Обзор Core i9-13900K: агрегат на 350 ватт (на самом деле нет)

Intel давно отказалась от подхода «тик-так» в разработке, но тем не менее его отголоски всё ещё можно уловить при выпуске компанией новых продуктов. Например, на смену Alder Lake, который не совсем вписывался в этот принцип и привнёс сразу и новый техпроцесс, и новую архитектуру, пришло новое поколение Raptor Lake, имеющее явные признаки промежуточного технологического шага «оптимизация». Эта стадия стала популярным методом совершенствования процессоров ещё во времена господства архитектуры Skylake, и Intel не отказывается от неё и сегодня. Но есть важное отличие: теперь оптимизационные шаги связаны не столько с желанием максимально растянуть жизненный цикл старых разработок, сколько с ростом темпа смены поколений CPU.

Raptor Lake — уже третье семейство десктопных процессоров Intel с начала 2021 года, и было бы странно ожидать от него каких-то кардинальных нововведений. В то же время Raptor Lake — далеко не такая «оптимизация», как та, к которой прибегала компания, получая Coffee Lake и Comet Lake из Kaby Lake. На этот раз подход Intel куда основательней, и Raptor Lake — не просто Alder Lake с дополнительными вычислительными ядрами.

С одной стороны, Raptor Lake действительно унаследовал все основные черты Alder Lake. Это основанный на тех же принципах гибридный процессор, собранный с использованием производительных и энергоэффективных ядер с той же, что и раньше, микроархитектурой. Более того, он предназначен для экосистемы LGA1700 и полностью совместим со старыми материнскими платами и поддерживает как DDR5-, так и DDR4-память. С другой стороны, у Raptor Lake серьёзно выросли тактовые частоты, что связано с улучшениями технологического процесса Intel 7. К тому же новый процессор получил удвоенное количество E-ядер и, кроме того, у всех его ядер увеличился объём кеш-памяти второго уровня.

Таким образом, хотя Raptor Lake и нельзя назвать полномасштабным обновлением, в нём есть достаточный набор преимуществ как для мало-, так и для многопоточных нагрузок. И это значит, что, с точки зрения пользователя, Raptor Lake должен быть лучше Alder Lake буквально везде: и в ресурсоёмких приложениях для создания и обработки контента, и в игровой нагрузке. Насколько значительны эти улучшения с практической точки зрения, мы и проанализируем в этом материале.

⇡#Производительные и энергоэффективные ядра Raptor Lake

Начиная поиски глубинных различий Raptor Lake и Alder Lake, стоит уточнить, что производятся они по одному и тому же технологическому процессу Intel 7, то есть по 10-нм нормам (полное название техпроцесса — 10 nm Enhanced SuperFin). Более того, ядра, лежащие в основе Raptor Lake, тоже нельзя назвать новыми: это даже не редизайн, а скорее то, что называют словом «рефреш». Фактически все внутренние усовершенствования в новом CPU затрагивают исключительно кеш-память и контроллер DDR4/DDR5, но не касаются других функциональных блоков. В этом смысле Raptor Lake можно было бы назвать даже не новым кодовым именем, а проще — Alder Lake 2.0.

Однако при отсутствии явных микроархитектурных изменений производительные ядра Raptor Lake в сравнении с ядрами Golden Cove процессоров Alder Lake получили гораздо более высокую тактовую частоту. И это связано с имеющими место эволюционными улучшениями в технологическом процессе. Хотя разрешение литографии не изменилось, при производстве Raptor Lake применяется оптимизированная версия технологии Intel 7 с SuperFin-транзисторами третьего поколения, которые отличаются сниженным сопротивлением канала. Это позволило инженерам Intel пересмотреть зависимость частоты ядер от их напряжения и в конечном итоге добиться повышения тактовых частот без заметного роста напряжения питания. Описывая новую зависимость, Intel указывает, что при равной частоте Raptor Lake может использовать на 50 мВ меньшее напряжение по сравнению с Alder Lake, а при равном напряжении его частота может быть выше на 200 МГц.

