От Core i5-2300 до Core i5-11400: как за 10 лет недорогие процессоры Intel стали в 3,5 раза быстрее

Отчасти эта статья – дань юбилею, который мы чуть было не проморгали. В этом году исполнилось 10 лет с момента появления процессоров Sandy Bridge, перевернувших в своё время мир персональных компьютеров. Многие до сих пор вспоминают о них как о наиболее ярком примере того, как Intel® смогла одним махом улучшить архитектуру CPU, перестроить структуру платформы и добиться принципиального роста производительности. И хотя бы по этой причине они заслуживают того, чтобы помянуть их добрым словом.

Однако сегодня мы не будем петь дифирамбы Sandy Bridge и рассказывать о том, что «нонеча уже не то, что давеча». Дело в том, что недавно на рынок пришли процессоры Rocket Lake, которые в какой-то мере можно посчитать продолжателями традиций легендарных Sandy Bridge. Они, безусловно, не лишены заметных недостатков, связанных с использованием для их производства далеко не самого прогрессивного 14-нм техпроцесса, который Intel поставила на вооружение ещё в 2014 году. Но зато с точки зрения прироста быстродействия к ним сложно предъявлять какие-то претензии, поскольку удельная производительность применённых в Rocket Lake ядер Cypress Cove выросла сразу на 15-20 %, чем они как раз и напоминают Sandy Bridge.

Прирост производительности, который смогли обеспечить процессоры Rocket Lake, нагляднее всего видно на примере не флагманских модификаций, а устройств среднего ценового сегмента. Дело в том, что старшие представители семейства оказались серьёзно ограничены в характеристиках из-за своего запредельного тепловыделения — это было хорошо видно при тестировании восьмиядерников Core™ i9-11900K и Core™ i7-11700K. А вот у представителей серии Core i5 такой проблемы нет – эти процессоры в целом попроще, и прогресс в их производительности оказывается действительно очень заметным.

Чтобы показать, насколько серьёзный шаг вперёд сделали процессоры Rocket Lake на фоне предшественников, мы в рамках партнёрского проекта с компанией Intel решили провести большое ретроспективное сравнение и показать, как видоизменялись массовые предложения в средней ценовой категории в последние десять лет, в течение которых последовательно прошли друг за другом десять поколений процессоров Core. Сравнение величин прироста производительности при переходе от поколения к поколению должно позволить сделать обоснованный вывод о том, действительно ли Rocket Lake можно считать одним из самых результативных обновлений микроархитектуры и дизайна потребительских процессоров Intel.

В качестве объектов для сравнения мы отобрали девять младших процессоров серии Core i5, которые были выпущены за последние десять с небольшим лет, начиная с Core i5-2300 и заканчивая новейшим Core i5-11400. Что характерно, все они отличаются стабильной ценой, которая вот уже десять лет держится около $180. Благодаря этому такие процессоры в последние годы оказываются ко всему прочему и наиболее популярными решениями по статистике продаж за счёт привлекательного сочетания цены и производительности. Это делает сегодняшнее тестирование ещё интереснее – в нём мы наглядно увидим, как с 2011 года росла производительность наиболее массовых платформ ПК среднего уровня.

⇡#Десять лет прогресса Core i5: от Sandy Bridge до Rocket Lake

В разговоре о том, как развиваются в последние годы процессоры Intel среднего ценового диапазона, начинать с Sandу Bridge удобно не только по причине юбилея данного процессорного дизайна. В действительности именно с выходом этого семейства процессоров Intel смогла чётко определиться с характеристиками моделей, которые она собирается предлагать массовому пользователю. Именно с появлением Sandу Bridge настольные процессоры семейства Core i5 стали всегда обладать как минимум четырьмя вычислительными ядрами, а младшее решение такого рода получило закрепившуюся на многие годы цену около $180.

К тому же появление в 2011 году семейства Sandy Bridge оказалось одним из самых запоминающихся эпизодов в истории компании Intel как благодаря заложенным в него преобразованиям, так и за счёт серьёзного роста производительности, сразу отодвинувшего все прошлые решения на задний план. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эта микроархитектура теперь считается отправной точкой в ветке развития современных процессоров Intel.

Хотя первые процессоры под маркой Core были выпущены ещё в 2008 году на базе микроархитектуры Nehalem, все основные черты, которые присущи современным потребительским CPU компании Intel, проявились именно в Sandy Bridge. Представители этого семейства в первую очередь выделялись тем, что проектировались как система-на-чипе, где в единый полупроводниковый кристалл были помещены и традиционные процессорные, и графические ядра, а также контроллеры памяти и шины PCIe. Кроме того, в Sandy Bridge компания Intel перешла на использование общего дизайна полупроводникового чипа для разных применений: мобильных, настольных и серверных. Иными словами, в Sandy Bridge было заложено многое из того, что впоследствии на долгие годы стало характерными особенностями потребительских процессоров Intel.

