Итоги 2019 года: процессоры

Сегодня мы ставим финальную точку в череде материалов, посвященных «железным» итогам предыдущего года, и отличным финальным аккордом в ней должен стать наш взгляд на жизнь процессорного рынка, где в 2019 году разгорелись нешуточные страсти. Даже если вы были далеки от компьютерной индустрии, то происходящее с процессорами вряд ли могло обойти вас стороной. Революции следовали одна за другой, и в конце концов все они слились в едином тектоническом сдвиге, результатом которого стала и смена лидера, и коренное изменение самого понятия «современный процессор».

Если говорить более конкретно, то AMD наконец смогла вырвать у Intel первенство по части технологий и за счёт появившегося преимущества принялась налево и направо крушить устоявшиеся годами, а то и десятилетиями принципы. В результате для десктопных систем стали доступны процессоры с удвоенным количеством вычислительных ядер, процессоры Intel для высокопроизводительных HEDT-систем в одночасье подешевели вдвое, а производительность имеющихся решений для серверов и рабочих станций совершила впечатляющий рывок. И как только всё это успело произойти за короткие двенадцать месяцев? Давайте вспоминать.

⇡#Главное событие года: Zen 2

Вы наверняка уже поняли, что прошедший год оказался очень богатым на события, имеющие прямое отношение к процессорному рынку. Главным анонсом, благодаря которому 2019-й наверняка войдёт в историю IT-индустрии, стало появление процессоров, построенных на базе микроархитектуры AMD Zen 2. О том, что AMD возвращается в высшую лигу производителей процессоров, мы говорили и год, и два года назад. Но Zen 2 сильно всё изменила: компания взяла очень высокий темп внедрения инноваций и уже через два года после появления первых процессоров поколения Zen представила существенно усовершенствованный вариант первоначальной микроархитектуры.

Надо сказать, что изначально в Zen 2 компания совместно со своим новым производственным партнёром, тайваньской TSMC, собиралась лишь освоить 7-нм техпроцесс, не внося при этом заметных изменений в микроархитектуру. Однако на практике вышло иначе: инженеры решили уделить внимание устранению наиболее досаждающих недоработок, в результате чего процессоры на базе Zen 2 получились значительно лучше своих предшественников.

Совершенствование затронуло очень широкий набор аспектов. Во-первых, общую конструкцию. Внедрение нового техпроцесса и принципиально новой многочиплетной структуры позволило AMD нарастить число вычислительных ядер, не потеряв при этом в тактовых частотах и не отправив в космос энергопотребление и тепловыделение.

Во-вторых, новый контроллер ввода-вывода, расположившийся теперь в отдельном полупроводниковом кристалле, уравнял в правах все вычислительные ядра и устранил высокие латентности при их взаимодействии, даже если они попадают в разные CCX-блоки или CCD-чиплеты. Кроме того, он добавил новым процессорам поддержку PCI Express 4.0 и усовершенствованный контроллер памяти, который наконец-то лишился былой избирательности и стал позволять использовать высокоскоростные модули DDR4 SDRAM.

В-третьих, изменилась и микроархитектура, что вылилось в достаточно заметный рост показателя IPC (числа исполняемых за такт инструкций). Как впоследствии показали тесты, процессоры Zen 2 превосходят работающие на той же частоте чипы с архитектурой Zen+ примерно на 15 процентов, а Zen первого поколения — на все 23. Такого рывка хватило даже для того, чтобы AMD с точки зрения удельной производительности смогла превзойти актуальные десктопные процессоры Intel, в которых с 2015 года продолжает применяться микроархитектура Skylake.

Впрочем, полного разгрома позиций Intel всё-таки не случилось. Хотя у AMD и появилась микроархитектура и процессорный дизайн, которые позволили ей превзойти чипы Intel по удельной производительности и по количеству ядер, такие же высокие частоты, которых достигают флагманские продукты Intel, её процессорам пока не покорились. Несмотря на передовой 7-нм техпроцесс, верхняя планка частоты для Zen 2 (при полной многоядерной нагрузке) находится в окрестности 4,0-4,2 ГГц.

Тем не менее прогрессивность Zen 2 не вызывает никаких сомнений. На момент своего появления это был, пожалуй, самый мощный вариант реализации x86. AMD в Zen 2 не стала экономить на подсистеме кеш-памяти, серьёзно расширила кеш микроопераций, перевела планировщик на наиболее эффективные алгоритмы предсказание переходов, улучшила возможности внеочередного исполнения за счёт увеличения размера буфера переупорядочивания инструкций, нарастила мощность исполнительного домена путём добавления дополнительного порта и расширила средства загрузки данных. Кроме того, в Zen 2 была исправлена одна из самых главных проблем Zen и Zen+ – в микроархитектуре появилась возможность обрабатывать 256-битные AVX2-инструкции без разбиения каждой из них на две 128-битных. Блок FPU при этом остался удивительно энергоэффективным: процессоры на базе Zen 2 при работе с векторными инструкциями не требуют снижения тактовой частоты.

