Intel Core i7-3770K – pierwszy 22-nanometrowy procesor desktopowy

Proces technologiczny 22 nm

Do dalszego zmniejszania tranzystorów już od dawna nie wystarcza zwykłe zwiększanie precyzji maszyn, które to robią. Kolejne kroki wymagają zastosowania nowych materiałów o korzystniejszych własnościach. W procesach technologicznych 45 nm Intel i GlobalFoundries wykorzystały nowe materiały: metalową bramkę i lepszy izolator. Przejście na 32 nm nie wymagało nowych technik, ale produkowanie tranzystorów 22-nanometrowych w ten sam sposób nie dawałoby już oczekiwanych korzyści.

Niecały rok temu dowiedzieliśmy się, że w procesie 22-nanometrowym Intel zamierza zmienić nie materiały, ale przestrzenną strukturę tranzystora. Pisaliśmy o tym w artykule „Trzeci wymiar w mikroskali”, który polecamy wszystkim zainteresowanym szczegółami technicznymi.

Płaska bramka i kanał zostały zastąpione bramką wystająca z krzemowego podłoża w postaci wąskiego grzebienia. To rozwiązanie jest wariantem techniki znanej od dawna jako Fin FET (fin w jęz. angielskim oznacza płetwę lub wystający podłużny element, a skrótowiec FET, czyli Field Effect Transistor – tranzystor polowy), ale dopiero Intel wykorzystał je na masową skalę w seryjnej produkcji tak skomplikowanych układów.

Dzięki umieszczeniu kanału tranzystora na wystającym grzebieniu zmniejszył się upływ prądu do podłoża i zwiększyła się powierzchnia bramki. Oddalenie od podłoża powoduje mniejszą utratę energii w czasie, gdy tranzystor jest wyłączony. Zwiększona powierzchnia bramki i zmniejszony obszar zubożony powodują, że do wytworzenia odpowiedniej jakości kanału i załączenia tranzystora wystarcza mniejsze napięcie przyłożone do bramki. Z drugiej strony zwiększona powierzchnia bramki sprawia, że jej pojemność jest większa (dwie elektrody – dren i źródło, umieszczone po obu stronach bramki – są po prostu przewodnikami w pewnej odległości od siebie, więc tworzą kondensator, który musi się naładować, zanim prąd zacznie płynąć).

Wykres pokazuje zależność czasu przełączania tranzystora od napięcia przyłożonego do bramki. Jak widać, zastosowanie trójstronnej bramki daje bardzo duże korzyści przy niskim napięciu: można przełączać tranzystory tak samo szybko jak w procesie 32-nanometrowym, przykładając napięcie niższe o 0,2 V. To daje znaczną oszczędność energii. Jednak wraz z rosnącym napięciem krzywe odpowiadające procesowi 32- i 22-nanometrowemu z trójstronną bramką zbliżają się do siebie. W krzemowym grzebieniu, będącym kanałem i obszarem zubożonym, jest ograniczona liczba nośników ładunku. Przykładanie coraz to większego napięcia nie powoduje, że tranzystor może się przełączać wciąż szybciej i szybciej. To oczywiście spekulacja, ale można się spodziewać, że skalowanie taktowania wraz z napięciem nie będzie tak dobre jak w procesie 32-nanometrowym.

Jednak z punktu widzenia całego rynku układów krzemowych jest to znaczny krok naprzód. W dobie urządzeń przenośnych większość procesorów projektuje się zgodnie z koncepcją „race to idle”, co oznacza wyścig do stanu spoczynku. Chodzi o to, że układ powinien jak najszybciej wykonać zadanie, nawet kosztem zwiększonego zużycia energii, i przejść do stanu spoczynku, pozostawiając użytkownika z jego powolnymi myślami, a funkcjonowanie urządzenia – w rękach wąsko wyspecjalizowanych, energooszczędnych układów peryferyjnych. W tej koncepcji najważniejsza jest oszczędność energii w stanie spoczynku, albo też, jak to ujął jeden z inżynierów AMD, inteligentne nic nierobienie.

Oczywiście, usprawnienia techniczne nie są nigdy celem samym w sobie. Chodzi o „upchnięcie” większej wydajności w tym samym lub mniejszym budżecie energetycznym i na takiej samej lub mniejszej powierzchni. Sposób, w jaki się to osiągnie, jest nieistotny; wystarczy, żeby końcowy produkt spełniał te wymagania. Zwiększenie wydajności i funkcjonalności wymaga najczęściej przeznaczenia większej liczby tranzystorów na rozwiązanie problemów. Trzeba zatem ulepszać techniki produkcyjne, żeby dysponując ograniczoną energią i powierzchnią krzemowego wafla, móc sobie pozwolić na te dodatkowe tranzystory.

Oprócz techniki produkcji w Ivy Bridge zmieniono znacznie logiczną budowę całego układu. Na następnych stronach przyjrzymy się dokładniej ważniejszym zmianom.

Ulepszone rdzenie procesora

Ogólna budowa układu pozostała bez zmian: mamy do czynienia z czterema dwuwątkowymi rdzeniami x86, czterema blokami pamięci podręcznej L3, układem graficznym i częścią uncore, zawierającą kontrolery pamięci, zasilania, PCI Express, DMI i wyjścia obrazu. Wszystko to połączono dwukierunkową magistralą pierścieniową. W rdzeniach x86 w Ivy Bridge wprowadzono kilka dodatkowych funkcji i instrukcji.

