1.4 Перспективы развития данного класса.

В настоящее время ключевым вычислительным модулем разного рода компьютеров является центральный процессор, а для хранения данных используются выделенные элементы. Соответственно, при работе устройства требуется определенное время для передачи данных с процессора на накопитель. Однако ситуация в корне изменилась, благодаря магнитным полупроводникам нового типа, представленным институтом NIST; данные элементы смогут как обрабатывать, так и сохранять информацию. Данные модули состоят из полупроводниковых элементов, покрытых тонким слоем магнетика, отделенного от основной части тонким немагнитным слоем. Подобное сочетание ферро- и диамагнетика позволит устройству успешно выполнять обе функции сразу.

Много поточность позволяет многоядерному процессору обрабатывать несколько вычислительных потоков одновременно.

1.5 Выбор и описание конкретной модели.

Описание Intel Core i7— семейство процессоров x86-64 от Intel. Это первое семейство, использующее микроархитектуру Ivy Bridge. Также является преемником архитектуры Sandy Bridge. Все две модели процессоров четырех ядерные. Название Core i7 показывает поколение процессора (Core 2 Duo/Quad/Extreme были 6-го поколения).

Выпуск четырех ядерных Core i7 закрепил подавляющее преимущество Intel в секторе наиболее производительных решений. Как и в Core i7 с архитектурой Sandy Bridge, Hyper-Threading, обеспечивающая многопоточную обработку данных в пределах одного физического ядра. Этот факт должен побудить разработчиков ПО к дальнейшей оптимизации софта для процессоров с числом ядер четырех.

Особенности моделей Corei7

Сравнительные характеристики процессоров IntelCore i7 различных поколений представлены таблице номер 3.

Таблица 3 - Сравнительные характеристики процессоров.

Процессор	IntelCore i7-3960X	IntelCore i7-3930K	IntelCore i7-3820	IntelCore i7-3770K	IntelCore i7-990X EE	IntelCore i7-975 EE	IntelCore i7-875K
Ядро	SandyBridge-E	SandyBridge-E	SandyBridge-E	IvyBridge	Gulftown	Bloomfield	Lynnfield
Техпроцесс CPU, нм	32	32	32	22	32	45	45
Количество транзисторов, млн.	2270	2270	2270	1400	1170	731	774
Площадь кристалла, кв. мм	435	435	435	160	248	263	296
Число ядер	6 (12 потоков)	6 (12 потоков)	4 (8 потоков)	4 (8 потоков)	6 (12 потоков)	4 (8 потоков)	4 (8 потоков)
Номинальная частота, ГГц	3,3	3,2	3,6	3,5	3,46	3,33	2,93
Частота TurboBoost, ГГц	3,9	3,8	3,9	3,9	3,73	3,6	3,6
Объем L1 кэша, КБ	6 x (32+32)	6 x (32+32)	4 x (32+32)	4 x (32+32)	6 x (32+32)	4 x (32+32)	4 x (32+32)
Объем L2 кэша, КБ	6 x 256	6 x 256	4 x 256	4 x 256	6 x 256	4 x 256	4 x 256
Объем L3 кэша, МБ	15	12	10	8	12	8	8
Множитель	33*—12	32*—12	39*—12	34*—16	25*—12	25*—12	22*—9
Каналов памяти	4	4	4	2	3	3	2
Поддерживаемый тип памяти	DDR3 1600/ 1333/1066	DDR3 1600/ 1333/1066	DDR3 1600/ 1333/1066	DDR3 1600/1066	DDR3 1066/800	DDR3 1333/1066	DDR3 1333/1066
Шина для связи с чипсетом	DMI	DMI	DMI	DMI	QPI	QPI	DMI
PCI Express	x16+x16+x8	x16+x16+x8	x16+x16+x8	x16/x8+x8	–	–	x16/x8+x8
AESNI	+	+	+	+	+	–	+
Рабочее напряжение, В	0,8-1,4	0,8-1,4	0,8-1,4	0,65-1,4	0,8-1,375	0,8-1,375	0,65-1,4
TDP	130	130	130	77	130	130	95

* — множитель разблокирован на повышение

Самый производительный Core i7 3960X.Все процессоры имеют кэш-память уровня L1 объемом 64 кбайт, 256 кбайт кэш-памяти L2 и совместно используемый ядрами кэш L3 в 8,10,12,15 Мбайт. Core i7 поддерживают все наборы дополнительных инструкций Intel: MMX, SSE, SSE2, SSE3 и SSSE3, SSE4.1 и SSE4.2.