Не менее серьёзные преобразования затронули и внутреннюю микроархитектуру. В Sandy Bridge разработчики примерно на четверть сократили длину исполнительного конвейера и добавили ключевой элемент, который впоследствии стал прерогативой всех современных CPU, — кеш декодированных микроопераций. В Sandy Bridge он был рассчитан на 1500 записей и позволял процессору не декодировать по второму разу закешированные x86-инструкции, что существенно сокращало число этапов, необходимых для их исполнения.

Кроме того, в процессорах Sandy Bridge появилась поддержка набора команд AVX, позволяющего проводить операции с 256-битными векторами. Это нововведение повлекло за собой расширение исполнительного домена в процессорном ядре, увеличение количества исполнительных устройств и реализацию более быстрых алгоритмов работы с данными, хранящимися в кеш-памяти.

В дополнение к перечисленному в процессорах Sandy Bridge впервые появилась высокоэффективная кольцевая шина, которая по сей день применяется для связи вычислительных ядер, блоков кеша, графического ядра и внеядерных элементов. Также в Sandy Bridge была реализована поддержка более скоростных, чем раньше, модулей памяти DDR3 SDRAM.

Верхняя часть семейства процессоров Sandy Bridge была сформирована из четырёхъядерных моделей, а представители средней серии Core i5 отличались тем, что были лишены поддержки технологии Hyper-Threading и обладали уменьшенным на четверть L3-кешем. Самый младший из таких четырёхъядерников, Core i5-2300, был оценён производителем в $177 и получил частоту 2,8 ГГц, которая была на 600 МГц ниже, чем у флагмана.

Core i5-2300

Через полтора года после появления Sandy Bridge на рынок пришли процессоры Ivy Bridge, которые сама Intel отнесла к эволюционному этапу «тик+», то есть к такому, где наряду с применением более совершенных норм техпроцесса нашли место и некие микроархитектурные улучшения. Впрочем, нельзя сказать, что микроархитектура Ivy Bridge смогла как-то существенно улучшить удельную производительность. Преимущества процессоров этого семейства лежали в несколько иной плоскости. Эта плоскость – энергоэффективность.

Переход с 32 нм на более новый техпроцесс с 22-нм нормами и трёхмерными FinFET-транзисторами позволил Intel оптимизировать тепловыделение и энергопотребление. В то время как типичные четырёхъядерные Sandy Bridge имели расчётное тепловыделение 95 Вт, тепловой пакет Ivy Bridge был ограничен более приемлемой планкой 77 Вт, соответствие которой не потребовало снижать тактовые частоты. Впрочем, в первую очередь это сыграло положительную роль в мобильном сегменте.

Что же касается десктопных версий Ivy Bridge, то у них появилась поддержка шины PCIe 3.0 и более скоростных типов DDR3-памяти. При этом младшая четырёхъядерная модификация в семействе, Core i5-3330, получила по сравнению с Core i5-2300 немного более высокую частоту на уровне 3 ГГц и чуть более высокую цену $182, которая с этого момента стала стандартной для младших моделей Core i5 на многие годы.

Core i5-3330

В следующем за Ivy Bridge поколении процессоров с кодовым именем Haswell разработчики по логике должны были сделать новый революционный шаг «так». Однако на практике очередной процессорный дизайн оказался скорее эволюцией, чем революцией. Во времена Haswell компания Intel не испытывала никакого давления со стороны конкурента, поэтому усовершенствованная микроархитектура принесла в лучшем случае 10-процентный прирост производительности по сравнению с Ivy Bridge.

Наиболее интересным изменением в Haswell стало появление поддержки инструкций из набора AVX2, реализация которой потребовала провести ребалансировку исполнительного домена, добавить дополнительные порты и устройства для исполнения инструкций.

Кроме того, в Haswell разработчики провели интересный эксперимент – перенесли схему питания процессора с материнской платы внутрь CPU. С одной стороны, это улучшило возможности по управлению питанием, но с другой — привело к росту тепловыделения процессоров, что в конечном итоге вылилось в отсутствие у Haswell какого-либо прогресса в тактовых частотах по сравнению с прошлым поколением. Всё это отлично видно по младшему четырёхъядернику – Core i5-4430. Расчётное тепловыделение этого чипа возросло до 84 Вт, но базовая частота так и осталась на отметке 3,0 ГГц.