DRNG – cyfrowy rzut monetą trzy miliardy razy na sekundę

Z szyfrowania danych korzystają dziś niemal wszyscy, więc nic dziwnego, że sprzętowe wspomagacze szyfrowania pojawiają się w większości procesorów. Obecne algorytmy potrzebują liczb losowych jako tak zwanych zarodków, z których algorytm generujący liczby pseudolosowe generuje klucze prywatne. W Ivy Bridge umieszczono sprzętowy generator liczb pseudolosowych, które mogą posłużyć jako zarodki. Jak to działa? Pierwszym etapem jest wspomniany cyfrowy rzut monetą. Polega na połączeniu ze sobą dwóch logicznych bramek NOT (zaprzeczenie logiczne) i podłączeniu wyjścia pierwszej do wejścia drugiej, i na odwrót.

Po podaniu sygnału zegarowego oba tranzystory włączają się na chwilę, a punkty pomiarowe przez moment znajdują się w stanie nieustalonym. Po chwili losowe fluktuacje atomów w bramkach NOT spowodują, że punkt pomiarowy z niestabilnego stanu przełączy się w logiczne zero lub jedynkę. Historia „rzutów” jest zapamiętywana i jeśli wyniki zaczynają wypadać z nierówną częstością, są odrzucane. Generator w Ivy Bridge zbiera 256 takich losowych bitów i traktuje je jako dane dla deterministycznego algorytmu generującego pseudolosowe ciągi liczb. Z jednego 256-bitowego zarodka generowane są najwyżej 1022 64-bitowe liczby, które przedstawia się jako wyniki instrukcji RDRAND, specjalnie po to wprowadzonej. Oczywiście, 1022 kolejne wygenerowane liczby mają ze sobą coś wspólnego, ale generujący je algorytm spełnia wymogi amerykańskiego instytutu NIST co do jakości liczb pseudolosowych. W Ivy Bridge jest jeden generator na cały układ – korzystają z niego wszystkie rdzenie.

Instrukcja RDRAND jest obsługiwana przez jądro Linuksa począwszy od wersji z sierpnia 2011 roku i ma być obsługiwana przez następną wersję OpenSSL. Jak zwykle na obsługę w systemach Microsoftu i windowsowym oprogramowaniu musimy jeszcze poczekać.

SMEP

Pamiętacie technikę NX-bit, zastosowaną pierwszy raz przez AMD w procesorach Athlon 64, a potem przez Intela pod nazwą XD-bit? Umożliwiono wtedy programistom oznaczenie strony w pamięci i zablokowanie możliwości wykonywania kodu z tej strony. Chodziło o zablokowanie mechanizmu wykorzystywanego czasem przez złośliwe oprogramowanie, w którym podmienia się dane programu na szkodliwy kod. SMEP (ang. Supervisory Mode Execution Prevention – 'blokada wykonywania w trybie systemu operacyjnego') jest rozwinięciem tamtej idei. W tej technice strony w pamięci mogą być oznaczone jako należące do „userlandu”, czyli programów uruchomionych przez użytkownika. Pozostałe należą do „supervisora”, głównego programu systemu operacyjnego, który obsługuje przerwania i przydziela zasoby sprzętowe innym programom. Supervisor i inne programy działające z najwyższym poziomem uprawnień nie mogą wykonać kodu ze strony oznaczonej jako należąca do użytkownika. Takie zabezpieczenie blokuje możliwość ataku na system operacyjny przez wykonanie nieautoryzowanego kodu z najwyższymi uprawnieniami.

Jest tylko kilka problemów. Po pierwsze, zalety SMEP są dostępne tylko w systemach operacyjnych, które obsługują tę funkcję. Odpowiednia łatka do Linuksa jest już od dawna dostępna, zresztą została przygotowana przez inżynierów Intela. Systemy Microsoftu jeszcze nie obsługują SMEP i nie wiadomo, kiedy zaczną. Po drugie, dokumentacja SMEP znajduje się na stronie Intela od niecałego roku, więc twórcy „exploitów” mogli już dawno temu zapoznać się z zasadą jej działania, znaleźć nowe luki w zabezpieczeniach i wykorzystać je w swoim kodzie. Mateusz Jurczyk, ekspert od zabezpieczeń z firmy Google, podaje kilka sposobów ominięcia SMEP. Zwraca też uwagę na potencjalny problem z obsługą SMEP w Windows: wiele niefachowo napisanych sterowników robi dokładnie to, co SMEP próbuje zablokować, i te sterowniki po prostu nie będą działać jak należy. Według Dana Rosenberga, eksperta z firmy Virtual Security Research, samo wprowadzenie SMEP nie poprawia znacząco bezpieczeństwa systemów operacyjnych, ale w połączeniu z dodatkowymi zabezpieczeniami w tych systemach może istotnie utrudnić pisanie exploitów. Dla przeciętnego użytkownika korzystającego z Windows nie ma to na razie większego znaczenia: jeśli już obsługa SMEP pojawi się w tym systemie, to i tak zablokuje tylko starsze złośliwe oprogramowanie.

Oszczędzanie energii

Jak wspomnieliśmy na stronie 2, wiele uwagi poświęcono oszczędzaniu energii w nowych układach. Oprócz oczywistych korzyści z zastosowania nowego procesu technologicznego wprowadzono kilka usprawnień logicznych.

PAIR – nie przerywaj rdzeniom snu

Żeby maksymalnie wykorzystać mechanizmy usypiania nieaktywnych rdzeni, trzeba mądrze zarządzać rozdzielaniem między nie pracy. W technice PAIR (ang. Power Aware Interrupt Routing) przerwania są kierowane tak, aby oszczędzić energię albo zyskać na wydajności. Dla oszczędności przerwania są kierowane do rdzeni, które są w stanie energetycznym innym niż C1 (uśpienie). Unika się w ten sposób budzenia uśpionego rdzenia tylko po to, żeby obsłużył mało istotne przerwanie. Dla lepszej wydajności mechanizm PAIR może skierować ważne przerwania (np. z karty dźwiękowej lub sieciowej) do najmniej obciążonego rdzenia, żeby jak najszybciej zostały obsłużone. Wybór trybu preferującego wydajność lub oszczędność jest powiązany z ustawieniami oszczędzania energii w systemie operacyjnym, ale sam mechanizm działa całkowicie sprzętowo i nie wymaga aktualizacji systemu.