Просуммировав эти улучшения, инженерам удалось довести максимальную частоту производительных ядер Raptor Lake до 5,8 ГГц — величины, превышающей предельную частоту Alder Lake на 600 МГц! Заодно выросла частота и энергоэффективных ядер — она доведена до 4,3 ГГц, что выше, чем у Alder Lake, на 400 МГц.

Оптимизированный техпроцесс позволил не только поднять частоты, но и увеличить транзисторный бюджет, который был израсходован на увеличение количества вычислительных ядер. В то время как кристалл Alder Lake содержал восемь производительных и восемь энергоэффективных ядер, в Raptor Lake число энергоэффективных ядер удвоилось. Иными словами, без смены технологических норм Intel сделала первые процессоры гражданского назначения с 24 ядрами (16 из которых — энергоэффективные).

Однако всё это не прошло бесследно для энергопотребления и тепловыделения. В то время как тепловой пакет старших Raptor Lake остался на 125-Вт отметке, границу их максимального энергопотребления пришлось отодвинуть до 253 Вт. И это значит, что новые процессоры Intel – самые прожорливые потребительские CPU за всю историю.

Впрочем, не нужно думать, что Raptor Lake – это накачанный дополнительными ядрами и разогнанный Alder Lake. Есть у новых процессоров и заметные внутренние улучшения: все ядра Raptor Lake получили увеличенный L2-кеш. Если говорить о производительных ядрах Golden Cove, то на каждое такое ядро теперь приходится по 2 Мбайт кеш-памяти второго уровня, что в 1,6 раза превышает объём L2-кеша P-ядер процессоров Alder Lake. Вместе с тем Intel говорит и о новом алгоритме предварительной выборки данных. В итоге новый L2-кеш P-ядер получил 16-канальную ассоциативность (что улучшило его эффективность), но возросшую с 15 до 16 тактов латентность.

Увеличился в объёме и L2-кеш энергоэффективных ядер Gracemont. В Alder Lake на каждые четыре ядра приходился объединённый 2-Мбайт кластер кеш-памяти второго уровня. В Raptor Lake размер этого кластера увеличен до 4 Мбайт. Таким образом, с точки зрения общего объёма L2-кеша Intel смогла добиться двукратного превосходства над процессорами Ryzen 7000. Однако по суммарному объёму кеш-памяти процессоры Intel всё ещё отстают от конкурентов. L3-кеш в Raptor Lake не изменился, и на каждое P-ядро или четвёрку E-ядер приходится по 3 Мбайт кеш-памяти третьего уровня. Следовательно, самая старшая версия процессора семейства Raptor Lake с ядерной формулой 8P + 16E располагает 36-Мбайт L3-кешем.

Попутно Intel смогла нарастить частоту кольцевой шины. В Alder Lake под нагрузкой она работала на 3,6 ГГц, а в Raptor Lake её частота доходит до 4,4 ГГц. Однако это не привело к увеличению скорости L3-кеша или к снижению задержек межъядерного взаимодействия, а лишь компенсировало появление дополнительных узлов на кольцевой шине, необходимых для дополнительных E-ядер.

Всё это видно на графиках теста CacheMem: по латентности L2- и L3-кеш-памяти Raptor Lake уступает и Alder Lake, и Zen 4 почти во всём диапазоне размеров блоков. Но при этом нельзя не заметить положительное влияние увеличения кеш-памяти второго уровня.

В дополнение к перечисленным изменениям Intel добавила в Raptor Lake поддержку более скоростных типов памяти. Теперь LGA1700-процессоры стали официально совместимы не только с DDR5-4800, но и с DDR5-5200 и даже с DDR5-5600. Причём в реальности контроллер памяти Raptor Lake способен на гораздо большее. Производители оверклокерской памяти с прицелом на новые CPU уже предлагают серийные комплекты DDR5-8000, а текущий подтверждённый рекорд разгона памяти, установленный на Raptor Lake, — DDR5-11130.

