Energooszczędne Core 2 Quad Q9400S i Core 2 Quad Q9550S

Technologie służące oszczędzaniu energii w procesorach dość łatwo jest pojąć i krótko opisać. Funkcje takie jak oddzielne domeny zasilania dla poszczególnych części procesora są opracowywane w trakcie projektowania układu i są wspólne dla wszystkich wyprodukowanych egzemplarzy. Ale skąd się biorą specjalne energooszczędne wersje? Czemu wszystkie procesory nie są „S”? Postaramy się to krótko wyjaśnić, zanim przejdziemy do opisu samych Q9550S i Q9400S.

Jak wykonać procesor?

Żeby dobrze wyjaśnić pochodzenie takich procesorów, przyjrzyjmy się procesowi produkcji dowolnego układu krzemowego. (Oprzemy ten opis na informacjach udostępnionych przez Intela na jego stronie internetowej). Proces ten jest wieloetapowy i skomplikowany, a jego dokładny przebieg to często ściśle strzeżona tajemnica, dlatego podamy w pewnym uproszczeniu jedynie najważniejsze fazy. Zainteresowanym polecamy również ilustrowany opis na stronie CPU Shack oraz dokumenty na temat problemów związanych z efektywnym sortowaniem półprzewodników: [ 1 ], [ 2 ].

Produkcja wafli

Podstawowym surowcem wykorzystywanym w produkcji jest piasek (zwyczajny, taki jak na plaży). Po oczyszczeniu wytapia się z niego krzem i z jeszcze ciekłego formuje się (metodą polskiego inżyniera Jana Czochralskiego) monokrystaliczne walce o średnicy około 300 mm (ostatnio również 450 mm). Walce są cięte na plastry, czyli słynne krzemowe wafle, które następnie są polerowane aż do osiągnięcia idealnej czystości i gładkości.

Następnie należy wytworzyć na jednolitej powierzchni wafla sam układ scalony. Te struktury są tak małe i skomplikowane, że niemożliwe jest naniesienie na powierzchnię wafla poszczególnych elementów obwodu jeden po drugim. Materiały tworzące strukturę mikroprocesora są zatem nanoszone warstwami na całą powierzchnię wafla. Potem usuwa się niepotrzebne kształty z poszczególnych warstw. Na początek wytwarza się na waflu warstwę dwutlenku krzemu. Odbywa się to w specjalnych piecach, w bardzo wysokiej temperaturze, w obecności tlenu. Grubość warstwy SiO₂ zależy od temperatury i czasu nagrzewania. Dwutlenek krzemu jest izolatorem i w układach półprzewodnikowych tworzy bramkę tranzystora.

Wytworzenie obwodu elektrycznego

Następnym etapem jest fotolitografia. W jej trakcie cały wafel jest pokrywany równomierną warstwą emulsji światłoczułej (fotorezystu), która twardnieje po naświetleniu. Pokryty emulsją wafel jest naświetlany przez specjalną maskę, czyli płytę z otworami w kształcie zaprojektowanych struktur krzemowych. W miejscach, w których maska ma otwory, emulsja zostaje naświetlona i twardnieje. Następnie wafel jest „wywoływany” (podobnie jak klisze fotograficzne) – pod działaniem odpowiedniego rozpuszczalnika nienaświetlone powierzchnie emulsji rozpuszczają się i są usuwane z wafla. Efektem jest wafel krzemowy pokryty jednolitą warstwą dwutlenku krzemu i skomplikowanym wzorem „namalowanym” emulsją światłoczułą.

Taki wafel poddaje się trawieniu: specjalna substancja wytrawia nieosłoniętą część dwutlenku krzemu. W powstałe zagłębienia nakłada się warstwy innych substancji: warstwy metaliczne, izolujące, inny półprzewodnik itp. Dodatkowo przeprowadza się doping: nieosłonięte powierzchnie krzemu są bombardowane jonami innego pierwiastka (bor, arsen, fosfor, gal). Powstałe zanieczyszczenia w strukturze krystalicznej tworzą z krzemu półprzewodnik typu N lub P (zależnie od użytego pierwiastka).

Wafel przechodzi kilkanaście do kilkudziesięciu etapów litografii, dodających coraz to nowe warstwy, każdą o unikalnym wzorze. Na koniec trójwymiarową strukturę uzupełnia się w odpowiednich miejscach metalem (dawniej – aluminium, dziś – miedzią), służącym jako połączenia między warstwami oraz wyprowadzenia na zewnątrz układu.

