с процессорами Sandy Bridge заслуживает похвалы. Казалось бы, в новой архитектуре нет чего-то такого, что можно однозначно назвать революционным прорывом, тем не менее большое количество различных усовершенствований дают прекрасный итоговый результат. Intel удалось одним махом улучшить как удельное быстродействие на мегагерц, так и столь важную в последнее время энергоэффективность, выраженную в производительности на ватт.

Очевидно, что в течение 2011 года Intel будет стараться сократить количество имеющихся платформ, которых сейчас на рынке одновременно наличествуют четыре, и каждая актуальна в своем сегменте: Socket T (LGA775) – безальтернативный вариант для самых недорогих решений, уже закрепившаяся LGA1156 – для мейнстрим систем, а также новая LGA 1155 и топовая LGA1366. Этот тот редкий случай, когда разнообразие усугубляет проблему выбора. Очевидно, что компания не планирует затягивать со смещением акцента в сторону LGA 1155. Тот факт, что с началом продаж Sandy Bridge стоимость процессоров предыдущего поколения не изменилась – прямое свидетельство того, что Intel предлагает пользователям приобретать новые решения.

Переход с LGA775 на LGA1155 пройдет безболезненно. Здесь модернизировать уже нечего, так что если недостаточно быстродействия старой платформы, придется менять все целиком. Хоть и слабым, но все же утешением будет то, что вы не тратились на решения с LGA1156, сразу перескочив на более современную платформу. Если рассуждать о целесообразности апгрейда ПК с LGA1156, то нужно рассматривать каждый конкретный случай и ожидания владельца от предстоящего усиления системы.

Что касается устройств конкурента, то с нетерпением ждем достойного ответа от AMD в виде процессоров с новой архитектурой и 32-нанометровым техпроцессом, которые появятся во второй половине текущего года. Посмотрим, сможет ли Bulldozer расчистить себе путь на рынок и составить серьезную конкуренцию чипам Intel прежде всего в среднем и верхнем ценовых диапазонах, где сейчас AMD приходится лишь корректировать стоимость своих CPU, стараясь предложить хорошее соотношение цена/производительность.

Конфигурация тестового стенда

Процессор	Intel Core i5-2300, Core i5-2500K,  Core i7-2600K, Core i7-870, Core i5-760, Core i5-661, AMD Phenom II X4 975, Phemon II X6 1100T
Материнская плата	ASUS M4A79T Deluxe, ASUS P7P55D Premium
Видеокарта	ASUS EAH6970/2DI2S/2GD5 (Radeon HD 6970 2 ГБ)
Оперативная память	2×2 ГБ Kingston DDR3-2133 KHX2133C9AD3W1K2/4GX
Накопитель	Samsung HD103SJ, 1 ТБ, 7200 об/мин
Блок питания	SeaSoniс M12D SS-850EM (850 Вт)
Монитор	Samsung SyncMaster 305T

Продукты предоставлены

AMD	Представительство AMD, www.amd.com
ASUS	Представительство ASUS, www.asus.ua
Intel	Представительство Intel, www.intel.ua, «Евро Плюс», www.eplus.kiev.ua
Kingston	Представительство Kingston, www.kingston.com
Samsung	Представительство Samsung, www.samsung.ua
SeaSonic	«Синтекс», syntex.сom.ua