Увеличение кеш-памяти и рост числа ядер ожидаемо раздули полупроводниковый кристалл Raptor Lake. Его площадь достигла 257 мм², что превосходит площадь кристалла Alder Lake примерно на 24 %.

Однако Raptor Lake не стал самым большим потребительским процессором Intel: восьмиядерные Rocket Lake, которые производились по 14-нм техпроцессу, достигали по площади 281 мм². Тем не менее совершенно очевидно, что ещё раз увеличить количество ядер в планируемых процессорах Raptor Lake Refresh без перехода на более современную производственную технологию уже будет невозможно.

⇡#Модельный ряд Raptor Lake

На данный момент Intel выпустила только первую группу процессоров, входящих в семейство Raptor Lake, — оверклокерские модели с шестью и восемью P-ядрами, нацеленные на аудиторию энтузиастов. Всего таких моделей три: Core i9-13900K, Core i7-13700K и Core i5-13600K, но к ним прилагается ещё три аналогичных KF-варианта без интегрированной графики.

В сравнении с представителями семейства Alder Lake новые оверклокерские Raptor Lake имеют такое же число P-ядер. Но число E-ядер удвоилось у всех трёх новинок. Флагманский Core i9-13900K получил ядерную формулу 8P + 16E, Core i7-13700K с формулой 8P + 8E оказался аналогом Core i9-12900K, а Core i5-13600K стал 14-ядерником со схемой 6P + 8E.

Вместе с увеличенным числом ядер новые процессоры получили и повышенные частоты. Самый сильный, 600-МГц рывок совершил флагманский Core i9, но и процессоры попроще тоже работают на более высоких скоростях. В итоге даже Core i5 и Core i7 в турборежиме перескакивают через 5-ГГц планку. И более того, старший вариант Alder Lake, Core i9-12900K, оказался превзойдён по частотам не только новым флагманом, но и субфлагманским процессором Core i7-13700K, который формально находится на более низкой ступеньке иерархии.

Обратная сторона подобного накручивания частот и ядер без явных улучшений архитектуры и техпроцессов — рост энергетических аппетитов. Максимальное долговременное потребление (предел PL1) у Core i9-13900K и Core i7-13700K подскочило до 253 Вт, а запросы Core i5-13600K выросли до 181 Вт. То есть, даже по официальным данным, Core i9-13900K стал прожорливее своего предшественника на 5 %, Core i7-13700K – на 33 %, а Core i5-13600K – на 20 %.

Три оверклокерские модели (или шесть, если считать вместе с версиями без встроенной графики) — далеко не всё семейство Raptor Lake. В начале следующего года ряд этих процессоров пополнится новыми моделями, не относящимися к K-серии. Однако не все процессоры Core с модельными номерами, начинающимися на 13, будут относиться к серии Raptor Lake. В ней Intel собирается смешать Raptor Lake и Alder Lake, и, судя по имеющимся данным, усовершенствованные ядра с увеличенным L2-кешем будут присущи лишь представителям серий Core i9 и Core i7. В процессорах же Core i5, отличных от Core i5-13600K, а также в Core i3 продолжит использоваться старый дизайн Alder Lake, и L2-кеш в них будет меньше.

⇡#Чипсет Z790

Появление каждого нового поколения процессоров Intel неизменно сопровождается выпуском новых чипсетов. Так произошло и в этот раз. Вместе с Raptor Lake на рынке появились материнские платы, основанные на системной логике семисотой серии. Пока в основе всех таких плат лежит лишь одна микросхема Z790, но позднее ассортимент чипсетов станет шире и компанию ей составит более доступная B760.

Впрочем, в действительности в платах на новых чипсетах нет острой необходимости. Для Raptor Lake вполне подойдут любые LGA1700-платы прошлого поколения на Z690 или B660. Никаких нерешаемых проблем совместимости быть не должно, максимум, что может потребоваться для обеспечения совместимости новых процессоров со старыми платами — обновить BIOS, а в некоторых случаях и прошивку микроконтроллера Intel Management Engine.