Ulepszone bramkowanie zasilania i DDR3L

Do struktury krzemowej dodano więcej stref, które można odciąć od zasilania, gdy nie są potrzebne. Teraz odłączone mogą być nie tylko rdzenie i segmenty pamięci podręcznej L3, ale również interfejs pamięci operacyjnej i jednostki obliczeniowe w układzie graficznym.

Kontroler pamięci został też przystosowany do współpracy z pamięcią DDR3L, czyli o napięciu zasilania obniżonym ze standardowych 1,5 V do 1,35 V. Co prawda takie moduły są już od dawna dostępne na rynku, ale wiele płyt głównych albo nie umiało automatycznie ustawić takiego napięcia, albo wcale nie udostępniało napięć niższych niż 1,5 V. Dodanie DDR3L do oficjalnej specyfikacji Intela powinno poprawić tę sytuację. Inżynierowie firmy Kingston twierdzą, że w zastosowaniach serwerowych użycie modułów DDR3L zamiast standardowych, zasilanych napięciem 1,5 V, obniża zużycie energii przez pamięć operacyjną nawet o 15% – tylko że pamięć i tak pobiera znikomą ilość prądu w porównaniu z innymi komponentami komputera. Z pewnością obsługa DDR3L przyda się w laptopach, bo może się przełożyć na wymierne wydłużenie czasu działania.

Ponadto proces sortowania i pakowania krzemowych jąder stał się podobno bardziej szczegółowy. W każdym układzie większa liczba różnych stanów energetycznych będzie miała przypisane oddzielnie ustalone napięcie. Zamiast dwóch lub trzech napięć dla najniższego i najwyższego stanu energetycznego ma być określonych kilkanaście punktów, tworzących krzywą, z której układ zasilania będzie wybierał napięcie optymalne przy bieżącym taktowaniu.

HD Graphics 4000 – nowy zintegrowany układ graficzny

Zintegrowane w procesorach Core trzeciej generacji układy graficzne Intel HD Graphics 4000 na pierwszy rzut oka niewiele różnią się od HD Graphics 3000 z drugiej generacji. Bliższe spojrzenie ujawnia jednak daleko idącą ewolucję układu. Sam producent twierdzi, że nie jest to zwykły krok „tick” w znanym wszystkim schemacie tick-tock. Dzięki daleko idącym zmianom Intel mówi o kroku tick+. Oprócz tak oczywistych usprawnień, jak zmniejszenie zapotrzebowania na energię i zaawansowany proces produkcji, zaimplementowano obsługę Shader Model 5.0, DirectX 11 i OpenCL, co czyni układ graficzny znacznie bardziej uniwersalnym. Poza tym HD Graphics 4000 zapewnia wyższą wydajność niż poprzednik, znaną i użyteczną funkcję Quick Sync, umożliwiającą akcelerację kodowania i dekodowania strumieni wideo, a także obsługę trzech wyświetlaczy.

Skalowalna architektura została podzielona na obszary (dziedziny): globalną, zajmującą się geometrią i wspólną, w której znajduje się rasteryzator, pamięć podręczna trzeciego poziomu i część funkcjonalna pikseli. Do tej pory nie stosowano w HD Graphics pamięci podręcznej trzeciego poziomu: najczęściej nie było powodu (brak wzrostu wydajności). Jednak według inżynierów obecnie, przy obsłudze OpenCL, wzrost wydajności wynikający z zastosowania tego bufora jest znaczny. Dodatkowo L3 obniża potrzebną przepustowość w komunikacji z magistralą pierścieniową. W części, gdzie znajdują się jednostki cieniujące (EU), znajduje się także pamięć podręczna pierwszego poziomu, próbniki multimediów i 3D oraz rejestr adresów. Pozostałe dwa obszary obsługują media i wyświetlacze.

W nowym HD Graphics 4000 zastosowano jeden teselator, aby spełnić wymagania DX11, a także wprowadzono obsługę nowego formatu tekstur skompresowanych (BC6H/7). Zastosowane jednostki cieniujące (EU) zostały przystosowane do wykorzystania w obliczeniach. Obsługują one teraz równoległość danych, liczby niepodzielne, instrukcje UAV (ang. Unordered Access Views) i podobne, niezbędne do obliczeń na jednostkach cieniujących funkcje. Dodatkowo pamięć lokalna może być współdzielona z jednostkami cieniującymi na potrzeby Direct Compute.

Nie można nie wspomnieć, że algorytm filtrowania anizotropowego został poprawiony. Obecnie zintegrowany układ graficzny Intela zachowuje się niemal jak układy innych producentów. Poprzedniej generacji HD Graphics rysowały „kwiatki”, co oznaczało filtr daleki od pożądanego (patrz: zrzut ekranu z Core i7 2600K).

Core i7-3770K i inne modele

Otrzymaliśmy do testów egzemplarz inżynieryjny najwyższego modelu z rodziny Ivy Bridge: Core i7-3770K. Do całej rodziny Core trzeciej generacji będą na początku należały dwa procesory z odblokowanym mnożnikiem, trzy energooszczędne i trzy zwykłe.

Nie ujawniono jeszcze szczegółów procesorów Core i3, Pentium i Celeron opartych na nowej architekturze.

Spójrzmy, czym się różni i7-3770K od bezpośrednich rywali:

Jak widać, i7-3770K jest bardzo bliski i7-2700K z poprzedniej generacji: mają niemal identyczne taktowanie, różnią się jedynie wbudowanym układem graficznym.