Создав на базе Zen 2 универсальный «строительный блок» – 7-нм вычислительный чиплет с восемью ядрами и 32 Мбайт L3-кеша – AMD смогла наплодить огромное количество разнообразных CPU, ориентированных как на серверный, так и на десктопный и HEDT-сегменты. Причём все эти процессоры оказались не только уникальными по дизайну и характеристикам, но и вполне удачными решениями, с помощью которых компания смогла уверенно продолжить свою экспансию на процессорном рынке. Согласно оценкам аналитиков из Mercury Research, доля AMD в сегменте настольных процессоров выросла за год на 5 процентных пунктов и к концу третьего квартала достигла уровня в 18 %. В серверном же сегменте позиции компании улучшились более чем вдвое – сейчас AMD может похвастать долей в 4,3 %.

Не может пока гордиться значительными успехами AMD лишь в мобильном сегменте, хотя определённые подвижки наблюдаются даже на этом направлении. Например, огромным достижением стало то, что мобильные процессоры AMD на базе прошлой микроархитектуры Zen+ смогли попасть в одну из версий 15-дюймового ноутбука Microsoft Surface Laptop 3. Впрочем, полноценное вторжение AMD в портативные системы ожидается в этом году, после того как на смену мобильным Picasso придут основанные на микроархитектуре Zen 2 восьмиядерные процессоры Renoir. И старт первой атаке на мобильный сегмент уже дан. На выставке CES 2020 компания раскрыла все заготовленные у неё козыри, которые смогли впечатлить многих производителей ноутбуков: в течение этого года ожидается появление более сотни разновидностей ноутбуков на платформе AMD.

⇡#Альтернативное главное событие года: Ice Lake

Прошлогодняя пассивность AMD в мобильном рыночном сегменте была с лихвой компенсирована действиями Intel, которая в сложившейся ситуации чувствует уверенность в завтрашнем дне в первую очередь благодаря своему довольно устойчивому положению в качестве поставщика процессоров для ноутбуков. К тому же именно мобильный сегмент Intel выбрала в качестве испытательного полигона для внедрения передовых микроархитектур и производственных технологий. В то время как в десктопном и серверном сегменте у компании давно наблюдается застой, с процессорами для ноутбуков прогресс худо-бедно движется. Здесь компания даже сумела представить долгожданные 10-нм процессоры Ice Lake, которые вызвали немалый интерес у производителей портативных компьютеров.

Впрочем, вряд ли Ice Lake сыграет для Intel такую же значительную роль, какую Zen 2 сыграла для AMD. И дело не только в том, что ареал распространения Ice Lake ограничен одними лишь тонкими и лёгкими ноутбуками. Важнее то, что в действительности в этих процессорах нет ничего такого, из-за чего ими можно было бы безоговорочно восхищаться.

Во-первых, это уже не первые решения, для производства которых Intel применила свою многострадальную 10-нм технологию. Ещё в 2017 году компанией были выпущены Cannon Lake – пусть и ограниченно доступные и сильно урезанные по возможностям, но всё-таки серийные 10-нм процессоры. И хотя у Ice Lake, в отличие от предшественников, предусмотрено уже четыре, а не два вычислительных ядра и есть реально работающее и достаточно неплохое графическое ядро, в 2019 году они уже не производят столь яркого впечатления, тем более что для всей остальной микропроцессорной индустрии 10 нм – пройденный этап.

Во-вторых, несмотря на всю свою прогрессивность, Ice Lake так и не смогли занять место флагманских предложений в модельном ряду даже среди процессоров U-класса. Поэтому десятое поколение мобильных Core составлено у Intel не только из новых 10-нм представителей, но и из 14-нм процессоров Comet Lake, которые смогли предложить до шести вычислительных ядер и максимальные частоты на уровне 4,7-4,9 ГГц при тепловом пакете 25 Вт. При этом представители более «прогрессивной» серии Ice Lake ограничиваются лишь четырьмя ядрами, частотами не выше 3,9 ГГц, и не превосходят собратьев, наследующих микроархитектуру Skylake, по производительности. В итоге единственное неоспоримое достоинство Ice Lake на фоне Comet Lake заключается в наличии в разы более мощного графического ядра. Оно относится к одиннадцатому поколению архитектуры GPU и, располагая массивом из 64 вычислительных блоков, в максимальных конфигурациях Iris Pro может предложить производительность до 1,15 Тфлопс.