Значительные усовершенствования и высокие технические данные значительно увеличивают производительность новых процессоров. Однако на практике их реальная эффективность во многом зависит от типа решаемых задач. Core i7 не будут иметь явного преимущества над традиционными многоядерными процессорами Core при однопотоковой загрузке.

Процессорные технологии Core i7

Шести ядерные процессоры IntelCore i7 показывают во многих тестах рекордную производительность, добиваться которой позволяет использование фирменных процессорных технологий Intel:

• технология IntelTurboBoost 2.0 – при необходимости позволяет работающим ядрам повышать тактовую частоту (с шагом 600 МГц) до максимально возможной по тепловой защите. Неиспользуемые ядра могут программно переводиться в режим нулевого энергопотребления;

• технология IntelSmartCache обеспечивает высокую производительность и эффективность кэш-памяти, оптимизирована для самых современных многопоточных игр;

• технология IntelQuickPathInterconnect разработана для повышения пропускной способности и снижения задержек в процессе обмена. С процессорами ExtremeEdition она позволяет достигнуть суммарных скоростей передачи данных до 25,6 ГБ/с;

• технология Intel HD Boost значительно повышает производительность в мультимедийных задачах. Команды из наборов дополнительных инструкций выполняются за один тактовый цикл, позволяя достичь нового уровня эффективности с приложениями, оптимизированными для набора команд SSE4.

Архитектура Corei7

Все процессоры поддерживают технологию HyperThreading, старшие шестиядерные модели могут одновременно обрабатывать до двенадцати потоков, а четырех ядерный CPU – восемь. Уровень тепловыделения моделей с индексом Core i7-39хх составляет 130 Вт. Это значительно выше, чем у нынешних «холодных» Core i5/i7 (до 95 Вт), но в целом приемлемо: у «квадов» прошлых поколений или «шестиядерников» AMD показатель схож, но современные системы охлаждения позволяют успешно разгонять подобные CPU.

SandyBridge

Ядро процессора спроектировано «с нуля», но опытный глаз может уловить на следующем рисунке (приведён на рисунке 15) следы «приделывания» к нынешним SandyBridge двух дополнительных ядер.

Рисунок 15 - Архитектурное строение SandyBridge-E

На данной схеме очень хорошо видно, что на нынешнем этапе развития процессоров вычислительные ядра занимают совсем небольшую площадь. Значительную часть транзисторного бюджета съедает объемистый Cache L3 и «обвязка» (интегрированный северный мост и контроллер памяти). Необходимо отметить тот факт, что новый ЦП – это именно CPU в классическом смысле, здесь нет интегрированного графического ядра, которое сегодня встречается все чаще. Это очень позитивный факт, поскольку в семействе SandyBridge графика была откровенно слаба и актуальна только для младших моделей Core i3/i5 при сборке бюджетных систем.

Архитектура вычислительных ядер нового CPU претерпела очень незначительные изменения, сохранив привычную структуру SandyBridge с минимальными оптимизациями. Это абсолютно логично, ведь «от добра – добра не ищут», 32 нм процессоры Intel и так вне конкуренции по удельной производительность на каждый МГц частоты.

Объем cache-памяти первого (32 Кбайта данных и 32 Кбайта инструкций на ядро) и второго уровней (256 Кбайт на ядро) остался прежним. В официальном пресс-релизе Intel подчеркивается, что преимущество нового процессора в производительности будет достигаться не за счет каких-то революционных изменений архитектуры, а по вполне понятным «количественным» причинам:

• Увеличение количества вычислительных ядер (для старших моделей);

• Увеличение объема Cache-памяти третьего уровня;

• Применение четырехканального контроллера памяти, оптимизированного для работы с модулями DDR3-1600 МГц;

• Незначительные оптимизации в вычислительных ядрах, связанные с совершенствованием 32 нм техпроцесса и введением расширенного набора инструкций AES-NI (прирост может наблюдаться только в некоторых криптографических операциях);

• Увеличенные частоты (не во всех случаях).