Parę dni temu powstało małe zamieszanie związane z TDP nowych procesorów. Przypominamy, że TDP to ocena służąca producentom komputerów i schładzaczy w projektowaniu układu chłodzenia. TDP na ogół może przyjąć tylko kilka wybranych wartości – Intel i AMD robią tak, żeby nie komplikować producentom pracy i umożliwić wykorzystanie już zaprojektowanych modeli na nowych procesorach. TDP nie musi być proporcjonalne w żaden sposób do zużycia energii, temperatury działania, przepływu powietrza, głośności schładzacza itp.

W materiałach udostępnionych dziennikarzom, zanim Ivy Bridge trafiły na rynek, poinformowano, że TDP „nieenergooszczędnych” modeli będzie wynosiło 77 W. Według Intela procesory Ivy Bridge zostały zaprojektowane z myślą o TDP 77 W i układ chłodzenia zaprojektowany pod kątem takiej wartości wystarczy. Potem zostały przypisane do przyjętego od dawna poziomu TDP 95 W, żeby nie zmieniać standardów i nie utrudniać pracy projektantom komputerów, płyt głównych i układów chłodzenia. Na pudełku procesora podano właśnie wartość 95 W.

Zestaw testowy i procedura

Wykorzystaliśmy tę samą procedurę co w teście procesorów AMD FX. Wszystkie testy graficzne oraz w programach, które korzystają z instrukcji AVX, zostały przeprowadzone w systemie Windows 7 SP1 ze sterownikami Catalyst 11.10.

We wszystkich próbach taktowanie pamięci ustawiliśmy na DDR3-1600, a opóźnienia – na 7-8-7-21 1N. Platforma X79 była testowana w konfiguracji czterokanałowej a pozostałe – dwukanałowej.

Testy syntetyczne – Sandra

W tych testach są wykorzystywane rozszerzenia AVX.

Ivy bridge wygrywa z pozostałymi czterordzeniowcami, ale różnice nie są duże. Dwunastowątkowe procesory to wciąż inna klasa wydajności.

Zmierzyliśmy też sprawność kontrolera pamięci.

Przepustowość pamięci niższa niż w Sandy Bridge jest artefaktem pomiarowym. Inne programy mierzą ją poprawnie:

Można zauważyć, że opóźnienie w dostępie do pamięci podręcznej L3 nieco zmalało w Ivy Bridge.

Testy syntetyczne – 3DMarki

Leciwy benchmark 3DMark06 zastąpiliśmy 3DMarkiem 11.

Mimo identycznego taktowania i7-3770K przegrywa z i7-2700K i różnica jest zbyt duża, żeby ją przypisać zwykłej fluktuacji wyniku. Jak za chwilę zobaczycie, w grach nie da się zaobserwować podobnych anomalii, więc trzeba to uznać za kolejny błąd w aplikacji testującej.

Następnie zmierzyliśmy wydajność w 3DMarku Vantage.

Vantage daje zwycięstwo i7-3770K – nie ma tu żadnych niespodzianek.

Testy rzeczywiste – renderowanie, ray-tracing

Zmierzyliśmy wydajność użycia silnika graficznego Cinema 4D firmy Maxon. Wciąż wykorzystujemy wersję 11.5 popularnego benchmarku.

Ivy Bridge osiąga mniej więcej 5-procentową przewagę nad podobnie taktowanym Sandy Bridge. Taka różnica będzie zauważalna w praktyce tylko w bardzo „dużych” zadaniach obliczeniowych.

Przeprowadziliśmy następnie test ray-tracingu w programie POV-Ray. Wykorzystujemy wersję 3.7 beta 40.

Tutaj usprawnienia w architekturze dały większy wzrost wydajności.

Testy rzeczywiste – szyfrowanie, szachy

Dodanie instrukcji RDRAND nie wpływa na wyniki benchmarków ani wygodę pracy w praktycznych zastosowaniach szyfrowania, bo systemy Windows ani popularne aplikacje jeszcze jej nie wykorzystują.

Znów widać mniej więcej 10-procentową przewagę nad poprzednią generacją.

Czas na symulację gry w szachy z użyciem silnika Cyclone xTreme II i programu Arena.

W symulacjach szachowych nie ma dużej różnicy między poszczególnymi generacjami procesorów.

Testy rzeczywiste – obliczenia

Następnym testem była symulacja Monte Carlo w arkuszu kalkulacyjnym Microsoft Excel 2010.

Poprawienie architektury dało pewien efekt, choć operacje w arkuszu kalkulacyjnym i tak nie są dużym wyzwaniem dla nowoczesnych procesorów.

W poprzednim artykule dodaliśmy do procedury testowej y-crunchera – najsprawniejszy program do obliczania rozwinięcia dziesiętnego liczby Π i innych stałych matematycznych. O jego klasie świadczy to, że za jego pomocą obliczono rekordowe rozwinięcia dziesiętne najważniejszych stałych (m.in. 5 bln cyfr po przecinku Π), i to na komputerach biurkowych, bijąc wyniki ustanowione wcześniej na uczelnianych i przemysłowych klastrach. y-cruncher korzysta z instrukcji AVX, choć nie został ręcznie zoptymalizowany pod tym kątem.

Ivy Bridge wygrywa o włos ze starszymi ośmiowątkowcami.

Sprawdziliśmy też wydajność obliczeń z wykorzystaniem bibliotek .NET w programie OMP-Test 1.2.

Wzrost wydajności wynikły z odświeżenia architektury odpowiada mniej więcej przyspieszeniu taktowania starej o 100 MHz.

Testy rzeczywiste – kompresja plików

Do kompresji plików wykorzystujemy popularny darmowy program do archiwizacji: 7-Zip w wersji 9.20. Obsługuje on sprzętowe wspomaganie szyfrowania AES. W swoim teście mierzymy czas kompresji w czterech różnych „scenariuszach”, przy użyciu dwóch typów danych (dużo małych plików lub jeden duży) i dwóch rodzajów kompresji (LZMA lub ZIP). W kompresji ZIP program wykorzystuje do 16 wątków, w kompresji LZMA – maksymalnie 2. Ponadto podczas kompresowania małych plików do formatu 7z szyfrujemy archiwum algorytmem AES. Jednak dodatkowe obliczenia związane z szyfrowaniem to bardzo niewiele pracy w porównaniu z samą kompresją.