Produktem końcowym etapu litografii jest wafel krzemowy z naniesionymi układami scalonymi. Przykładowo na waflu o średnicy 300 mm mieści się około 600 rdzeni Wolfdale (powierzchnia wafla jest równa πr², czyli około 70 000 mm²; powierzchnia rdzenia Wolfdale wynosi 107 mm²).

Pakowanie

Procesory są następnie wycinane z wafli i pakowane. Pakowanie oznacza proces przylutowania krzemowego prostokąta do substratu – polimerowej płytki zawierającej po jednej stronie miejsca kontaktowe z rdzeniem, a po drugiej nóżki lub pola kontaktowe z podstawką procesora. Po tej fazie otrzymuje się dobrze wszystkim znany zielony prostokąt z pokrywką z jednej strony i nóżkami (lub polami) z drugiej.

W tym miejscu zastanówmy się, co na tym etapie różni procesory: czemu jedne z nich, mimo przejścia takiego samego procesu produkcyjnego, kosztują potem 300 zł, a inne – kilka razy więcej.

Binning, czyli sortowanie

Pomiędzy poszczególnymi etapami, które opisaliśmy, wykonuje się binning – jedne z najważniejszych czynności w produkcji wszelkich półprzewodników. Termin pochodzi od angielskiego słowa bin, czyli kosz. Binning polega na sortowaniu produktów i półproduktów. Produkty są „wrzucane” do odpowiednich „koszy” – oczywiście nie dosłownie, chodzi o analogię na przykład do sortowania grzybów.

Pamiętajmy, że Intel, jak zresztą każdy producent półprzewodników, nie ujawnia dokładnie przebiegu i kryteriów sortowania. Przedstawione informacje są tylko ogólnie dostępną częścią całej wiedzy na ten temat. Binning podlega wielu ścisłym zasadom i ograniczeniom; największym problemem jest oczywiście maksymalizacja zysków, czyli wybór takich binów, żeby nie trzeba było wyrzucać zbyt dużo rdzeni, klasyfikować ich poniżej możliwości, a przede wszystkim – żeby trafić dokładnie w popyt na poszczególne biny.

Wszystkie procesory są równe, ale niektóre są równiejsze

Wyniki każdego z etapów produkcji różnią się między sobą w zależności od wielu (często losowych) czynników. Na przykład walec, z którego wycinane są wafle, zawiera wiele zanieczyszczeń, które zaburzają strukturę krystaliczną krzemu. Zanieczyszczony krzem ma zupełnie inne właściwości elektryczne, mechaniczne i cieplne: może na przykład stać się przewodnikiem lub izolatorem albo zwyczajnie kruszyć się. Oczywiście, większość istotnych zanieczyszczeń jest eliminowana, nie da się jednak uniknąć drobnych niedoskonałości. Są wśród nich takie, jakie całkowicie uniemożliwiają wykorzystanie fragmentu wafla, a inne w marginalnym stopniu wpływają na właściwości elektryczne krzemu. Dalej, po naniesieniu struktury półprzewodnikowej na powierzchnię wafla, może się na przykład okazać, że jedno z miliardów połączeń zostało nie do końca lub za mocno wytrawione, przez co nie uzyskaliśmy tranzystora, lecz diodę albo przerwę w obwodzie zamiast ścieżki. W trakcie pakowania może zostać uszkodzony rdzeń lub substrat. Te losowe czynniki powodują, że po każdym etapie produkcji trzeba poddawać półprodukty kontroli jakości.

Pierwsza kontrola jakości następuje już na etapie produkcji wafli. Ponieważ walec krzemowy jest najbardziej zanieczyszczony na końcach i na obwodzie, obcina się końce walca i brzegi wafli. Każdy wafel jest optycznie sprawdzany pod kątem niedoskonałości w krysztale. Już na tym etapie można podzielić półprodukty, na przykład najsłabsze wafle przeznaczyć do produkcji układów o najmniejszej powierzchni (żeby utracić jak najmniejszą powierzchnię wafla w razie wystąpienia punktowego defektu).

Po litografii wafle znów przechodzą szczegółową inspekcję – tym razem dokładne oględziny pomagają wykryć uszkodzone lub źle wytrawione rdzenie. Oznacza się je odpowiednio przed przystąpieniem do wycinania rdzeni z wafla. Podczas wycinania można uszkodzony rdzeń odrzucić albo wyciąć go w inny sposób, tworząc inny produkt. Jako przykład może posłużyć rdzeń Wolfdale (procesory Core 2 Duo wykonane w technologii 45 nm). Na zdjęciu rdzenia widać wyraźnie, że połowa pamięci podręcznej drugiego poziomu wystaje poza obrys elementów logiki procesora. Jest to zabieg umożliwiający przycięcie rdzenia do mniejszej szerokości i utworzenie Wolfdale'a 3M, czyli procesora z połową pamięci podręcznej L2, należącego do serii E7x00.