Нет у новых плат на Z790 и каких-то явных преимуществ в смысле характеристик. Z790 и Z690 очень похожи: материнские платы и на том и на другом чипсете могут работать с DDR5- и DDR4-памятью (но не с обоими видами сразу), обеспечивают поддержку слота PCIe 5.0 x16 для установки видеокарты, предлагают сразу несколько слотов для PCIe 4.0 SSD и обладают мощными многофазными контроллерами питания, которых хватит как для Core i9-12900KS, так и для Core i9-13900K.

Заметное преимущество у нового чипсета лишь одно: в нём поддерживается больше линий PCIe 4.0. В то время как старая системная логика предлагала 12 линий PCIe 4.0 и 16 линий PCIe 3.0, в новой число линий PCIe 4.0 выросло до 20, но при этом количество линий PCIe 3.0 сократилось до 8. Иными словами, восемь линий PCIe были переключены из режима 3.0 в 4.0. Но при этом новый чипсет, как и его предшественник, соединяется с процессором той же шиной DMI 4.0 x8 с пропускной способностью 15,8 Гбайт/с, поэтому в конечном итоге воспользоваться более высокими скоростями дополнительных линий PCIe 4.0 вряд ли получится.

Есть и ещё одна деталь: в Z790 стало поддерживаться на один порт USB 3.2 Gen 2×2 Type-C больше – теперь их может быть пять, а не четыре. Однако такое количество портов этого типа в любом случае на материнских платах не устанавливается, поэтому данное преимущество является таковым исключительно на бумаге.

Что же касается разгона процессоров и памяти, а также производительности, то здесь принципиальных различий между платами на Z790 и Z690 нет. Хорошие платы на Z690 могут быть вполне подходящей платформой для Raptor Lake, и считать, что для новых процессоров предпочтительнее брать более новые материнки, нет никаких причин.

⇡#Подробнее о Core i9-13900K

В этом обзоре речь идёт о Core i9-13900K — старшем представителе семейства Raptor Lake. И хотя (как уже можно было понять по сказанному выше) этот процессор не имеет заметных архитектурных преимуществ перед Core i9-12900K, весомых плюсов на фоне предшественника у него не так уж и мало.

Во-первых, у него вдвое больше энергоэффективных ядер, и в сумме это — 24-ядерник с формулой 8P + 16E. Правда, E-ядра, как и раньше, не поддерживают Hyper-Threading, поэтому Core i9-13900K одновременно способен исполнять только 32 потока, как, например, и 16-ядерный Ryzen 9 7950X.

Во-вторых, у Core i9-13900K больше кеш-памяти. Суммарный объём L2-кеша новинки достигает 32 Мбайт, а его L3-кеш вырос до 36 Мбайт. При этом L3-кеш использует уникальную для потребительских CPU инклюзивно-неинклюзивную стратегию. Решения о том, стоит ли дублировать в L3 информацию из L2-кеша, принимаются процессорной логикой на лету, за это отвечают алгоритмы машинного обучения, анализирующие телеметрию CPU в реальном времени.

В-третьих, старший Raptor Lake получил значительно более высокие предельные частоты. Ранее уже говорилось о максимальных 5,8 ГГц, но в реальности частотная формула Core i9-13900K значительно сложнее. Базовая частота его P-ядер установлена в 3,0 ГГц, но технология Turbo Boost 2.0 разрешает им разгоняться до 5,3 ГГц при полной нагрузке или до 5,4 ГГц при нагрузке на два ядра. Поверх Turbo Boost 2.0 работает Turbo Boost Max 3.0 — эта технология выделяет в процессоре два «счастливых ядра», которым по одному позволено разгоняться до 5,7 ГГц. Уровнем ещё выше стоит технология Thermal Velocity Boost: только лишь она позволяет «счастливым ядрам» при однопоточной нагрузке увеличивать свою частоту до 5,8 ГГц, а всем остальным — до 5,5 ГГц, но с дополнительным условием — температура процессора должна быть не выше 70 градусов. Более того, для достижения максимального эффекта Thermal Velocity Boost должна работать вместе с функцией Adaptive Boost Technology, которая отвечает за способность процессора при полной нагрузке поднимать до 5,5 ГГц частоту на всех P-ядрах сразу. Что же касается E-ядер, то с ними всё значительно проще. Для них предусмотрена одна версия турборежима, Turbo Boost 2.0, и она позволяет повышать частоту с базовых 2,2 до максимальных 4,3 ГГц.

