Современные процессоры Intel: 2-е полугодие 2009

Этой публикацией мы начинаем новый сезонный цикл справочных статей в разделе "Энциклопедия", посвящённых современным компонентам настольных и мобильных систем – процессорам, графическим картам, модулям памяти и т.п. По аналогии с предыдущими материалами, новые статьи сезона осень-зима 2009/2010 расскажут читателям о компонентах, актуальных на сегодняшний день и в обозримом будущем. Однако наши материалы - не механическое копирования справочных данных с сайтов производителей, тем более что большинство из них в последнее время значительно повысили уровень подачи информации о собственных изделиях. Не секрет, что сегодня производитель может предлагать одновременно продукцию двух, трёх, а то и более поколений, при этом каждое из них будет по-своему привлекательно. Однако зачастую новым поколениям продуктов производители присваивают новое брендовое имя, и мы зачастую получаем два-три изделия со сравнимой производительностью, но с совершенно разными названиями и ценой. Более того, 4/5-значный цифро-буквенный индекс, отличающий продукты внутри серии, далеко не всегда прозрачен для понимания, что также добавляет путаницы при выборе. Усугубляет ситуацию также невозможность с ходу, без специальных таблиц, определить по названию устройства ключевые характеристики - тактовую частоту, объём кэш-памяти, разъём, поддерживаемую память и пр. Таким образом, наши справочники призваны помочь читателю разобраться прежде всего в той мешанине названий, серий и индексов, которые он каждый раз наблюдает в прайс-листах при выборе новинки. Разумеется, справочная информация не подменяет собой статьи с тестированиями, лишь дополняет их.

Разнообразие процессоров Intel для настольных ПК

Открыв сегодняшний прайс-лист, покупатель имеет возможность наблюдать огромное разнообразие семейств процессоров Intel – вместе с процессорами Celeron с 3-значным цифровым индексом можно увидеть 2-ядерные Celeron с 5-символьным индексом (буква и 4 цифры). Кроме ещё встречающихся чипов Pentium 4 с 3-значным цифровым индексом есть возможность выбора из вариантов Pentium Dual Core с 5-символьным буквенно-цифровым индексом. Процессоры Core 2 и вовсе представлены самыми разными 2- и 4-ядерными вариантами с широким спектром 5-символьных индексов. Наконец, к наиболее современным процессорам Core i7 и Core i5, маркируемым, как и чипы два поколения назад, 3-значным цифровым индексом, в прайс-листах скоро добавятся Core i3. У покупателя, время от времени совершающего апгрейд или покупающего (собирающего) новую систему, такое разнообразие может вызвать определённое замешательство, особенно при отсутствии свободного времени на изучение архитектурных особенностей каждой серии. Ценовой фактор, надо отметить, далеко не всегда поможет выбрать наиболее оптимальный вариант процессора, поскольку примерно одинаковой цена может быть на процессоры разных поколений, с разным объёмом кэш-памяти, тактовой частотой и так далее. Прибавьте сюда наметившийся переход с одного процессорного разъёма на другой, а также ряд немаловажных, но невыраженных явно факторов, как, например, архитектура ядра, технологический процесс производства, TDP и пр., и вы получите сложность выбора сегодняшнего дня. Единого готового рецепта выбора подходящего процессора, увы, не существует. Кто-то анализирует статьи с практическими испытаниями чипов, и затем, определившись с серией, выбирает из неё модель по средствам или по сумме характеристик. Другой открывает прайс-лист, находит в нём все модели, подпадающие под его бюджет, а затем начинает сравнивать достойных претендентов между собой. Третий попросту идёт в магазин и надеется на компетентность менеджера. Четвёртый берёт с собой в магазин компетентных советчиков и так далее. Наш справочник в этом плане обладает тем преимуществом, что с его помощью можно освежить в памяти все ключевые факторы, влияющие на выбор, и затем совершить покупку процессора более осмысленно.