Ядро выпускается по 32 нм технологическому процессу, данные о его площади не сообщаются.

Платформа LGA2011

Одновременно с процессорами IntelSandyBridge-E дебютировал набор системной логики Intel X79 Express(приведён на рисунке 16), который позиционируется скорее как замена Intel X58 (LGA 1366), чем Intel Z68

Рисунок 16 - Структурная схема чипсета Intel X79 Express.

Одна из главных особенностей платформы – четырехканальный контроллер памяти.

Традиционно встроенный в процессор, именно он должен обеспечить значительную часть преимуществ новинки перед предшественниками. Подобное решение крайне выгодно, ведь объем ОЗУ и быстродействие данной подсистемы – один из краеугольных камней, определяющих привлекательность в глазах требовательных клиентов.

Помимо этого процессоры в исполнении LGA2011 отличаются поддержкой 40 линий PCI-Express 2.0/3.0, так что теперь создание действительно бескомпромиссных мультиадаптерных конфигураций и подключение периферийных контроллеров как никогда просто. Напомним, CPU для платформы LGA1155 имеют лишь 16 линий PCI-E, выделяющихся под нужды видеокарт. Максимум, чего можно добиться на традиционномSandyBridge – это создание SLI- и CrossFireX-тандемов с формулой работы х8 + х8 или применение дополнительных развязывающих мостов, усложняющих конструкцию плат и понижающих быстродействие графики.

Чипсет X79 Express сообщается с процессором по шине DMI с пропускной способностью 20 Гбит/с, поддерживает 14 портов USB 2.0, шесть SATA 3, привычно для решений Intel имеет развитые возможности организации работы дисковых массивов. Производители материнских плат не будут ограничены только этими ресурсами, ведь мост имеет собственные линии PCI-E 2.0 в количестве 8 штук.

Ivy Bridge

Согласно устоявшемуся летоисчислению, 2012 год – время для очередного «тика», т.е. перехода на новый техпроцесс изготовления. Первыми примерили на себя 22-нанометровые кристаллы процессоры для платформы LGA1155, получившие название Ivy Bridge. Однако в этот раз, помимо усовершенствования технологических норм производства, Intel также внедряет новую структуру полупроводников, вместо традиционной планарной используя трехмерную компоновку транзисторов(Рисунок 17).

Рисунок 17 – Трехмерная компоновка транзисторов.

С каждым последующим уменьшением размеров транзисторов, производители сталкиваются с необходимостью сокращать длину затвора и перехода исток/сток, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик полупроводников. Модель Tri-Gate (Рисунок – 18) предполагает трехмерную конструкцию с несколькими затворами, размещенными на гранях миниатюрной кремниевой пластины, устанавливаемой перпендикулярно подложке.

Рисунок 18 - Модель Tri-Gate.

Такой подход позволяет увеличить скорость переключения транзисторов, а также существенно уменьшить паразитные токи утечки, снизить напряжение питания и, как следствие, энергопотребление и нагрев чипа. Кроме того появляется возможность увеличить плотность компоновки транзисторов, что позволяет нарастить их число для создания более сложных интегральных схем, при этом не увеличивая площадь самого кристалла. Примечательно, что при успешном внедрении 3D-транзисторов, стоимость производства чипов увеличивается всего на 2–3%, при этом получаемый эффект несоизмерим с такими затратами.

Несмотря на значительные ресурсы, от начала разработки до практического использования технологии Tri-Gate, компании понабилось порядка 11 лет. Одно дело, когда речь идет о единичных лабораторных экспериментах и исследованиях, и совершенно иная ситуация в случае с массовым производством, где тиражи изготавливаемых устройств исчисляются миллионами.