Kompresja plików jest niezwykle wrażliwa na sprawność podsystemu pamięci i pamięci podręcznej. Nic dziwnego, że i7-3770K wygrywa z Sandy Bridge.

Testy rzeczywiste – kodowanie oraz obróbka wideo i obrazów

Czas na kodowanie wideo za pomocą programu x264. Użyliśmy dwóch jego wersji: najnowszej publicznej kompilacji ze strony x264.nl oraz dostarczonej przez twórców wersji beta, wykorzystującej instrukcje AVX. UWAGA: jest to nowy test, przeprowadzony z użyciem innego pliku wideo i innych parametrów kodowania, niż dotychczas! Wyniki nie są porównywalne z przedstawionymi w poprzednich artykułach!

W kodowaniu wideo znów różnice w wydajności są marginalne, ale na korzyść i7-3770K.

Następnym testem było renderowanie klipu wideo w programie Adobe After Effects CS5.

To jeden z niewielu testów, w których i7-3770K sprawił się zauważalnie lepiej od poprzedniej generacji, choć wzrost wydajności nie imponuje.

Następnie zmierzyliśmy wydajność podczas obróbki zdjęcia w Photoshopie CS5. Photoshop wykorzystuje akcelerację GPU, ale tylko do obracania i przybliżania obrazu – cała obróbka wciąż jest wykonywana przez procesor. Nadchodząca wersja CS6, obecnie dostępna w postaci kompilacji beta, będzie wykonywała większość operacji z użyciem bibliotek OpenGL i OpenCL, dlatego wydajność procesora będzie miała niewielkie znaczenie.

Większość operacji w Photoshopie ma charakter jedno- lub dwuwątkowy, a przy wykorzystaniu jednego wątku i7-3770k i i7-2700K mają identyczne taktowanie, stąd niemal równe wyniki.

Gry – niska rozdzielczość

Jak wspomnieliśmy, testy w grach zostały przeprowadzone z użyciem dwóch konfiguracji. Według starej procedury mierzymy średnią liczbę klatek na sekundę w rozdzielczości 1680 × 1050. Te testy zostały wykonane w niezaktualizowanych wersjach gier i z udziałem sterowników Catalyst 10.12.

Mass Effect 2 jest oparty na jednej z nowszych wersji popularnego silnika Unreal Engine 3. Wydajność mierzymy podczas 45-sekundowego biegu przez port kosmiczny na Ilium.

Black Ops to przedostatnia gra z serii Call of Duty. Wydajność mierzymy podczas 90 sek. rozgrywki na mapie Zemsta.

W teście Left 4 Dead 2 wydajność mierzymy podczas finałowego koncertu w kampanii Dark Carnival.

Ostatnią grą w starej procedurze testowej jest Metro 2033.

Wyników można się było domyślić: nie dość, że procesor ma niewielki wpływ na wydajność, jeśli karta graficzna jest odpowiednio mocna, to jeszcze różnice między Ivy Bridge a Sandy Bridge, nawet w testach silnie obciążających procesor, są niewielkie.

Gry – wysoka rozdzielczość

W nowej procedurze testowej wykorzystaliśmy sterowniki Catalyst 11.10 Preview 2. Mierzymy teraz średnią i minimalną liczbę klatek na sekundę. We wszystkich grach jakość obrazu była ustawiona na najwyższą możliwą. Wyłączyliśmy tylko wygładzanie krawędzi, a w Wiedźminie 2 – opcję Uberpróbkowanie.

Hard Reset to prosta, ale efektowna strzelanka polskiego studia Flying Wild Hog. Wydajność mierzymy za pomocą wbudowanego benchmarku.

Najnowsza część symulacji wyścigów Formuły 1 jest oparta na tym samym silniku co inna popularna gra wyścigowa, DiRT 3, i wyniki testów wydajności w którejkolwiek z nich najczęściej dobrze odwzorowują wydajność w drugiej.

Czas na drugą część symulacji lotów bojowym myśliwcem. Wydajność mierzymy we wbudowanym benchmarku. Podczas testów teselacja gruntu była wyłączona.

Znany i lubiany Wiedźmin 2 powraca do testów procesorów, tym razem w wersji 2.0.

Test w Left 4 Dead 2 różni się znacznie od tego ze starej procedury testowej, przedstawionego na poprzedniej stronie. Gra jest zaktualizowana do najnowszej wersji, a wydajność mierzymy podczas pierwszej części kampanii Hard Rain.

I wreszcie Metro 2033, niezwykle „klimatyczna” i równie wymagająca strzelanka z fabułą opartą na słynnej książce Dmitrija Głuchowskiego.

I znów różnic po prostu nie widać, nawet jeśli gra się z włączonym monitoringiem liczby klatek na sekundę.

Układ graficzny – kompatybilność z grami

Przedstawiając nowe rozwiązanie graficzne, każdorazowo sprawdzamy jego praktyczną użyteczność w codziennym użytkowaniu, w pakiecie kilkunastu popularnych gier:

V – gra działa poprawnie,

X – gra nie uruchamia się,

? – znane są problemy z daną grą.

Wszystkie sprawdzone przez nas tytuły uruchamiają się i działają bez zarzutu. Widać zatem znaczącą poprawę od naszych pierwszych testów zintegrowanych rozwiązań graficznych.