Конструктивный фактор: разъёмы процессоров Intel для настольных ПК

На заре развития процессоростроения никаких особенных проблем с выбором конструкции процессора не существовало, поскольку чипы в большинстве случаев попросту запаивали в плату – как это делается сегодня с процессорами для телефонов, коммуникаторов, ряда моделей нетбуков и даже ноутбуков. Позже, благодаря возможности замены процессора, было реализовано преимущество более экономного наращивания производительной мощи без замены всей системы. Первое время процессорные разъёмы, моду на которые диктовал лидер этого сектора, компания Intel, были общими для всех чипов с архитектурой x86, однако в канун Миллениума компания Intel приняла решение запатентовать свой собственный процессорный разъём Socket 370. Остальные производители какое-то время выжимали "остатки" из представленного ещё во времена первых Pentium (1994) 321-контактного разъёма Socket 7 и даже некоторое время выпускали чипы под Super Socket 7 (1998), однако делать нечего, им также пришлось разрабатывать собственные проприетарные разъёмы. Благодаря кросс-патентным соглашениям какое-то время разъём Socket 370 также использовала компания VIA, но затем ей также пришлось разрабатывать свои варианты. Долгое время – вплоть до 2004 года, процессоры Intel были представлены в корпусах со штырьковыми контактами (PGA), которые вставлялись в процессорный разъём с соответствующими отверстиями. Также поставлялись варианты в корпусировке BGA – Ball Grid Array, с контактными площадками непосредственно для запайки в плату, но к нашей сегодняшней теме эти чипы не имеют отношения. Стремительный рост количества сигнальных и силовых контактов привёл к тому, что уже в эпоху Socket 478 попасть 478 процессорными выводами во все 478 отверстий разъёма удавалось не всегда, при неудачной инсталляции ножки чипа попросту гнулись. Поэтому следующий, ныне здравствующий процессорный разъём – LGA775, имел другую, более надёжную конструкцию. Land Grid Array (LGA) – это по сути массив 775 контактных площадок на процессоре, а процессорный разъём, в свою очередь, оснащён 775 подпружиненными выступающими контактами. Процессор просто "укладывается" в жёстко размеченный разъём и затем надёжно защёлкивается специальным зажимом. С 2004 года и поныне корпусировка LGA присуща всем процессорам Intel для настольных ПК. Таблица ниже отражает лишь основные вехи развития процессорных разъёмов Intel. Современному покупателю из всего этого списка интересны лишь последние 3 строки. Давно списанные с производства процессоры под Socket 478 ещё встречаются на вторичном рынке, но вряд ли стоит на них тратиться, поскольку никаких перспектив дальнейшего обновления такой системы нет, лучше уж потратиться на недорогой процессор LGA775. Чипы LGA775 пока что остаются основным предложением для настольных систем начального и массового уровня. Они также широко представлены в сегменте чипов для производительных настольных систем, однако их уже начали теснить новые LGA1366- и LGA1156-чипы Core i7 и Core i5. Несмотря на то что цены на модели LGA1156 пока что "кусаются", именно за ними ближайшее будущее, поскольку с грядущим в скором времени выходом бюджетных процессоров Core i3 они начнут вытеснять своих предсшественников LGA775 более энергично.

Разъёмы и контактные системы процессоров Intel для настольных ПК
Название	Поддерживаемые CPU	Примечание
DIP	Intel 8086, 8088	DIP40
Socket 1	Intel 80486	PGA169 (Pin Grid Array)
Socket 2	Intel 80486	PGA238
Socket 3	Intel 80486	PGA237
Socket 4	Intel Pentium	PGA273
Socket 5	Intel Pentium	PGA320
Socket 7	Intel Pentium	PGA321
Socket 8	Intel Pentium Pro	PGA387
Slot 1	Intel Pentium II	Slot 242
Socket 370	Intel Pentium III, Celeron	PGA370
Socket-W	Intel Pentium 4	Socket 423 - ядро Williamette
Socket-N	Intel Pentium 4, Pentium 4 EE, Celeron	Socket 478
Socket-J	Core 2 Quad Extreme QX9775	LGA771 (J - отменённое ядро Jayhawk)
Socket-T	Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron, Celeron D, Pentium XE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad, Core 2 Quad Extreme	LGA775 (Land Grid Array. T - отменённое ядро Tejas)
Socket-B	Intel Core i7, Core i7 Extreme, Core i9	LGA1366
Socket-H	Intel Core i7, Core i5, Core i3	LGA1156