Po wycięciu i zapakowaniu procesory poddaje się pierwszym testom elektrycznym. Jak wspominaliśmy, dokładna struktura rdzenia podlega pewnym czynnikom losowym, przez co zapakowane procesory, mimo że wszystkie sprawne, różnią się między sobą parametrami elektrycznymi. Wystarczy kilka połączeń o innej szerokości, i już w układzie nie zostaną zachowane ścisłe wymagania co do natężenia prądu, czasu przełączenia tranzystora, czasu przebiegu sygnału z jednego miejsca do innego. Większość tych czynników ma dwa bezpośrednie efekty: po pierwsze – maksymalną częstotliwość działania układu, po drugie – wysokość napięcia zasilającego wymaganego do stabilnej pracy. Właśnie pod kątem tych dwóch parametrów różnicuje się sprawne, zapakowane procesory.

Żeby przypisać procesorowi maksymalną częstotliwość i minimalne napięcie, trzeba wybrać parametry i przetestować procesor. Dla ułatwienia binningu i aby oferta produktów była nieskomplikowana, określa się kilka binów, na przykład dla rdzeni Wolfdale 6M (z pełną pamięcią L2) są to częstotliwości: 2,66, 2,83, 3,00, 3,16, 3,33 GHz. Oprócz tego wyznacza się zakres napięć, w którym muszą się zmieścić wszystkie procesory – dla Wolfdale'a 6M jest to od 0,85 do 1,3625 V.

Czym się różni procesor energooszczędny od zwykłego

Tu dochodzimy do miejsca, w którym różnicuje się procesory energooszczędne i zwykłe. Najdoskonalsze z rdzeni, te które mogą działać z daną częstotliwością przy najniższym napięciu i wydzielając najmniej ciepła, są oznaczane jako energooszczędne i odpowiednio „wykańczane”: przepala się stosowne bezpieczniki we wnętrzu procesora, których stan będzie oznajmiał płycie głównej domyślną częstotliwość działania i żądane napięcie. Rzeczywiście, procesory energooszczędne, które trafiły do naszej redakcji, zarówno pod obciążeniem, jak i w spoczynku żądały od płyty głównej niższego napięcia niż ich odpowiedniki bez S. Co ciekawe, według specyfikacji Intela główną różnicą między procesorami z S a tymi bez S jest TDP, czyli wymaganie dotyczące sprawności układu chłodzącego. Podczas gdy Q9400 i Q9550 mają TDP równe 95 W, ich wersje S mają TDP 65 W. Specyfikacja podaje taki sam zakres możliwych napięć zasilających zarówno dla wersji zwykłych, jak i energooszczędnych. Mogło by to oznaczać, że można kupić Q9400 i Q9400S i dostać procesor S o napięciu zasilania 1,35 V, a zwykły – o napięciu 1,0 V. Wtedy niewątpliwie zwykły pobierałby mniej prądu i wydzielał mniej ciepła. Nie wiemy, jaki jest rozkład napięć wśród procesorów S – może średnia jest dużo mniejsza niż w przypadku zwykłych procesorów, a podane w specyfikacji napięcia określają jedynie wymagania dla układu zasilania na płycie głównej. Wystarczy jednak zagłębić się bardziej w specyfikację obu procesorów, żeby zauważyć drugą różnicę – w maksymalnej dopuszczalnej temperaturze obudowy. Wersje S dopuszczają temperaturę 76,3°C, a zwykłe – 71,4°C. Przypominamy, że sprawność układu chłodzenia jest tym większa, im większa jest różnica temperatur między jego gorącą a zimną stroną. Być może procesory energooszczędne wymagają słabszych układów chłodzenia, bo przy nieco wyższej temperaturze nawet słabszy schładzacz zdoła odprowadzić wydzielane ciepło.

Core 2 Quad Q9400S i Q9550S

Jak widać, ani ogólnie dostępne informacje technologiczne, ani specyfikacja dostępna na stronie Intela nie wyjaśniają nam do końca, czym się różnią te procesory od zwykłych i co je czyni lepszymi. Powinno się to jednak okazać po przeprowadzeniu testów w rzeczywistym środowisku.

W tabelce przedstawiliśmy podstawowe parametry Q9400S i Q9550S oraz odpowiadających im „nieenergooszczędnych” modeli Q9400 i Q9550.

Zestaw testowy był podobny do używanego przez nas do tej pory.

Komputer działał pod kontrolą systemu Windows Vista x64. Wykorzystaliśmy wersje 64-bitowe programów testowych (o ile były dostępne).