Podobnie jak Sandy Bridge, tak i Ivy Bridge ma problemy z wyświetlaniem menu w Battlefieldzie 3. Z reguły wcale go nie wyświetla, ale czasem, choć rzadko, udaje się go do tego zmusić przez uruchomienie gry w oknie, zamiast na pełnym ekranie. Nawet wówczas zmiana rozdzielczości z poziomu gry jest niemożliwa. Ani za pomocą myszy, ani klawiatury nie da się przejść do zakładki ustawień graficznych (tak jakby była nieaktywna). Mieliśmy cichą nadzieję, że ten problem zostanie rozwiązany w przypadku HD Graphics 4000, jednak nadal występuje.

Analogiczna sytuacja wystąpiła w leciwej już Mafii 2. Także tu nie został rozwiązany problem „frywolnych” cieni, które latają po całym ekranie także wtedy, gdy gra zostanie uruchomiona na komputerze z Core i7-3770K.

Tymczasem Shogun 2: Total War działa poprawnie zarówno na komputerach z procesorem Core drugiej generacji, jak i wtedy, gdy sprzęt jest wyposażony w najnowszy układ Ivy Bridge. Jednak w tej grze pojawia się sporo problemów, które wynikają z braku obsługi wszystkich funkcji graficznych, przy czym szczególnie dotyczy to funkcji DirectX 11 w Sandy Bridge. Objawiają się one w postaci stosownych komunikatów o błędzie wyświetlanych z poziomu wbudowanego w grę benchmarku. Sama gra z reguły działa prawidłowo. Na komputerze z procesorem Core i7 2600K udało nam się włączyć benchmark, ale zaowocowało to efektami graficznym, które widać w powyższym materiale filmowym.

Konwersja wideo i GPGPU

Funkcja QuickSync jest obsługiwana m.in. przez Cyberlink MediaEspresso. Należy jednak zwrócić uwagę, żeby wersja narzędzia była tą najnowszą, gdyż tylko taka prawidłowo rozpozna funkcję akceleracji w procesorach Core trzeciej generacji. Druga liczba oznacza obciążenie procesora w trakcie pracy. Może się zatem zdarzyć, że ta wartość jest większa niż ogólny czas konwersji (tak jak jest w przypadku Core i5 2400: 16 sek. i 38%, oraz Core i7 2600K: 16 sek. i 25%). Wyniki wskazują wyraźnie, że funkcja QuickSync została w Core i7 3770K jeszcze dopracowana. Nie dość, że osiągnął on najkrótszy czas konwersji, to jeszcze obciążenie części CPU jest niewielkie.

Jedną z większych zmian w zintegrowanym układzie graficznym Intela jest wprowadzenie obsługi OpenCL. Dzięki temu znacznie wzrasta użyteczność GPU w obliczeniach ogólnego przeznaczenia i nie tylko. Wyposażeni w działający sterownik, przystąpiliśmy do pomiarów wydajności:

Niektóre testy zgłaszały błędy, niektóre narzędzia nie uruchamiały się wcale, jednak większość pomiarów udało się przeprowadzić. Wydajność HD Graphics 4000 nie wszędzie jest zadowalająca, ale w większości zastosowań nie odbiega znacząco od osiągów rywali. Nowością jest WinZip, który od wersji 16.5 miał stosować akcelerację dzięki kartom graficznym przy użyciu OpenCL. Ale nie jesteśmy do końca przekonani, czy to udogodnienie rzeczywiście funkcjonuje, gdyż obciążenie GPU podczas kompresji i dekompresji nie było odpowiednio duże.

Wydajność w programach 3D i grach

Wydajność w grach, cd.

Układ graficzny – podkręcanie

Zintegrowany procesor graficzny podkręca się dość dobrze. Bez podnoszenia napięcia zasilającego udało nam się uzyskać 1450 MHz. Intel prezentował nawet 1650 MHz po zwiększeniu napięcia. Programy diagnostyczne nie wykrywają taktowania układu graficznego.

Aby odczytać odpowiednie wartości, jak i w ogóle podkręcić sprzęt, należy użyć programu, który zapewnia sam Intel:

Czas, przez który mogliśmy testować pojedynczy egzemplarz, uniemożliwił nam bardziej szczegółowe sprawdzenie możliwości podkręcania HD 4000. Jednak przy najbliższej okazji uzupełnimy wykresy o wyniki testów podkręcania wraz ze zmianą napięcia zasilającego.

Podkręcanie

Nowy proces technologiczny zawsze wywołuje falę spekulacji dotyczących podkręcania. Z jednej strony słyszy się głosy o szalonych możliwościach, z drugiej – że na pewno mniejsze tranzystory już wcale nie będą chciały się przyspieszać... Zweryfikowaliśmy to na płycie ASRock Z77 Extreme6; konstrukcja Intela (jak się to często zdarza) nie chciała współpracować przy podkręcaniu.

Niestety, tych, którzy oczekiwali łatwych 5,5 GHz przy chłodzeniu powietrznym, spotka rozczarowanie. Maksymalne taktowanie, jakie udało nam się osiągnąć z wykorzystaniem schładzacza powietrznego Prolimatech Megahalems, wyniosło 4521 MHz:

Dlaczego tak mało?

Zachowanie maszyny testowej było inne niż zazwyczaj. Ostatnio testowane procesory (Sandy Bridge E, Bulldozer) po podkręceniu wyrzucały z siebie ogromne ilości ciepła. Schładzacz wyraźnie się nagrzewał; wymuszanie przepływu powietrza mocniejszymi wentylatorami dawało duże korzyści, a wydajny schładzacz wieżowy dawał podobne efekty jak gotowe zestawy chłodzenia wodnego.