Микроархитектуры процессоров Intel. Предыстория

Информация о внутренней организации тех или иных процессоров – обычно удел специалистов и энтузиастов, большинство покупателей, приобретающих компьютер для работы и развлечений, (а не для экспериментов над ним) вряд ли интересуют вопросы внутренней архитектуры чипов. И действительно, в рамках этого справочного материала нет смысла углубляться в организацию модуля ветвления предсказаний, строение кэш-памяти, взаимодействие ядер и прочие специфические вопросы строения чипов. Тем более что на страницах 3DNews регулярно появляются специальные материалы, где подробно рассматривается специфика различных процессорных архитектур и перспективы их развития. Список таких материалов можно найти в конце этой статьи. Однако некоторые базовые термины, названия и определения всё же лучше знать и помнить - хотя бы для того, чтобы быть полностью уверенным в правильности выбора наиболее перспективной платформы. Прежде всего необходимо помнить, что термин микроархитектура процессора на практике означает определённый набор инструкций, реализованный в том или ином дизайне процессора. Иными словами, микроархитектура процессора – это достаточно широкое определение набора базовых свойств чипа, на основе которого в дальнейшем разрабатываются и производятся варианты с тем набором возможностей, который востребован рынком. Возможно, кому-то более понятной будет аналогия между микроархитектурой процессора и базовым дизайном автомобиля. Во всех этих случаях разрабатывается базовый концепт, на базе которого, варьируя дополнительные функции – форму кузова, варианты двигателя и пр., в дальнейшем можно выпустить и седан, и универсал, и даже лёгкий грузовичок – да хоть кабриолет, лишь бы был спрос. Так и процессорная микроархитектура – на её базе выпускаются CPU со специфическими функциональными возможностями для каждого сектора рынка - серверного, настольных и мобильных ПК. Наш экскурс по этой теме мы начнём с ноября 2000 года, когда впервые была представлена революционная по тем временам процессорная микроархитектура Intel NetBurst (рабочее название P68). Сменив собой предшествующую архитектуру P6, Intel NetBurst активно развивалась до 2006 года. В течение этого времени на базе этой микроархитектуры было выпущено множество модификаций процессоров в семействах Celeron, Celeron D, Pentium 4, Pentium D, Pentium 4 Extreme Edition и Pentium Extreme Edition. Здесь также стоит остановиться и дать определение термину "процессорное ядро". Под этим определением обычно подразумевают реализацию дизайна процессорной микроархитектуры для определённого рынка. Так, практическими реализациями микроархитектуры Intel NetBurst для сектора настольных ПК стали постепенно сменявшие друг друга процессорные ядра Willamette, Northwood, Prescott, Prescott-2M, Smithfield, Cedar Mill и Presler (а также разрабатывавшийся, но не пошедший в серию дизайн Tejas). Для ноутбуков и серверов существовали свои реализации микроархитектуры NetBurst с соответствующим набором специфических функций. Таким образом, процессорное ядро – это законченный дизайн, по которому на фабрике изготавливается новая серия процессоров. При этом также необходимо помнить, что выпуск новой серии процессоров на базе нового процессорного ядра совсем не означает, что эти процессоры обязательно должны иметь новое розничное имя или новый товарный знак. Например, процессоры Celeron выпускались на базе различных версий ядер в рамках микроархитектуры NetBurst. Однако совсем не факт, что процессор Celeron, который вы видите в сегодняшнем прайс-листе магазина, выполнен с микроархитектурой NetBurst или, скажем, на ядре Prescott. Напротив, названия популярных брендов – такие как например Pentium или Celeron, зачастую успевают пережить несколько поколений процессорных ядер и даже микроархитектур. К настоящему времени процессоры с микроархитектурой NetBurst давно не выпускаются и вошли в историю. Наследником NetBurst стала представленная в июле 2006 года микроархитектура Intel Core, также известная под рабочим названием NGMA (Intel Next-Generation Micro-Architecture). В кои веки новая многоядерная процессорная микроархитектура Intel не стала результатом прямого развития предыдущей версии, NetBurst, но базировалась на продукте "побочной" эволюции, мобильном процессорном ядре Yonah (Pentium M), которое в свою очередь представляет собой удачное развитие более ранней микроархитектуры 1995 года Intel P6 (Pentium III, частично Pentium Pro). Создаваемое как решение для экономичных портативных ПК, ядро Yonah при сравнимой производительности смогло значительно обойти по энергопотреблению достаточно "прожорливые" чипы с микроархитектурой NetBurst. Однако нельзя говорить что микроархитектура Intel Core является "чистым" наследником ядра Yonah, ибо при её разработке инженеры Intel также применили лучшие архитектурные узлы и модули микроархитектуры NetBurst. Именно поэтому на стыке двух инженерных решений родилась революционная по тем временам новая микроархитектура Intel Core. Впрочем, говорить об этой микроархитектуре в прошедшем времени пока рановато, поскольку в настоящее время большинство процессоров, продающихся в магазинах, выполнены именно на базе процессорных ядер Intel Core. Первыми процессорными ядрами на базе Intel Core были Merom для мобильных ПК, Conroe для настольных ПК и Woodcrest для серверов и рабочих станций. Важно подчеркнуть, что при этом архитектурно чипы были почти идентичны, а основная разница заключалась в типах использовавшихся процессорных разъёмов, тактовой частоте системной шины и энергопотреблении. Одно-, двух- и четырёхядерные процессоры с микроархитектурой Core для настольных ПК также выпускались (а некоторые выпускаются и до сих пор) с дизайном процессорных ядер Conroe-L (Celeron), Allendale (Celeron, Pentium Dual Core, Core 2 Duo), Conroe (Core 2 Duo), Wolfdale (Pentium Dual Core, Core 2 Duo), Kentsfield (Core 2 Quad), Yorkfield (Core 2 Quad), Conroe XE, Kentsfield XE и Yorkfield XE (Core 2 Extreme), Wolfdale (Core 2 Duo). Большинство современных процессоров с микроархитектурой Core – таких как, например, чипы Core 2 Duo серии E8000 на ядре Wolfdale (аналог для мобильных ПК – ядро Penryn, также используется в ряде экономичных десктопов), выпускаются нынче с соблюдением норм 45-нм технологического процесса. Эти чипы поддерживают новейшие расширения пакета инструкций, включая SSE4.1, при их производстве используются новые материалы, такие как high-k диэлектрики на основе соединений гафния. Процессорное 2-ядерное ядро Wolfdale обладает 6 Мб кэша L2 и поддерживает системную шину частотой 1333 МГц. Именно эти процессоры пользуются популярностью у современных любителей разгона. Процессоры Core 2 серий E7xxx и Pentium Dual Core серий E5xxx/E6xxx выпускаются на базе усечённой версии ядра, Wolfdale-3M, и обладают 3 Мб и 2 Мб кэша L2, соответственно.

