Intel Haswell. Энергоэффективность решает все

Выход процессоров Intel Core 4-го поколения на микроархитектуре Haswell – событие, которое ждали с нетерпением и с которым у пользователей и аналитиков были связаны определенные надежды.

Напомним, что согласно стратегии «тик-так» компании Intel, новые процессоры произведены на уже привычной 22-нм технологии, но на отличной от Ivy Bridge микроархитектуре, получившей название Haswell.

Ни для кого не секрет, что десктопы и даже ноутбуки сейчас испытывают жестокую конкуренцию со стороны мобильных устройств и их доля на рынке неуклонно снижается. И новые процессоры долны дать качественный скачок, который вернет пользовательский интерес к платформе x86. При этом стоит отметить, что не к классическому варианту, а к обновленной платформе с основным упором на мобильность.

Процессоры на микроархитектуре Haswell позиционируются компанией Intel в первую очередь в сегмент ультрабуков и ультрапортативных ноутбуков-трансформеров, которые по сути своей, ни что иное, как планшеты. И это накладывает на новые процессоры очень жесткие ограничения по энергоэффективности. Если при проектировании микроархитектур Sandy Bridge и Ivy Bridge энергопотребление процессоров закладывалось на уровне 35–45 Вт, то у Haswell требования ещё более ужесточены и находятся в диапазоне от 15 до 20 Вт. Как следствие у Intel получилась ярко выраженная ультрамобильная микроархитектура, по уровню производительности стоящая на ступень выше процессоров Atom этого же производителя.

Спектр предлагаемых новых энергоэффективных процессоров достаточно широк. В мобильном сегменте ожидается появление включающей порядка двух десятков наименований U-серии, с тепловыделением порядка 15 Вт. Также появятся процессоры Y-серии с тепловыделением на уровне 6–7 Вт.

При этом, впервые за всю историю Intel, десктопные модификации нового процессора не самый важный, а скорее даже побочный продукт. Снимая ограничения по энергопотреблению и тепловыделению, можно увеличить производительность, но не беспредельно, ровно настолько, насколько позволит микроархитектура. А она, напомню, заточена отнюдь не на производительность. Поэтому не стоит ждать хорошего прироста производительности новых процессоров по сравнению с предшественниками.

Особенности микроархитектуры Haswell

Каких-то кардинальных изменений в новой микроархитектуре по сравнению с Ivy Bridge нет. Все функциональные блоки и их компоновка в процессоре унаследованы от Ivy Bridge, также как и все удачные технологии: Hyper-Threading, кольцевая шина, турборежим. Изменения в узлах скорее ксметические. Что до поддержки новых инструкций – в Haswell добавлен новый набор комманд AVX2, который добавит процессору производительности (по словам производителя – до 20-30 процентов), но при условии оптимизации програмного обеспечения под него.

На первом месте в списке нововведений в микроархитектуру нового процессора стоят нововведения, направленные на оптимизацию тепловых и энергетических режимов. И, надо отметить, усилия разработчиков не были потрачены зря. Системы на базе Haswell работают от батареи в полтора раза дольше, чем аналогичные конфигурации на базе Ivy Bridge, а в режиме простоя выигрыш систем на Haswell составляет порядка 2–3 раз!

Это стало возможно благодаря перестройке не только и не столько самого процессора, как платформы и инфраструктуры системы в целом. Немаловажную роль сыграла общая интеграция компонентов платформы: в процессор была интегрирована значительная часть преобразователя питания, а для ультрамобильных применений был спроектирован SoC-вариант процессора с интегрированным набором системной логики. Кроме того, в представленных процессорах появился новый набор ACPI-состояний сна S0ix, похожих по уровню энергопотребления на S3/S4, но со временем перевода системы в полностью рабочее состояние на уровне нескольких миллисекунд. Также добавились новые состояния простоя процессора C7 и далее, которые при видимой работоспособности системы, позволяют полностью снять питающее напряжение с основной части CPU.

Вышесказанное актуально в основном для мобильных систем и практически не проявляет себя на десктопах. А что же тогда нового получили владельцы настольных систем? В первую очередь стоит упомянуть появление в процессоре Haswell новых зон, работающих на различных частотах. Если в Ivy Bridge было две такие зоны - вычислительные ядра и графическое ядро, то в Haswell появилась еще одна - Uncore-часть, объединяющая системный агент и кеш третьего уровня.

Вычислительное ядро Haswell осталось очень похожим на Ivy Bridge, но обзавелось некоторыми улучшениями.