Вместе с тем мы всё-таки причислили выход Ice Lake к числу важнейших анонсов 2019 года — и сделали это потому, что в данных процессорах Intel наконец-то внедрила новую микроархитектуру Sunny Cove. Она получила значительные отличия от многострадальной Skylake, что в итоге вылилось в очень заметный прирост IPC, который достигает 18 %. А это значит, что хотя AMD и смогла догнать и даже немного перегнать Skylake в терминах удельной производительности процессорных ядер, в действительности Zen 2 – всё же не самая мощная микроархитектура сегодняшнего дня. Другое дело, что Sunny Cove, в отличие от Zen 2, пока рассчитана на применение исключительно в мобильных процессорах, и хотя она имеет некоторый шанс в обозримом будущем попасть в серверы, выход десктопных массовых процессоров на её основе кажется маловероятным.

А жаль, ведь в Sunny Cove по сравнению с Skylake сделано очень много давно назревших улучшений. К их числу стоит причислить совершенствование алгоритмов предсказания переходов и предварительной выборки, увеличение размеров кеш-памяти первого и второго уровней, полуторакратное увеличение кеша декодированных микроопераций, существенное увеличение размеров буфера переупорядочивания инструкций, добавление двух новых исполнительных портов и поддержку нового набора инструкций AVX-512 (DL-Boost). Впрочем, если настольные варианты Ice Lake так и не будут выпущены, то следующее поколение процессорного дизайна, Tiger Lake, десктопные системы уже точно не обойдёт стороной. А там будет использована ещё более прогрессивная микроархитектура Willow Cove, которая к реализованным в Sunny Cove изменениям добавит как минимум ещё и увеличенный кеш третьего уровня.

Особо отметить Ice Lake мы решили и ещё по одной причине. Выводя эти процессоры на рынок мобильных решений, Intel вновь решила прибегнуть к «платформенному» подходу и постаралась сделать ноутбуки на базе новых процессоров не просто очередными мобильными компьютерами с улучшенной производительностью и автономностью, а как можно более яркими решениями, которые бы превосходили предшественников на качественном и даже эмоциональном уровне. Для этого компания запустила проект Athena, в рамках которого стала помогать производителям с созданием на базе Ice Lake нового класса портативных систем, которые бы обладали современной аппаратной начинкой, демонстрировали бы высокий уровень отзывчивости и быстродействия, имели бы все современные интерфейсы, включая WiFi 6 и Thunderbolt 3, обеспечивали бы длительное время работы от аккумулятора, поддерживали ИИ-приложения и биометрические методы аутентификации пользователя и тому подобное. Кроме того, по замыслу Intel, такие системы должны иметь современный форм-фактор, небольшие размеры и вес, должны быть удобными в использовании и отличаться привлекательным внешним видом. За счёт такого подхода Intel надеется остаться в мобильном сегменте в роли законодателя мод, определяющего развитие отрасли на концептуальном уровне, несмотря на грядущее и неизбежное обострение конкуренции с AMD и ARM.

⇡#Главная проблема года: дефицит

Дефицит процессоров, безусловно, стал самой обсуждаемой темой ушедшего года. Ещё бы, до сих пор с такими затяжными проблемами с доступностью тех или иных продуктов отрасли сталкиваться не приходилось. А в прошлом году от невозможности купить ту или иную модель CPU страдали в разной степени как розничные покупатели, так и крупные сборщики компьютеров. Это продолжалось на протяжении всех двенадцати месяцев, причём проблемы возникали с поставками как процессоров Intel, так и AMD, хотя до этого дефицит затрагивал лишь 14-нм процессоры Intel.

Впервые о том, что компания Intel не справляется с удовлетворением заказов клиентов, заговорили ещё в середине 2018 года. Тогда казалось, что речь идёт о кратковременных трудностях, но по факту вышло, что микропроцессорный гигант столкнулся с системной проблемой. Официально её причина озвучивается так: рынок вырос сильнее, чем ожидалось, и Intel, которая уже начала переводить свои 14-нм мощности на более современную 10-нм технологию, оказалась не готова к такому повороту событий.