Z Ivy Bridge jest inaczej. Po podniesieniu napięcia zasilania do 1,25 V (standardowe wynosiło 1,175 V) i taktowania do 4,7 GHz maszyna bez problemu się uruchomiła i przechodziła wszystkie testy stabilności, a schładzacz niemal wcale się nie nagrzewał. Tylko że taktowanie nie pozostawało na ustawionym poziomie: zabezpieczenie termiczne wbudowane w procesor spowalniało je do poziomu niepodkręconego procesora. Przydała się aplikacja Intel Xtreme Tuning Utility, której nowa wersja jest wygodna w użyciu i równie funkcjonalna jak programy do podkręcania udostępniane przez producentów płyt głównych:

Zwróćcie uwagę na pomarańczową linię, oznaczającą taktowanie: zaczęło ono spadać zaraz po obciążeniu procesora. Wskaźnik CPU Throttling powinien cały czas wskazywać 0% – inna wartość oznacza, że procesor wydaje sobie rozkaz HALT („nic nie rób”), aby nie nagrzewać się już bardziej. Podczas prób podkręcania i testów stabilności polecamy włączyć aplikację XTU i umieścić CPU Throttling na wykresie. Najmniejsze wybrzuszenie na linii będzie oznaczało, że procesor spowalnia w obciążeniu.

Na zrzucie ekranu widać też wskaźnik temperatury rdzeni, który wyjaśnia część problemu. Zabezpieczenie termiczne działa na podstawie wskazań DTS, cyfrowego czujnika temperatury wbudowanego w każdy rdzeń procesora (i w kilku innych elementach krzemowego jądra). DTS jest przedmiotem wielu błędnych przekonań, dlatego warto przypomnieć jego rolę i sposób działania.

Według specyfikacji Intela DTS ma tylko jedno zadanie: poinformować jednostkę zarządzania taktowaniem i zasilaniem, że temperatura układu przekroczyła zadany próg. Ten próg dla Ivy Bridge wynosi 105°C. DTS udostępnia przybliżony pomiar temperatury w ten sposób, że do odpowiedniego rejestru kontrolnego wpisuje wartość od 0 do 255. Ta liczba oznacza, ile kroków mierzących od 0,9°C do 1,1°C dzieli procesor od progu. Dodatkowo dokładność (a raczej niedokładność) jest zapewniona tylko wtedy, gdy układ jest blisko niego. Tę wartość odczytują programy diagnostyczne, również XTU, i odejmują od znanego lub zgadniętego progu temperatury.

Co więcej, czujnik DTS od czasów architektury Nehalem ma pewne niedoskonałości. Przede wszystkim reaguje nie tylko na wzrost temperatury, ale też na wzrost natężenia prądu płynącego przez procesor lub na częstość przerwań. Oczywiście, nie jest to zamierzony efekt, ale powoduje duże przekłamania, szczególnie w zakresie temperatur dalekim od zadanego progu. Dlatego wskazania jakichkolwiek programów diagnostycznych nadają się tylko do sprawdzenia, czy procesor już się przegrzewa czy jeszcze nie.

Oczywiście, jakkolwiek niedokładny, DTS rządzi zabezpieczeniem termicznym. W ramach eksperymentu zmieniliśmy układ chłodzenia na zestaw wodny Corsair H100 i zamontowaliśmy sondę termometru cyfrowego na boku zintegrowanego rozpraszacza ciepła, w miejscu najbliższym krzemowego jądra.

Chłodzenie wodne pozwoliło osiągnąć taktowanie 4823 MHz przy napięciu 1,3 V. Przy tych parametrach taktowanie nie spadało w obciążeniu, ale czujnik wskazywał cały czas 1–2 stopnie od wartości oznaczającej przegrzanie, choć temperatura brzegu IHS-a wynosiła tylko 39°C. Ponieważ wymagało to zastosowania bardzo niestandardowego układu chłodzenia, nie braliśmy tego wyniku pod uwagę w testach wydajności po podkręceniu.

Wyjaśnienie tego ograniczenia jest proste: jądro Ivy Bridge jest małe, a wydziela niemal tyle samo ciepła co Sandy Bridge. Z mniejszej powierzchni trudniej jest odprowadzić ciepło niż z większej: ograniczeniem jest już transfer ciepła przez miedziany IHS i przez podstawę schładzacza. Do tego przynajmniej niektóre serie produkcyjne Ivy Bridge mają IHS nie przylutowany do rdzenia, jak w poprzednich procesorach, lecz tylko przyklejony wzdłuż obwodu, a interfejsem termicznym jest pasta termoprzewodząca. Można się spodziewać, że schładzacze wykorzystujące technikę HDT, w których ciepłowody formują podstawę schładzacza, i bloki wodne zapewnią lepsze rezultaty niż tradycyjne układy chłodzenia.

Podkręcanie – testy wydajności

W ramach nowej procedury przeprowadziliśmy więcej niż do tej pory testów po podkręceniu.

Podkręcanie – aplikacje, cd.

Podkręcanie – 3DMarki

Podkręcanie – gry (wysoka rozdzielczość)

W większości przypadków podkręcenie procesora nie przynosi żadnej zmiany w płynności animacji; ograniczeniem jest wydajność karty graficznej. Odstępstwem od reguły jest Hard Reset. Gra polskiego studia Flying Wild Hog jest najwyraźniej napisana w „staroszkolny” sposób, na podobieństwo niektórych benchmarków (takich jak 3DMark2001).

Taktowanie pamięci a wydajność

Sprawdziliśmy też, czy w nowej platformie taktowanie pamięci wpływa znacząco na wydajność. Ivy Bridge ma znaczną przewagę nad Sandy Bridge w dziedzinie podkręcania pamięci. Dostępnych jest więcej mnożników:

W Sandy Bridge mieliśmy do wyboru tylko DDR-800, DDR-1066, DDR-1333, DDR-1600, DDR-1866 i DDR-2133. Nam udało się osiągnąć maksymalnie DDR-1866 na płycie Intela i DDR-2200 na płycie ASRocka, ale z lepszymi modułami na pewno uda się osiągnąć więcej – sprawdzimy to przy następnej okazji.