Сегодняшний день: Микроархитектура Intel Nehalem

Новейшая архитектура компании Intel, наиболее актуальная на сегодняшний день, носит название Nehalem. Именно эта архитектура лежит в основе новейших процессоров Core i7/i5, именно она будет актуальна ближайшие несколько лет. Этимология наименования новой процессорной микроархитектуры Intel восходит к названию реки в северо-западной части штата Орегон - Nehalem River. Однако нам в первую очередь необходимо помнить, что впервые представленные осенью 2008 года процессоры с микроархитектурой Nehalem поступили в продажу под товарным знаком Intel Core. И здесь главное - избежать путаницы c названием предшествовавшей Nehalem микроархитектуры Intel Core. Микроархитектуру Nehalem можно назвать последней, в которой реализованы элементы раннего предшественника, архитектуры NetBurst. Первые практические реализации на базе Nehalem выпускаются с соблюдение норм 45 нм техпроцесса, однако согласно последним данным, поставки первых массовых партий Nehalem-процессоров с ядром Clarkdale с соблюдением норм 32-нм техпроцесса стартуют ближе к концу 2009 – началу 2010, а уже в первом квартале 2010 года есть планы по доведению выпуска этих чипов до 20% от всех выпускаемых Intel процессоров для настольных ПК. Ожидается, что на рынке со временем будут представлены двух-, четырёх-, шести- и восьмиядерные процессоры Intel для настольных систем с микроархитектурой Intel, при этом один только 4-ядерный вариант будет насчитывать в свой конструкции 731 миллион транзисторов. Ключевые отличия микроархитектуры Nehalem от предшественников заключаются в следующем:

