Intel Sandy Bridge-E: еще больше, еще быстрее!? Знакомство с платформой LGA2011 и процессором Core i7-3930K

В течение многих лет компания Intel неукоснительно следует стратегии вывода на рынок новых процессоров, согласно которой каждые два года происходит смена технологического процесса производства, и каждые два года анонсируется новая микроархитектура. Появление в начале 2011 г. процессоров Sandy Bridge целиком и полностью соответствовало стратегии компании, так как в рамках отработанного на шестиядерных Gulftown 32-нм технологического процесса была внедрена обновленная архитектура взамен достаточно эффективной, но уже устаревающей Nehalem. Что касается конструктивного исполнения процессоров, то на данный момент компания Intel вынуждена поддерживать четыре платформы, среди которых: устаревшая, но все еще актуальная LGA775, переходная бесперспективная LGA1156, универсальная и быстроразвивающаяся LGA1155 и, наконец, производительная LGA1366, для которой, в основном, предлагаются флагманские процессоры серии Extreme Edition. Не менее интересно выглядит и система обозначений, согласно которой, например, процессоры Intel Core i7 представлены в трех разных конструктивных исполнениях, имеют разное количество вычислительных ядер и даже используют две различные микроархитектуры, но обладают сопоставимой рекомендованной ценой. Появление еще одного Core i7, предназначенного для принципиально новой платформы, на первый взгляд не оправдано. На самом деле это первый шаг к унификации продуктовой линейки процессоров Intel на ближайшее время.

Intel Sandy Bridge-E

Согласно планам чипмейкера, в недалеком будущем в сегменте систем среднего уровня будут доминировать процессоры в исполнении LGA1155, которые перейдут на 22-нм ядра Ivy Bridge уже в ближайшие полгода. В то же время, в секторе высокопроизводительных систем будут безраздельно властвовать новейшие Sandy Bridge-E для разъема LGA2011, которые должны увеличить и без того отличное быстродействие флагманских процессоров Intel. К слову, Sandy Bridge-E придется соперничать исключительно со своими предшественниками, так как для конкуренции с лучшими процессорами AMD FX и AMD Phenom II X6 вполне достаточно существующих решений среднего уровня


Ядро Sandy Bridge-E

Процессоры в исполнении LGA2011 основаны на хорошо известной микроархитектуре Sandy Bridge, но они, по сравнению со своими собратьями для платформы LGA1155, имеют ряд принципиальных отличий. Во-первых, монолитный полупроводниковый кристалл содержит шесть вычислительных ядер, во-вторых, из состава процессора исключено графическое ядро. Некоторые изменения коснулись организации кэш-памяти, её объем увеличился практически вдвое. Кроме того, контроллер оперативной памяти теперь выполнен по четырехканальной схеме. Значительно переработан и контроллер шины PCI Express. Конечно, увеличение количества функциональных блоков привело к тому, что процессоры Intel Sandy Bridge-E получились невероятно сложными: кристалл содержит порядка 2 млрд. 270 млн. транзисторов, и только благодаря применению тонкого 32-нм техпроцесса их удалось разместить на площади в 435 мм². Это ровно вдвое больше, чем у четырехъядерных Sandy Bridge! При таких параметрах стоимость производства не может быть низкой, но это и не столь важно для флагманских продуктов. Процесс изготовления столь сложных кристаллов не обходится без появления некоторого количества бракованных изделий. Впрочем, отключив сбойные блоки можно получить модели, обладающие более скромными, по сравнению с флагманом, характеристиками. Так, линейка процессоров Sandy Bridge-E насчитывает три модификации, которые отличаются количеством вычислительных ядер и объемом кэша 3-го уровня. Кроме того, шестиядерные модели обладают множителем, разблокированным на повышение, а вот для четырехъядерного Sandy Bridge-E множитель можно увеличить только в пределах лимитов Turbo Boost. Сравнительные характеристики процессоров Intel Core i7 различных поколений представлены в следующей таблице.

  Intel Core i7-3960X Intel Core i7-3930K Intel Core i7-3820 Intel Core i7-2600K Intel Core i7-990X EE Intel Core i7-975 EE Intel Core i7-875K
Ядро Sandy Bridge-E Sandy Bridge-E Sandy Bridge-E Sandy Bridge Gulftown Bloomfield Lynnfield
Разъем LGA2011 LGA2011 LGA2011 LGA1155 LGA1366 LGA1366 LGA1156
Техпроцесс CPU, нм 32 32 32 32 32 45 45
Количество транзисторов, млн. 2270 2270 2270 995 1170 731 774
Площадь кристалла, кв. мм 435 435 435 216 248 263 296
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 3,4 3,46 3,33 2,93
Частота Turbo Boost, ГГц 3,9 3,8 3,9 3,8 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 1333/1066 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 95 130 130 95
Рекомендованная стоимость, $ 990 555 326 999 999 353
* — множитель разблокирован на повышение