Успешное внедрение подобной технологии – большой успех для разработчиков Intel. Применение трехмерных транзисторов позволит компании укрепить технологическое лидерство, получив весомое преимущество над конкурентами. Использование Tri-Gate позволяет Intel уже сейчас переводить в практическую плоскость эксперименты с чипами, выполненными по нормам 14 нм и даже 10 нм. Закон Мура остается в силе, а значит, кремниевые полупроводники еще повоюют.

Так как процессоры Intel Core третьего поколения стали логичным продолжением чипов предыдущей линейки, то неудивительно, что они не претерпели серьезных структурных изменений.

Рисунок 19 - кристалы Sandy Bridge и Ivy Bridge.

Сравнивая топологию кристаллов Sandy Bridge и его преемника(Рисунок 19), нельзя не отметить значительно увеличившуюся область, отведенную для графического процессора. Если в 32-нанометровом чипе она занимала менее четверти кристалла, то теперь ей отведена практически третья часть кремниевой пластинки. В остальном визуально CPU довольно схожи, если учесть масштабирование. А вот технологические количественные показатели заметно отличаются. Так, чип Sandy Bridge содержит без малого 1 млрд. транзисторов, тогда как в Ivy Bridge их уже 1,4 млрд. Благодаря использованию технологии Tri-Gate производителю удалось существенно увеличить плотность размещения полупроводников. Но, несмотря на то, что их количество возросло на 40%, площадь нового кристалла, наоборот, уменьшилась с 216 до 160 мм2 (26%).

По части функционального оснащения изменения невелики. Процессор имеет четыре вычислительных блока, графическое ядро, интегрированные контроллеры памяти и шины PCI Express. Емкий общий кеш третьего уровня для своих нужд могут использовать все ядра, в том числе и графическое. Блоки между собой связывает скоростная кольцевая шина, а с чипсетом CPU общается по DMI 2.0.

Несмотря на то, что при выпуске Ivy Bridge основной задачей был успешный переход на новый техпроцесс, Intel, безусловно, внесла некоторые изменения и в функциональную часть процессора. От вычислительных блоков можно ожидать некоторого ускорения на операциях деления чисел и преобразования данных.

Двухканальный контроллер памяти официально получил поддержку DDR3-1600 (для Sandy Bridge – DDR3-1066/1333), а также модулей DDR3L со сниженным напряжением питания. Некоторый прирост производительности может принести чуть улучшенная латентность.

Ivy Bridge получил также достаточно производительный цифровой генератор случайных чисел (Digital Random Number Generator), возможности которого могут задействоваться в задачах шифрования данных. Данный блок используется для работы Intel Secure Key. В свою очередь технология Intel OS Guard позволит защитить данные при попытке несанкционированного использования привилегированного режима в операционной системе.

22-нанометровым процессорам достался контроллер PCI Express 3.0. Вдвое увеличенная пропускная способность может сослужить хорошую службу при создании конфигурации с несколькими видеокартами. Процессор имеет 16 линий PCI-E 3.0 и позволяет делить их на три устройства (х8+х4+х4). Впрочем, для того, чтобы интерфейсный круг замкнулся, нужно чтобы скоростную версию интерфейса, помимо процессора, поддерживала материнская плата и видеокарта.

Совместимость

Процессоры Ivy Bridge без проблем будут работать на подавляющем большинстве плат с чипсетами 6-ой серии (H61/H67/P67/Z68). По крайней мере, технологических трудностей здесь никаких нет. Многое зависит от производителя материнской платы, который должен своевременно обеспечить прошивкой, позволяющей распознать 22-нанометровые CPU.

Конечно, в комплекте с Ivy Bridge рекомендует использовать материнские платы на новых чипсетах Intel 7 Series, предлагая для такой связки ряд дополнительных функций. Наиболее весомая из них – родная поддержка USB 3.0. Опция, бесспорно, приятная, но, если вам удастся найти модель на чипсете 6-ой серии схожей функциональности, которая обойдется заметно дешевле, то это неплохая возможность сэкономить. Разве что в поисках самых выгодных вариантов стоит оставлять без внимания модели на Q65, Q67 и B65. Бывалый «корпоратив» в этот раз остался без поддержки прогрессивных CPU.