Core i5-4430

Процессоры поколения Broadwell, при производстве которых впервые были использованы 14-нм нормы, не получили широкого применения, и по-настоящему массовых решений на основе этой микроархитектуры не выпускалось. А вот следующий шаг в развитии дизайнов, Skylake, стал для Intel знаменательной вехой, главным образом по той причине, что эта микроархитектура без каких-либо изменений эксплуатировалась с 2015 года пять лет подряд, а 14-нм технология производства продолжает оставаться актуальной до сих пор.

Хотя Skylake тоже считается «таком» в цикле разработки «тик-так», изменений в микроархитектуре этих процессоров было сделано не так много. Но зато была проведена давно напрашивавшаяся оптимизация входной части исполнительного конвейера, за счёт чего Skylake получили способность декодировать по пять, а не по четыре инструкции одновременно. Впрочем, в конечном итоге это принесло не слишком значительный прирост удельной производительности – вновь порядка 10 %, как и в поколении Haswell.

В то же время вокруг вычислительных ядер Skylake произошло довольно много больших перемен. Начала использоваться новая версия кольцевой шины с удвоенной полосой пропускания. Контроллер памяти получил совместимость с DDR4, а в довершение выросла и пропускная способность шины DMI, которой процессор соединяется с набором системной логики.

В сумме все эти изменения сделали младший четырёхъядерник семейства Skylake, Core i5-6400, довольно востребованным предложением. При стандартной цене в $182 он мог похвастать не только улучшенной по сравнению с предшественниками микроархитектурой, но и сниженным до 65 Вт типичным тепловыделением, повышенной до 3,1 ГГц частотой при полной нагрузке и работой в составе платформы LGA1151 с поддержкой DDR4-2133.

Core i5-6400

Произошедший в начале 2017 года переход от Skylake к Kaby Lake ознаменовал конец работы принципа «тик-так» в его первоначальном виде: очередной процессорный дизайн был отнесён к этапу «оптимизация». Применительно к Kaby Lake это означало отсутствие изменений в микроархитектуре, но улучшение параметров 14-нм технологического процесса, что в конечном итоге вылилось в некоторый прирост тактовых частот.

Процессор стоимостью $182 в семействе Kaby Lake получил название Core i5-7400. Его тактовая частота относительно Core i5-6400 выросла на 200 МГц, и при полной нагрузке на все четыре ядра он был способен работать при 3,3 ГГц. Кроме того, в Kaby Lake добавилась совместимость с более скоростной DDR4-2400 SDRAM, но в остальном это был довольно близкий родственник Core i5-6400.

Core i5-7400

На смену поколению Kaby Lake довольно быстро пришли процессоры Coffee Lake – первые представители серии были анонсированы даже в том же 2017 году. Столь стремительная смена поколений во многом была обусловлена успехом процессоров Ryzen – Intel хотела ответить на них как можно скорее. Но так как в 2017 году ни о какой смене микроархитектуры или техпроцесса говорить не было возможно, Coffee Lake продолжили опираться на «улучшенную» 14-нм производственную технологию и на ядра Skylake. Зато увеличилось число этих ядер: представители серий Core i7 и Core i5 стали сначала шестиядерниками, а немного позднее — ещё через год — в сериях Core i7 и Core i9 появились массовые процессоры и с восемью вычислительными ядрами.

Стоит заметить, что Coffee Lake привнесли улучшения и по другим направлениям. Во-первых, оптимизации техпроцесса позволила довольно заметно увеличить тактовые частоты. Во-вторых, улучшились возможности встроенного контроллера памяти: у него появилась поддержка более скоростной DDR4-2666 SDRAM.

В результате младший представитель серии Core i5 конца 2017 года — Core i5-8400 — был уже шестиядерным процессором с L3-кешем объёмом 9 Мбайт, правда, по традиции лишённым поддержки технологии Hyper-Threading. Но зато при нагрузке на все ядра этот CPU мог удерживать достаточно высокую тактовую частоту 3,8 ГГц, оставаясь (при удачном стечении обстоятельств) в рамках 65-ваттного теплового пакета.

Core i5-8400

Через год процессоры Core подросли на поколение, увеличив модельные номера, и на смену Core i5-8400 пришёл Core i5-9400, который был по сути почти таким же чипом с единственным отличием – увеличенной на 100 МГц тактовой частотой.

