Core i5-2500K oraz i7-2600K, czyli testujemy Sandy Bridge

Architektura GPU Sandy Bridge

Dopiero niedawno udział Intela w rynku układów graficznych spadł poniżej 50%. Jednak „niebieski” potentat nadal góruje nad rywalami, zgarniając niemal połowę tego tortu. Nietrudno zgadnąć, że chodzi tu głównie o układy zintegrowane w tanich płytach głównych, a ostatnio – także w samych procesorach. Takie rozwiązania nie zachwycają wydajnością i do niedawna nie mogły się równać z oddzielnymi kartami graficznymi. Ale właśnie nadchodzi nowe!

Sandy Bridge oznacza zwiększenie mocy obliczeniowej nie tylko samego procesora, ale także zintegrowanego układu graficznego. Producent zapowiada dwukrotnie większą wydajność w porównaniu z dotychczasowym rozwiązaniem. W poprzedniej generacji procesorów o roboczej nazwie Clarkdale GPU został umieszczony w bloku uncore, będącym oddzielną strukturą krzemową, ponadto wykonaną w starszym procesie technologicznym 45 nm. To samo w sobie duże utrudnienie, jeśli chodzi o efektywność przesyłania danych i czas dostępu. Dlatego w nowej architekturze Sandy Bridge zdecydowano się na umieszczenie całej struktury GPU w obrębie jednego rdzenia krzemowego. Ale to nie wszystko. Sam układ graficzny został zauważalnie rozbudowany. Dodano także wiele usprawnień poprawiających wydajność.

Core i7 drugiej generacji ma zintegrowany w monolitycznej strukturze krzemowej procesora rdzeń graficzny. Spójrzmy jeszcze raz na schemat budowy jednostki centralnej. GPU zajmuje około 20% całej powierzchni krzemu (41,2 mm²). To duża cena, jak za część niemającą niczego wspólnego z funkcjami CPU. Wskazuje to na odejście od koncepcji programowalnych zależnie od potrzeb jednostek (zarzucona architektura Larrabee) na rzecz specjalizowanych bloków obliczeniowych.

Sama powierzchnia układu graficznego wskazuje na stosunkowo dużą efektywność wykorzystania dostępnej powierzchni. Mimo że w odniesieniu do samego CPU jest to znacząca część, to w porównaniu z konkurencyjnymi układami graficznymi nie tak znów wiele:

• AMD/ATI Radeon HD 5450 – ok. 59 mm² (40 nm), 292 mln tranzystorów,
• NVIDIA GeForce GT 210 – ok. 55 mm² (40 nm), 260 mln tranzystorów,
• NVIDIA GeForce GT 220 – ok. 100 mm² (40 nm), 486 mln tranzystorów.

Sandy Bridge ze swoimi 41,2 mm² wypada tutaj bardzo dobrze. Biorąc pod uwagę, że wydajność może być lepsza od tego, co zapewniają niektóre samodzielne karty graficzne, efektywność wykorzystania dostępnej powierzchni oraz liczby tranzystorów jest znaczna. Oczywiście, gdyby rdzeń graficzny był oddzielną strukturą, z pewnością musiałby zajmować więcej miejsca. Trzeba by wówczas rozbudować go o dodatkowy bufor danych, kontroler pamięci, obsługę złączy graficznych.

Wbudowanie GPU w strukturę procesora wskazuje, jak istotny dla producenta jest aspekt generowania obrazu. Pomimo straty powierzchni, którą można by wykorzystać na zwiększenie liczby rdzeni CPU czy pamięci podręcznej, niesie to ze sobą wiele korzyści. Przede wszystkim układ graficzny drugiej generacji Intel Core zyskuje bezpośredni dostęp do pamięci podręcznej trzeciego poziomu (L3). Dostęp odbywa się przez szynę pierścieniową (ang. Ring Bus), co zapewnia dużą przepustowość danych. Budowa procesora Sandy Bridge jest modułowa, a pamięć podręczna LLC została podzielona na cztery sektory. Każdy „plaster” (ang. slice) jest współdzielony między rdzenie procesora, funkcje multimedialne i układ graficzny. Dowolny agent może uzyskać dostęp do dowolnej jednostki pamięci podręcznej LLC niezależnie od tego, dla którego z nich dany sektor został alokowany, ale po sprawdzeniu zakresu pamięci. Alokacja LLC jest kontrolowana przez zaawansowany mechanizm zapobiegający jednoczesnemu korzystaniu z tych samych sektorów pamięci i kolejkowaniu zapytań.

Pamięć podręczna działa z pełną prędkością, dlatego karta graficzna powinna dostać „niezłego kopa”. Dodatkowo znacznie sprawniej przebiega korzystanie z pamięci operacyjnej poprzez zintegrowany kontroler. Użycie pamięci podręcznej LLC w procesorze powoduje mniejszą liczbę zapytań do pamięci systemowej DRAM, które są „kosztowne” ze względu na wielokrotnie mniejszą prędkość dostępu, jak i idącą za tym stratę energii. Dzięki wykorzystaniu buforowania LLC większa przepustowość DRAM jest dostępna dla rdzeni procesora.

Jak można zauważyć na powyższym diagramie, układ graficzny ma bezpośredni dostęp do agenta systemowego (wcześniej uncore), zawierającego wszelkie funkcje tradycyjnego mostka północnego. Intel Core zyskuje dostęp do pamięci podręcznej trzeciego poziomu przez magistralę pierścieniową, co zapewnia dużą przepustowość.

Zarówno sam procesor, jak i karta graficzna udostępniają tryb Turbo, zwiększający częstotliwość działania zależnie od obciążenia. W architekturze Sandy Bridge ta technika działa niezależnie dla procesora i rdzenia graficznego. Częste są zatem sytuacje, kiedy duże wykorzystanie GPU powoduje uaktywnienie dla niego trybu Turbo, podczas gdy rdzenie procesora nie wykazują dużego obciążenia, a więc działają ze standardową (lub mniejszą) częstotliwością. Jednak równie dobrze CPU i GPU mogą zostać przyspieszone w tym samym czasie. Oczywiście, głównym ograniczeniem pozostaje temperatura działania: wykorzystanie tej techniki jest zależne od dostępnej rezerwy cieplnej.