В таблице характеристик среди прочих флагманов Core i9-13900K смотрится рекордсменом и по числу ядер, и по частотам, и по максимальному потреблению. Но в действительности ситуация, конечно, не столь однозначна, и в работе Raptor Lake есть масса нюансов. Самый главный: функционирование всех P-ядер Core i9-13900K на частоте 5,5 ГГц и всех E-ядер на частоте 4,3 ГГц при ресурсоёмкой многопоточной нагрузке — совершенно нереалистичный для этого процессора сценарий. Величина MTP (Maximum Turbo Power), сдерживающая потребление процессора (она задаёт пределы PL1 и PL2), установлена для Core i9-13900K в 253 Вт, и при действии этого ограничения реальные частоты Core i9-13900K оказываются заметно ниже.

Ниже на графике показаны частоты P- и E-ядер Core i9-13900K при рендеринге в Cinebench R23 с задействованием разного количества потоков. На нём хорошо видно, что частота 5,5 ГГц на P-ядрах в действительности удерживается лишь до 16-17-поточной нагрузки, а при рендеринге на максимуме она падает до 5 ГГц на P-ядрах и до 4,1 ГГц на E-ядрах.

Впрочем, такая зависимость частоты от нагрузки обусловлена действием пределов PL1 и PL2, которые, вообще говоря, можно скорректировать или совсем отменить. Однако если ранее данный трюк проходил для процессоров Intel довольно безболезненно, то в случае с Core i9-13900K отменить лимиты энергопотребления без негативных последствий не получится. При полной нагрузке в том же Cinebench R23 потребление ничем не сдерживаемого Core i9-13900K способно достигать порядка 350 Вт, и это очень много — отвести такое количество тепла не в силах никакие распространённые системы охлаждения, включая и кастомные СЖО, собранные из компонентов высокого класса. То есть при отмене пределов PL1 и PL2 неминуемо возникнет проблема с перегревом — процессор быстро достигнет температуры в 100 градусов и сбросит частоту уже из-за троттлинга.

В процессе тестирования мы решили проверить, насколько сильно 253-Вт предел сдерживает производительность Core i9-13900K и где находится та граница, до которой этот предел можно отодвигать без угрозы для температурного режима, если в системе применяется высокоэффективная система охлаждения. На графике ниже отображены итоги такого эксперимента — кривая результатов многопоточного теста Cinebench R23, построенная в зависимости от выбора разных пределов потребления, и кривая, отображающая температуру во время такого теста.

Для того чтобы правильно прочитать этот график, нужно иметь в виду две вещи. Первое: в нашей системе использовалась кастомная система жидкостного охлаждения на компонентах EKWB с 360-мм радиатором и водоблоком серии EK-Quantum Velocity. И второе: чтобы полнее оценить ситуацию с нагревом, мы в экспериментальных целях отодвинули точку включения троттлинга до 115 градусов, что при повседневном использовании делать категорически не рекомендуется.

До анонса Core i9-13900K в Сети можно было встретить утверждения «осведомлённых источников», будто энергопотребление флагманского Raptor Lake составит порядка 350 Вт. Эти слухи не подтвердились — процессору искусственно ограничили потребление величиной 253 Вт, но возникли они явно не на пустом месте. Если Core i9-13900K дать волю, то затребовать 350 Вт при многопоточной нагрузке он явно способен — именно это следует из приведённого графика.