W kompresji plików zwykle spodziewamy się zysku z użycia szybkiej pamięci. I rzeczywiście: zmiana DDR-1600 na DDR-2133 przynosi około 15-procentowe przyspieszenie.

W innych zastosowaniach różnice są jak zwykle niewielkie – większą korzyść daje podkręcanie procesora.

Pobór mocy

Zmierzyliśmy, ile energii pobiera cała platforma testowa. Pobór mocy był mierzony po 10 minutach od uruchomienia testu stabilności w programie OCCT, w trakcie odtwarzania filmu HD w programie VLC (ze wspomaganiem GPU) oraz w stanie spoczynku – po 10 minutach wyświetlania pulpitu.

Uwaga: wyniki Sandy Bridge E i Sandy Bridge w tym teście zostały uzyskane z użyciem płyt Intela, które są znacznie bardziej oszczędne od modeli innych producentów!

W spoczynku i podczas odtwarzania filmu Ivy Bridge pobiera niemal tyle samo prądu co poprzednia generacja procesorów. Za to w obciążeniu jest po prostu nową klasą procesora: dzięki niskiemu napięciu zasilania i 22-nanometrowemu procesowi produkcji pobiera ok. 35 W mniej niż i7-2700K.

Podsumowanie

Proces technologiczny 22 nm i usprawnienia w architekturze Sandy Bridge zaowocowały produktem bardzo dobrym zarówno dla Intela, jak i użytkowników laptopów. Mały pobór energii i nowy układ graficzny na pewno zrobią furorę w komputerach przenośnych. Sam Intel zaoszczędzi na produkcji i udostępni większą gamę procesorów klientom poszukującym dużej wydajności w niewielkiej obudowie, czy to laptopowej, czy HTPC.

Z kolei posiadacze starszych maszyn dostają nową opcję modernizacji, wydajniejszą i bardziej energooszczędną od Sandy Bridge, a dostępną w podobnych cenach.

Niestety, atrakcyjność Ivy Bridge z punktu widzenia posiadaczy Sandy Bridge jest mocno ograniczona. Podkręcanie sprawia więcej trudności, a nawet po ich pokonaniu procesory nie przyspieszają się tak dobrze jak najlepsze egzemplarze Sandy Bridge. Sytuacja może się zmienić, jeśli z czasem proces produkcyjny się poprawi i egzemplarze z późniejszych tygodni produkcji będą miały jeszcze niższe standardowe napięcie zasilania. Za to cieszyć powinni się wszyscy, dla których podkręcanie jest raczej wyzwaniem: wydobycie całego potencjału z Ivy Bridge jest na pewno trudniejsze, ale zastosowanie nieortodoksyjnych metod chłodzenia przynosi lepsze efekty niż w przypadku Sandy Bridge.

Bardzo atrakcyjnym produktem może się okazać model Core i5-3570K: od i7-3770K odróżnia go tylko liczba wątków i o jedną czwartą mniejsza pojemność pamięci podręcznej L3. Z werdyktem musimy poczekać, aż przetestujemy tańszy model i przekonamy się, czy za 400 zł mniej dostajemy dużo mniej wydajności.

Intel HD Graphics 4000 zapewnia dobrą wydajność, jak na rozwiązanie zintegrowane. Jego funkcjonalność została dodatkowo uatrakcyjniona, a może raczej zaktualizowana, przez wprowadzenie obsługi DirectX 11, OpenCL i tym podobnych, powszechnych u konkurencji funkcji. Dlaczego nie zachwycamy się obsługą najnowszegoAPI Microsoftu i OpenCL tak samo jak Intel? Otóż konkurencja oferuje to od dawna, a HD Graphics, jako zamiennik lub równoprawny rywal APU AMD, po prostu musi to robić. To było nieuniknione, ale bardzo dobrze. Każdy ruch w przód jest mile widziany, tym bardziej że użytkownicy mogą cieszyć się także nie byle jakim wzrostem wydajności.

Co więcej, HD 4000 dzięki funkcji Quick Sync zapewnia sprzętową akcelerację kodowania oraz odtwarzania materiałów wideo. I to jest niemal codzienne zastosowanie! Quick Syncto element architektury, który zdeklasował konkurencję. Dzięki niemu w wielu dziedzinach nie jest już potrzebna samodzielna karta graficzna.

Po raz kolejny powtarzamy: zintegrowaną kartę graficzną należy traktować jako znakomity układ do wyświetlania pulpitu z darmowym bonusem w postaci obsługi gier. Nie dość wspomnieć, że pod względem wydajności HD 4000 pokonuje najsłabsze oddzielne karty graficzne, nawet te obecnej generacji. Z tą „integrą” nie mają szans GeForce'y GT 520, GT 605, GT 620, Radeony HD 6450 i HD 5450. Taki układ graficzny zapewnia wydajność tylko nieco niższą niż niektóre karty za prawie 300 zł (takie, jak: GeForce GT 430, GT 440, a nawet Radeon HD 6570). Zdecydowanie depcze po piętach także niektórym APU AMD, niebezpiecznie zbliżając się do poziomu A8-3850. Widać, że Intel nie próżnował przez ostatnie lata. Co więcej, jak wykazały nasze wcześniejsze testy, zastosowanie tego samego rozwiązania w dużo słabszych procesorach (takich jak Core i3) nie wpłynie znacząco na spadek wydajności podsystemu graficznego. Możemy zatem spodziewać się ostrej rywalizacji tanich procesorów Intela z końcówką 5 w nazwie (tak będą oznaczone modele z HD 4000) z APU AMD, które od dawna są znacznie tańsze od najmocniejszych procesorów „niebieskich”.

Do testów dostarczył: Intel

Cena w dniu publikacji (z VAT): ok. 1300 zł