Как мы уже говорили, полупроводниковый кристалл Sandy Bridge-E содержит шесть физических ядер, каждое из которых способно обрабатывать два потока данных благодаря поддержке технологии Hyper-Threading. Таким образом, в максимальной конфигурации процессоры LGA2011 могут выполнять до 12 информационных потоков. Эффективность обработки больших объемов информации подкрепляется огромным объемом разделяемой кэш-памяти 3-го уровня, который, в зависимости от модификации, может достигать 15 Мбайт. Вычислительные ядра вместе с кэшем занимают большую часть процессорного ядра, остаток транзисторного бюджета отведен для организации контроллера оперативной памяти, системного агента, контроллера шины PCI Express и других вспомогательных узлов.

Intel Sandy Bridge-E

Достаточно беглого взгляда на структуру кристалла Sandy Bridge-E, чтобы понять, что процессор изначально проектировался восьмиядерным, однако на сегодняшний день два ядра деактивированы. Возможно, это сделано для того, чтобы модели вписались в приемлемые рамки энергопотребления, или попросту оставлен задел для будущего увеличения производительности. Впрочем, никто не запрещает компании Intel выпускать полноценные модификации для рынка серверов или профессиональных рабочих станций, где максимальная производительность востребована больше всего. Для взаимодействия вычислительных ядер, кэша третьего уровня и системного агента, который выполняет функцию северного моста, применяется кольцевая шина. В зависимости от модели, шестиядерные процессоры могут обладать массивом кэша в 12 Мбайт или 15 Мбайт, в то время как четырехъядерные CPU вынуждены довольствоваться «скромными» 10 мегабайтами. Помимо значительных вычислительных ресурсов, Sandy Bridge-E обладают полной поддержкой наборов SIMD-инструкций SSE4.1 и SSE4.2, которые помогают увеличить быстродействие в оптимизированных мультимедийных приложениях. Кроме того, процессоры способны работать с 256-битными инструкциями AVX (Advanced Vector Extensions) и расширениями AES, ускоряющими криптографические вычисления. Впрочем, в данном аспекте новые процессоры ничем не отличаются от четырехъядерных Sandy Bridge в исполнении LGA1155.

Одним из слабых мест четырехъядерных Sandy Bridge является встроенный контроллер шины PCI Express 2.0, предлагающий лишь 16 линий PCI-E, которые иначе как х16+х0 или х8+х8, не сконфигурируешь. Этот факт пагубно сказывается на производительности конфигураций AMD CrossFireX и NVIDIA SLI в случае использования мощных графических адаптеров. Процессоры в исполнении LGA2011 поддерживают до 40 линий PCI Express, причем, при наличии соответствующей поддержки со стороны системной платы, скорость каждой линии PCI-E, по заверению чипмейкера, может составлять 8 Гбит/с. Возможность гибкой конфигурации портов PCI-E позволяет максимально эффективно использовать пропускную способность для организации конфигураций из нескольких видеокарт. Например, стали доступны связки х16+х16+х8 или х16+х8+х8+х8. Согласитесь, что для объединения даже самых производительных графических акселераторов этого более чем достаточно.

Кроме расширения возможностей работы с шиной PCI Express, процессоры Sandy Bridge-E получили четырехканальный контроллер ОЗУ, который обеспечивает работу модулей памяти стандарта DDR3 SDRAM c частотой 1600 МГц. Максимальный объем оперативной памяти может составлять 128 Гбайт. Теоретическая пропускная способность подсистемы ОЗУ процессоров в исполнении LGA2011 достигает невероятных 51200 МБ/с. Теперь становится ясно, почему новые Sandy Bridge-E используют разъем, обладающий 2011 контактами: увеличение количества линий PCI Express до 40 и четырехканальный контроллер памяти требуют огромного количества сигнальных и питающих цепей!

Несмотря на использование 32-нм технологического процесса и умеренного напряжения питания на вычислительных ядрах (не более 1,4 В), тепловой пакет чипов LGA2011 достигает 130 Вт. Сказывается чрезвычайная сложность полупроводникового кристалла. Как и предшественники, Sandy Bridge-E обладают продвинутыми возможностями энергосбережения и автоматического разгона. Системный агент в своем составе имеет блок PCU (Power Control Unit), который в режиме реального времени осуществляет мониторинг напряжений, тепловыделения и температуры отдельных функциональных узлов процессора. На основании этих данных, а также состояний P-state операционной системы, блок PCU может увеличивать частоты и напряжения на отдельных вычислительных ядрах до тех пор, пока тепловыделение находится в рамках TDP. Для процессоров Sandy Bridge-E прирост частоты при нагрузке в один-два вычислительных потока может достигать 600 МГц, в то время как при невысокой равномерной загрузке всех ядер тактовая частота может увеличиваться на 300 МГц. Таков алгоритм работы фирменной технологии Intel Turbo Boost 2.0.