• Впервые применён интегрированный в ядро контроллер памяти, поддерживающий двух- и трёхканальную память DDR3 SDRAM (для серверов – 4 канала FB-DIMM). Трёхлучевая симметрия – не маркетинговая экзотика и не дань моде, это всего лишь разумный инженерный подход к максимальному использованию производительности оперативной памяти и процессорного ядра.
• В микроархитектуре Nehalem появилась новая межмодульная последовательная шина Intel QuickPath Interconnect (QPI) с архитектурой "точка-точка" (point-to-point). Такая организация межблочных соединений внутри процессора представляет собой более производительное, масштабируемое и экономичное решение нежели традиционная системная шина процессора – Front Side Bus (FSB).
• В некоторых модификациях процессоров будет представлено интегрированное графическое ядро (IGP). Графический чип не разводится на процессорном кристалле, однако будет именно интегрирован в единый корпус процессора.
• Возвращается технология многопоточной обработки данных – Intel HyperThreading, известная по чипам Pentium 4 и впервые возрождённая в нетбучной микроархитектуре Intel Atom. Теперь каждое ядро процессора вновь способно обрабатывать одновременно два потока данных.
• Все новые процессоры, включая версии с четырьмя, шестью и даже восемью ядрами, будут изготавливаться на едином кристалле – в отличие от большинства предшествовавших дизайнов, где в едином корпусе объединялись одно- и двуядерные кристаллы.
• В новых чипах дебютирует модуль предсказания ветвлений второго уровня, а также буфер ассоциативной трансляции (Translation lookaside buffer, TLB) второго уровня.

Все процессоры с микроархитектурой Nehalem обладают 32 Кб кэша инструкций L1 и 32 Кб кэша L1 данных на каждое ядро, а также 256 Кб кэша L2 на ядро и, в зависимости от версии процессорного ядра, от 4 Мб до 8 Мб распределённого кэша L3, общего для всех ядер. В таблице представлены процессоры Intel Core i7 и Core i5, актуальные на сегодняшний день.

45-нм процессоры Intel для настольных ПК с микроархитектурой Nehalem
Ядро	Сегмент	Ядра / потоки	Кэш L3	Варианты	Тактовые частоты	TDP	Разъём
Bloomfield	Производительные экстремальные и игровые ПК	4 / 8	8 Мб	Core i7 Extreme 975, 965	3,33 ГГц, 3,20 ГГц	130 Вт	LGA1366
				Core i7 950, 940, 920	3,06 ГГц, 2,93 ГГц, 2,66 ГГц
Lynnfield	Производительные и массовые ПК	4 / 8	8 Мб	Core i7 870, 860, 860s	2,93 ГГц, 2,8 ГГц, 2,53 ГГц	95 Вт, 95 Вт, 82 Вт	LGA1156
		4 / 4		Core i5 750, 750s	2,66 ГГц, 2,4 ГГц	95 Вт, 82 Вт

Ближайшее будущее: Westmere (Nehalem-C) и далее - Sandy Bridge

Совсем скоро – ориентировочно в 4 квартале 2009 года или в самом начале 2010 года, на прилавках появятся первые процессоры Intel, выполненные с соблюдением норм 32-нм технологического процесса. Кроме 32-нм редизайна Nehalem-предшественников новые чипы будут обладать рядом новых особенностей и возможностей, именно поэтому первоначальное рабочее наименование микроархитектуры - Nehalem-C было заменено на Westmere. Однако по большому счёту это тот же Nehalem, только улучшенный. Уже точно известно, что на замену 45-нм ядру Bloomfield придёт 6-ядерный Gainestown. По предварительным данным, в ряду процессоров Westmere так же будут присутствовать 12-ядерные чипы (два 6-ядерных кристалла в едином корпусе). Среди структурных улучшений микроархитектуры следует отметить новое расширение набора инструкций Intel AVX рядом новых аппаратных алгоритмов, позволяющих более чем в три раза ускорить процессы шифрования и дешифровки по протоколу AES. Наряду с этим дебютирует инструкция умножения без переноса PCLMULQDQ с усовершенствованными алгоритмами блочного шифрования, которая обеспечит повышенный уровень безопасности за счет исключения табличных преобразований и защиты от программных атак по внешним каналам. Плюс, в некоторых версиях чипов появится интегрированное графическое ядро. Наконец-то в ряду 32-нм процессоров Westmere дебютируют обещанные варианты с интегрированным графическим ядром. Помимо этого также ожидается повышение производительности технологии виртуализации, а также новая функциональная возможность технологии виртуализации – 16-битный режим VMX Unrestricted Guest. В таблице ниже перечислены процессоры с микроархитектурой Westmere, ожидаемые на рынке одними из первых.