Core i5-9400

А ещё через полтора года, в апреле 2020-го, вышло ещё одно поколение процессоров, родственных Skylake, — Comet Lake. Благодаря очередной оптимизации 14-нм техпроцесса Intel смогла втиснуть на полупроводниковый кристалл ещё пару ядер, и старшие предложения компании в серии Core i9 стали десятиядерниками. Что же касается серий Core i7 и Core i5, то им, как и ранее, досталось по восемь и шесть ядер, а заодно — поддержка Hyper-Threading, которая в серии Core i7 была утрачена в прошлом поколении, а в серии Core i5 вообще никогда до этого не появлялась.

Таким образом, младший процессор среднего уровня, который можно было купить за $182, стал ещё привлекательнее – в нём к шести вычислительным ядрам добавилась поддержка 12 потоков, а объём кеш-памяти третьего уровня вырос до 12 Мбайт. Причём это не привело к снижению тактовой частоты: Core i5-10400 при полной нагрузке мог работать на 4 ГГц, но, правда, при условии отмены пределов потребления, которые поколение за поколением продолжали держаться на отметке в 65 Вт.

Core i5-10400

Наконец, в этом году на смену Core i5-10400 пришёл ещё более новый процессор – Core i5-11400. И в нём снова сделан большой шаг вперёд, и на этот раз в направлении совершенствования микроархитектуры. Всё семейство настольных процессоров Core 11-го поколения основываются на дизайне Rocket Lake. И хотя такие CPU по-прежнему производятся по 14-нм техпроцессу, их удельная производительность стала выше на 15-20 %, что сравнимо с тем рывком, который был сделан 10 лет тому назад в процессорах Sandy Bridge.

Для выпуска Rocket Lake компания Intel портировала на 14-нм техпроцесс 10-нм ядра Sunny Cove, которые уже почти два года используются в мобильных процессорах Ice Lake. Наиболее заметные микроархитектурные улучшения этих ядер заключаются в увеличении объёмов кеш-памяти на первом и втором уровне, в расширении размера кеша микроопераций плюс в очередном усилении исполнительного домена за счёт дополнительных портов и исполнительных устройств. Кроме того, в Rocket Lake появилась поддержка 512-битных инструкций набора AVX512.

Вместе с более эффективной микроархитектурой процессоры Rocket Lake получили поддержку скоростной памяти DDR4-3200 и современной шины PCIe 4.0. Кроме того, увеличилось количество линий в процессорном контроллере PCIe, и теперь он позволяет подключать не только графическую карту, но и высокоскоростной твердотельный накопитель.

В результате всех этих преобразований шестиядерный и двенадцатипоточный Core i5-11400 стал выглядеть очень привлекательно. Улучшений в нём много, а цена осталась на прежнем уровне — $182. Более того, не стала ниже и частота: при полной нагрузке на все ядра Core i5-11400 способен работать на 4,2 ГГц.

Core i5-11400

Единственное но: существенное усложнение ядер без внедрения новых производственных норм обернулось ожидаемым и довольно сильным ростом энергопотребления, что сделало Rocket Lake куда горячее предшественников. В заявленные 65-ваттные рамки Core i5-11400 явно не вписывается, поэтому для того, чтобы он был способен полностью раскрыть свой потенциал, с ним необходимо использовать мощную систему охлаждения. В противном случае реальная рабочая частота рискует оказаться заметно ниже частот предшественников, что в конечном итоге не даст реализовать выигрыш от более прогрессивной микроархитектуры.

⇡#Девять младших Core i5 в одной таблице

За десять лет, с 2011 по 2021 год, процессоры Intel среднего класса, цена которых держится на уровне $180, претерпели серьёзные изменения. Даже если не обращать внимания на усовершенствования в микроархитектуре, улучшения видны и по чисто численным параметрам. Количество ядер у представителей серии Core i5 выросло с четырёх до шести, а число поддерживаемых потоков – с четырёх до двенадцати. Кеш-память третьего уровня стала вместительнее вдвое. А тактовая частота выросла в полтора раза. В процессе развития процессоры приобрели поддержку векторных инструкций AVX2 и AVX512. Частота поддерживаемой ими памяти выросла в 2,4 раза, а пропускная способность шины PCI Express увеличилась вчетверо.

Однако в темпах развития младшие Core i5 несколько разошлись с флагманами. За те же 10 лет флагманские процессоры стали из четырёхъядерников восьми- или даже десятиядерниками, а их L3-кеш увеличился в два с половиной раза. Но вот тактовые частоты выросли лишь на 37 %. А это значит, что эволюция производительности в мире Core i5 протекала несколько иными путями, и проследить за ней особенно интересно. Чем мы и займёмся далее.