Действующее ограничение в 253 Вт снижает многопоточную производительность на 6,5 %, однако полностью отменить его довольно проблематично. При тепловыделении, приближающемся к 350 Вт, Core i9-13900K разогревается заметно сильнее 100 градусов даже при использовании кастомной СЖО. Но в то же время подвинуть предел потребления до 300 Вт обладатели мощных «водянок» наверняка смогут — по крайней мере, в нашем случае температуру процессора, работающего в таком режиме, удавалось сдерживать в рамках 100 градусов. Так процессору можно вернуть до 4,5 % из срезанной ограничениями многопоточной производительности.

Впрочем, стремиться к повышению заложенного в спецификациях предела потребления особого смысла нет, ведь речь идёт о единицах процентов быстродействия, отвоёвывать которые придётся ценой существенного увеличения энергопотребления и температур. В этом смысле 253-Вт лимит выглядит разумным компромиссом. Пожертвовав незначительной долей производительности, Intel добилась того, что Core i9-13900K работает при более-менее приемлемых температурах и не разогревается выше 90 градусов.

С точки зрения рабочих температур Core i9-13900K выглядит даже привлекательнее 230-ваттного Ryzen 9 7950X, который в ресурсоёмких нагрузках упирается в 95-градусный предел. Наглядно проиллюстрировать это можно следующими графиками, где показано, что происходит с реальной температурой и потреблением Core i9-13900K и Ryzen 9 7950X при рендеринге в Blender 3.3.1 и при игре в Cyberpunk 2077.

Ryzen 9 7950X оказывается явно горячее Core i9-13900K, причём если в игре разрыв в температурах процессоров не так заметен, то в ресурсоёмкой нагрузке флагманский Raptor Lake нагревается слабее на целых 10 градусов. Но самое интересное, что это происходит при прямо противоположном соотношении энергопотреблений. Аппетиты Core i9-13900K ощутимо выше, причём как в Cyberpunk 2077, так и при рендеринге. В первом случае энергопотребление Ryzen 9 7950X ниже на 20-30 Вт, во втором — на 50 Вт.

Всё это убедительно подтверждает тезис о том, что в целом дизайн Zen 4 экономичнее, но отводить тепло от процессоров AMD при этом значительно сложнее. Тут сказывается и маленький размер 5-нм кристаллов Zen 4, и неудачная конструкция теплорассеивателя. А в конечном итоге это означает, что добиться приемлемых температур CPU куда проще в системах, основанных на 10-нм процессоре Core i9-13900K.

Есть у Core i9-13900K и ещё одна интересная особенность — этот процессор стал дешевле предшественника. Intel установила его рекомендованную цену в $589 — на $60 ниже официальной цены Core i9-12900K и на $110 меньше официальной цены Ryzen 9 7950X. И это могло бы стать весомым аргументом в пользу Raptor Lake, но в реальности AMD не оставила без внимания этот демарш конкурента. В результате Ryzen 9 7950X сейчас продаётся даже немного дешевле Core i9-13900K, по крайней мере, если судить по американским магазинам, которые получают процессоры напрямую от производителей, без задействования серых схем и параллельного импорта.

И перед тем как наконец-то перейти к тестам, нужно напомнить, что важной составляющей гибридных процессоров Intel, имеющих два типа ядер, выступает Thread Director — специальный программно-аппаратный алгоритм, отвечающий за правильное распределение потоков по P- и E- ядрам в зависимости от их природы. Корректная поддержка этого блока реализована лишь в самых новых версиях операционных систем, и поэтому для Core i9-13900K настоятельно рекомендуется Windows 11 22H2, получившая дополнительные оптимизации под гибридную архитектуру Intel. Проблемы со старыми ОС могут быть самыми разнообразными, начиная со сниженной производительности и заканчивая полной неработоспособностью некоторых программ, которые используют низкоуровневый доступ к железу.