Во-первых, за счет увеличение размера всех внутренних буферов возросла точность работы блока предсказания переходов. Во-вторых, очередь уже декодированных инструкций получила явную оптимизацию под Hyper-Threading: деление на два потока стало происходить динамически.

Увеличение всех основных буферов коснулось и окна внеочередного исполнения команд. Увеличением его было достигнуто улучшение возможностей по параллельной обработке инструкций одного потока.

Поскольку новый набор команд предполагает вдвое более быструю, чем ранее, обработку данных, разработчиков Haswell позаботились об увеличении скорости работы кеш-памяти. Пропускная способность кеш-памяти первого и второго уровней в новом процессоре увеличена, кроме того в Haswell избавились от всех добавочных задержек, связанные с обращениями к невыровненным данным в L1-кеше. Как следствие, кэш L1 и L2 работают с вдвое большей пропускной способностью по сравнению с процессорными микроархитектурами прошлых поколений.

Как видим, хотя Haswell по микроархитектуре вычислительных ядер и похож на Ivy Bridge, улучшения, способные увеличить его скорость работы на обычном коде, всё-таки есть.

Новое графическое ядро Iris

Основной прирост скорости по сравнению с предшественниками достигается за счет кардинально переделанного интегрированного графического ядра. Оно даже впервые получило собственное название – Iris. Если Ivy Bridge мог похвастать почти двукратным приростом графической производительности по сравнению с процессорами предыдущего поколения, то микроархитектура Haswell обещает поднять скорость работы графического ядра ещё примерно вдвое.

Главное преимущество нового ядра — наличие существенно большего количества исполнительных блоков. Если максимальная версия графики Ivy Bridge располагала 16 исполнительными блоками, то у Haswell количество исполнительных блоков в графическом ядре может доходить до 40.

Также в Haswell была серьезно увеличена скорость работы текстурного блока. Intel обещает четырёхкратный рост скорости текстурирования по сравнению с графикой Ivy Bridge.

Отметим, что Intel делает несколько вариантов графики: GT1, GT2, GT3 и GT3e. Базовая версия — это GT2 (HD 4600) с 20 исполнительными устройствами. Она предназначена для большинства десктопных моделей процессоров. Её урезанная версия, GT1 (HD 4200), имеет лишь 6 исполнительных устройств. Максимальный же вариант, GT3 (HD 5200), с 40 исполнительными устройствами в настольные компьютеры не попадёт, а будет в большинстве мобильных вариантов Haswell, включая в первую очередь процессоры для ультрабуков.

И, наконец, для производительных игровых мобильных систем Intel создала специализированную модификацию графического ядра - GT3e. Им будут комплектоваться процессоры специальной мобильной H-серии. В них встроенное ядро GT3 будет дополнено быстрой eDRAM-памятью объёмом 128 Мбайт и 512-битной шиной. eDRAM будет устанавливаться на одну подложку с процессорным ядром и выполнять роль L4-кеша. Причем L4-кеш будет буферизировать все обращения в память, а не только работу с видеопамятью. По рассчетам Intel GT3e сможет вывести Haswell по графической производительности на один уровень с NVIDIA GeForce GT 650M.

Из других важных особенностей нового графического ядра стоит упомянуть поддержку мониторов. Ядро может поддерживать до трёх независимых дисплеев, причем все три подключения могут быть цифровыми. Благодаря же внедрению совместимости с последними версиями интерфейсов HDMI и DisplayPort, максимальные поддерживаемые разрешения достигли величин 4Kx2K.

В новом ядре был улучшен и аппаратный видеокодер Quick Sync. Его производительность была увеличена, расширен список поддерживаемых форматов.

Заключение

Принципиальных улучшений в новом процессоре сделано не так много. Intel фактически доработала имеющуюся микроархитектуру Ivy Bridge, а не предложила что-то принципиально новое. Из серьезных нововведений стоит еще раз упомянуть поддержку нового набора инструкций AVX2, лучший параллелизм на уровне исполнения инструкций и возросшую пропускную способность кеш-памяти первого и второго уровней.

Тем не менее, дизайн Haswell получился настолько энергоэффективным и сбалансированным, что эти процессоры займут свое достойное место в очень важном для Intel секторе мобильных устройств — ультрабуках, производительных планшетах и ноутбуках-трансформерах. Компания подготовила достойный ответ конкурирующим процессорам на архитектуре ARM, а также новым APU компании AMD.