Intel Sandy Bridge-E

Заметим, что из всех процессоров Core i7 новинки обладают самым агрессивным алгоритмом работы функции автоматического разгона. Если Intel Turbo Boost призвана обеспечить прирост быстродействия, то EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology), наоборот, помогает экономить электричество. Такой эффект достигается благодаря уменьшению времени перехода между энергоэффективными состояниями процессора, при которых значительно снижаются тактовые частоты и напряжения вычислительных ядер.


Чипсет Intel X79 Express

Вместе с процессорами Sandy Bridge-E чипмейкер представил обновленный набор системной логики — Intel X79 Express (Patsburg). Это единственный представитель линейки чипсетов 7-й серии. Впрочем, для флагманской платформы разнообразие и не нужно. Незадолго до анонса в сети Интернет циркулировали слухи, что наборы системной логики для платформы LGA2011 обретут поддержку десяти каналов SATA 6 Гбит/c, несметного количества портов USB 3.0 и так далее. На деле характеристики чипсета оказались несколько скромнее. Для начала, взглянем на блок-схему платформы LGA2011:

Intel X79 Express

Первое, что бросается в глаза — переход к одночиповой компоновке, что абсолютно ожидаемо, учитывая интеграцию контроллеров памяти и шины PCI Express на подложку центрального процессора. А еще, глядя на блок-схему, можно с легкостью заметить потрясающее сходство с... Intel Express P67! Их характеристики в точности совпадают, и нет ничего удивительного, если они окажутся близкими родственниками. Для связи процессора и единственной микросхемы набора системной логики используется высокоскоростная шина DMI (Direct Media Interface), которая состоит из четырех линий PCI-E 2.0 с суммарной пропускной способностью 20 ГБ/с. Чипсет предлагает восемь линий PCI Express 2.0, но не имеет поддержки PCI, которая может быть реализована только посредством дополнительного чипа-моста. Для подключения периферии имеются 14 портов USB 2.0, долгожданная поддержка универсальной последовательной шины третьего поколения так и не была реализована. Возможности организации дисковой подсистемы представлены шестью портами SATA, два из которых могут работать в режиме 6 Гбит/с, а остальные четыре — 3 Гбит/с. Если добавить к этому встроенный MAC (Media Access Controller) для сетевого интерфейса Gigabit Ethernet и поддержку High Definition Audio, то мы получим совершенную копию характеристик одного из наборов системной логики для процессоров в исполнении LGA1155. На фоне чипсетов для процессоров AMD FX характеристики Intel Express X79 выглядят неоднозначно. Формально возможности дисковой подсистемы системной логики для Intel Sandy Bridge-E проигрывают таковым для южного моста AMD SB950. А вот поддержкой USB 3.0 пока что обладает только чипсет AMD A75, предназначенный для APU, а потому не являющийся конкурентом для платформы LGA2011.

И все-таки одно серьезное отличие Intel Express X79 от чипсетов для платформы LGA1155 имеется, и связано оно с формированием тактовых частот для отдельных узлов системной логики. Все мы помним, что повышение базовой частоты более 7-10% на материнских платах для Sandy Bridge было невозможным именно из-за жесткой привязки всех тактовых частот чипсета к BCLK. Копеечная экономия на отдельных тактовых генераторах обернулась настоящим кошмаром для любителей оверклокинга. Единственным вариантом разгона процессоров Sandy Bridge оставалось приобретение моделей серии «К», у которых множитель процессорных ядер не заблокирован на повышение. На сей раз разработчики Intel пожалели пользователей и ввели в электрические схемы платформы LGA2011 дополнительный чип Intel DB1200GS, который играет роль управляемого преобразователя частоты. Благодаря последнему появилась возможность изменять базовую для процессора и памяти, не затрагивая шины DMI и PCI-E. Это позволит находить «островки стабильности» BCLK в районе 125 МГц, 167 МГц и так далее.

Intel Sandy Bridge-E

Фактически данный механизм будет востребован только владельцами четырехъядерных Sandy Bridge-E, которые допускают повышение коэффициента умножения вычислительных ядер только в пределах, отведенных функционированием технологии Intel Turbo Boost, то есть всего на 3 шага. Даже такой «реверанс» в сторону поклонников оверклокинга не может не радовать, но, конечно, лучшими вариантами для разгона по-прежнему остаются процессоры Extreme Edition и серии «К».
Теперь есть на что посмотреть