32-нм процессоры Intel для настольных ПК с микроархитектурой Nehalem
Ядро	Сегмент	Ядра / потоки	Кэш L3	Память	Чипы	Тактовые частоты	GPU	TDP	Разъём
Gulftown	Мощные ПК	6 / 12	12 Мб	3 x DDR3 SDRAM 800–1066	Core i7 (i9?), серия 1000	От 2,4 ГГц	-	130 Вт	LGA 1366
Clarkdale	Массовые ПК	2 / 4	4 Мб	2 x DDR3 1066-1333	Core i5 670, 661, 660, 650	3,46 ГГц, 3,33 ГГц, 3,2 ГГц	733 МГц, 900 МГц	73 Вт, 87 Вт	LGA 1156
							733 МГц	73 Вт
					Core i3 540, 530	3,06 ГГц, 2,93 ГГц
		2 / 2	3 Мб	2 x DDR3 1066	Pentium G6950	2,8 ГГц	533 МГц

Обратите внимание: Pentium G6950. Торговая марка Pentium по-прежнему живее всех живых, однако это отнюдь не облегчает нам основную нашу сегодняшнюю задачу классификации различных процессоров Intel. Про микроархитектуру Sandy Bridge (ранее – Gesher, что на иврите означает "мост"), следующую за Nehalem/Westmere, пока что известны лишь общие данные. Согласно предварительной информации, первые чипы Sandy Bridge будут оснащены графическим ядром, "выращенным" на одном кристалле с CPU (в первом поколении интегрированных процессоров - Clarksdale, графика будет просто смонтирована на одной подложке), часть процессоров будет обладать 4/8 ядрами, тактовой частотой до 4 ГГц, 32 Кб кэша инструкций/данных L1 , 512 Кб кэша L2 на ядро, 2-3 Мб эксклюзивного кэша L3 на ядро (до 8-24 Мб в сумме). Разработчики микроархитектуры Sandy Bridge делают акцент на эффективном энергопотреблении процессоров, в том числе, с помощью технологии Dynamic Turbo, при этом рост производительности чипа предполагается нарастить без увеличения размеров ядра, как это было и в случае перехода от Netburst к Core. Это, скорее всего, потребует применения новой внутренней межблочной процессорной шины. Поскольку ключевые усовершенствования микроархитектуры Sandy Bridge нацелены прежде всего на обеспечение высокой производительности при низком энергопотреблении, ожидается, что процессоры Sandy Bridge будут прежде всего нацелены на сектор мобильных ПК. Не исключено, что какое-то достаточно продолжительное время микроархитектуры Nehalem и Sandy Bridge будут существовать и развиваться параллельно: Nehalem для сегментов серверов и высоко производительных настольных систем, Sandy Bridge – для мобильных ПК и компактных экономичных настольных систем. Пока что серверные процессоры Sandy Bridge числятся в планах Intel примерно на 2011 год: сначала будут представлены MP-чипы, и вслед за ними DP-версии с 6 и 12 ядрами. Ожидается, что первые процессоры Sandy Bridge будут представлены в 2010 году и первоначально будут выпускаться с соблюдением норм 32-нм техпроцесса. Из-за достаточно непростого перехода к 22-нм нормам техпроцесса ожидается, что Sandy Bridge будет иметь три переходных дизайна (Sandy Bridge, Ivy Bridge, и ещё один, пока неизвестный Bridge), а не два, как в случае Nehalem/Westmere, и первым 22-нм чипом станут 4/8-ядерные Ivy Bridge для настольных систем. Архитектура, которая появится после Ivy Bridge и для который 22-нм техпроцесс станет "родным" изначально, называется Haswell. Почти вся информация о Haswell пока что на уровне слухов - по крайней мере, на IDF 2009 эту тему вовсе не поднимали, так что теперь будем надеяться, что ясность и в этот вопрос внесёт грядущий IDF 2010.