Однако на самом деле корни дефицита стоит искать гораздо глубже. Помимо того, что ошибки с прогнозами действительно имели место, серверные клиенты заметно увеличили закупки продукции из-за возникшей необходимости срочно наращивать производительность своих систем после того, как она упала вследствие применения заплаток, противодействующих уязвимостям Spectre, Meltdown, Foreshadow, RIDL, Fallout и другим. Попутно с этим загрузка производственных мощностей у Intel выросла и из-за того, что компания в сложившейся конкурентной обстановке была вынуждена перейти к выпуску массовых процессоров с крупными шести- и восьмиядерными кристаллами, к чему она была готова не в полной мере.

В итоге мы получили достаточно забавную картину. За прошлый год Intel расширила свои 14-нм производственные мощности примерно на четверть, потратив на запуск дополнительных линий миллиарды долларов, и даже перевела часть 14-нм продукции на 22-нм техпроцесс. В дополнение к этому для удовлетворения спроса компания стала выпускать «серию Core F» – десктопные процессоры с отключенным встроенным графическим ядром, основанные на полупроводниковых кристаллах, которые ранее отправлялись в утиль из-за дефектов в области GPU. Но несмотря на предпринятые меры, окончательно совладать с дефицитом так и не удалось. Партнёры Intel до сих пор продолжают жаловаться на нехватку недорогих моделей CPU, и компании под конец года вновь пришлось каяться перед клиентами и просить у них прощения на официальном уровне.

Впрочем, в какой-то степени ситуация с недопоставками процессоров Intel за прошедший года всё-таки улучшилась. По крайней мере, если говорить о предложениях для настольного сегмента, реализуемых через розничную сеть, то дефицит сейчас ощущается лишь в отношении представителей классов Core i3, Pentium и Celeron, а старшие модели 14-нм чипов присутствуют на полках магазинов в достаточных количествах, по ценам, близким к рекомендованным. Intel выбрала вполне понятную тактику – в первую очередь стараться удовлетворить спрос на более дорогие и маржинальные продукты, и это ей действительно удаётся.

Динамика цены Core i9-9900K на Amazon

Справедливости ради нужно напомнить и о том, что с неспособностью полностью удовлетворить потребности рынка в 2019 году столкнулась и компания AMD. Во второй половине года, после выпуска 7-нм семейства процессоров Ryzen 3000, то одни, то другие его представители либо пропадали из продажи, либо продавались по сильно завышенным ценам. Как комментировала ситуацию сама AMD, в её случае дефицит был связан с просчётами в оценках спроса и ошибках при размещении заказов на предприятиях TSMC, однако кажется, что в действительности причины проблем тоже стоит искать глубже.

Дело в том, что недопоставки затрагивали главным образом флагманские модели, которые собираются на основе нескольких 7-нм вычислительных чиплетов. В таких процессорах должны использоваться наиболее качественные полупроводниковые кристаллы, способные брать высокие частоты при умеренном тепловыделении, но доля такого кремния в продукции производственного партнёра AMD, очевидно, получается недостаточно высокой.

В итоге цены на выпущенные в середине года 12-ядерные процессоры Ryzen 9 3900X смогли опуститься до назначенного производителем уровня лишь совсем недавно, а анонс 16-ядерного Ryzen 9 3950X из-за производственных проблем вообще пришлось передвинуть на два месяца позднее. С заметными перебоями поставляются и HEDT-процессоры семейства Ryzen Threadripper третьего поколения. Более того, на невозможность получить процессоры в достаточных количествах жалуются в том числе и партнёры AMD, заинтересованные в приобретении серверных процессоров EPYC поколения Rome. По признанию самой компании, дело доходит до того, что ей даже приходится отказывать некоторым крупным клиентам.

Динамика цены Ryzen 9 3900 на Amazon. Точками обозначено отсутствие CPU в продаже

В истории с дефицитом процессоров AMD тревожным фоном выступают периодически всплывающие сообщения о перегрузке 7-нм производства TSMC заказами. Однако маловероятно, что недопоставки процессоров AMD продлятся продолжительное время. Благодаря удачному запуску микроархитектуры Zen 2 и успеху видеокарт серии Radeon RX 5000 компании AMD удалось стать очень значимым заказчиком тайваньской полупроводниковой кузницы. Судя по всему, ко второй половине 2020 года она окажется крупнейшим пользователем 7-нм техпроцесса TSMC, обойдя по объёму заказов и Apple, и HiSilicon, и Qualcomm. Естественно, с пожеланиями столь важного и перспективного партнёра TSMC должна считаться в первую очередь. Поэтому недавно обозначенное намерение AMD начать в скором времени поставки 64-ядерных процессоров Ryzen Threadripper, в которых используется сразу восемь качественных 7-нм кристаллов, совсем не выглядит как невыполнимое обещание.