Testy syntetyczne – Sandra

Ponieważ testowaliśmy już podobne procesory, obszerniej skomentujemy jedynie wyniki testów poboru prądu i temperatury.

Zaczęliśmy jak zwykle od testów syntetycznych w Sandrze 2009. Wyniki z Sandry nie reprezentują co prawda wydajności w konkretnych zastosowaniach praktycznych, ale pozwalają przewidzieć i wyjaśnić wyniki z aplikacji użytkowych.

Zmierzyliśmy następnie wydajność podsystemu pamięci obu procesorów.

Testy syntetyczne – 3DMarki

Następnym z testów syntetycznych był 3DMark06.

Potem zmierzyliśmy wydajność w 3DMarku Vantage.

W testach syntetycznych wyniki Q9400S nie odbiegają od jego zwykłej wersji o więcej, niż wynosi granica błędu pomiarowego. Q9550S osiąga niewiele gorsze rezultaty od nieco wyżej taktowanego Q9650.

Testy rzeczywiste – kompresja plików

Po testach syntetycznych przystąpiliśmy do sprawdzenia wydajności w zastosowaniach praktycznych; zaczęliśmy od kompresji plików WinRAR-em.

Spakowaliśmy też pliki wydajniejszym algorytmem LZMA.

Wyniki obu testów kompresji są obarczone dość dużym błędem pomiarowym, wynikającym z różnych warunków początkowych (stan pamięci wirtualnej, obciążenie dysku twardego). Również tutaj procesory energooszczędne nie odbiegają wydajnością od zwykłych wersji.

Testy rzeczywiste – kodowanie wideo, renderowanie

Zbadaliśmy też prędkość konwersji materiału wideo z formatu MPEG-2 na x264.

Następnym testem było renderowanie sceny testowej w Cinebenchu R10.

Testy rzeczywiste – ray-tracing, Photoshop

Przeprowadziliśmy następnie test ray-tracingu w programie POV-Ray.

W POV-Rayu Q9550S wyprzedza nieco wyżej taktowanego Q9650, co wydaje się dziwne, jeśli przyjmiemy, że oba procesory są identyczne z wyjątkiem taktowania i ilości wydzielanego ciepła.

Sprawdziliśmy też, jak procesory radzą sobie z wykonywaniem operacji na obrazach w Photoshopie.

We wszystkich aplikacjach użytkowych powtórzyły się spostrzeżenia z testów syntetycznych. Wydajność Core 2 Quad Q9400S i Q9550S jest prawie identyczna jak Q9400 i Q9550.

Gry

Co prawda gracze nie są głównymi odbiorcami procesorów energooszczędnych, ale żeby porównać procesory energooszczędne z ich tańszymi wersjami i wykryć ewentualne dziwne przypadki podobne do POV-Raya, sprawdziliśmy też przydatność tych procesorów w grach.

W Far Cry 2 i Unreal Tournament 3 Core 2 Quad Q9550S zrównuje się z wyżej taktowanym Q9650. Powtórzenie testów dało takie same wyniki – należy więc uznać, że rzeczywiście Q9550S bywa szybszy od Q9650. Skąd ta różnica – nie wiadomo. Można przypuszczać, że powoduje ją różne traktowanie procesorów zwykłych i energooszczędnych przez płytę główną albo nieujawnione przez Intela zmiany wprowadzone w procesorze po przypisaniu go do określonego binu.

Podkręcanie

Czytelnik mógłby się zdziwić, co robi test podkręcania w recenzji energooszczędnych procesorów, skoro podkręcanie stanowczo nie służy oszczędzaniu energii. Otóż istnieje pewne podobieństwo między binningiem zachodzącym w fabrykach Intela a pewnym procesem przeprowadzanym przez niektórych entuzjastów podkręcania. Chodzi o szukanie najlepszych układów – zdeterminowani entuzjaści często kupują po kilkanaście lub kilkadziesiąt sztuk tych samych procesorów i testują je wszystkie w poszukiwaniu najlepszego „selekta”, który osiągnie najwyższą częstotliwość i pozwoli ustanowić rekord świata lub zająć wysokie miejsce w ligach podkręcania. Selekcjonowanie procesorów bywa też dostępne jako usługa – na serwisach aukcyjnych można spotkać procesory sprawdzone przez sprzedawców przy częstotliwościach dużo wyższych niż nominalne. Ponieważ binning w fabryce jest przeprowadzany według tych samych kryteriów, można procesory z serii S potraktować jako „fabryczne selekty”. W większości przypadków procesor zdolny działać tak samo szybko przy niższym napięciu będzie mógł działać szybciej przy takim samym napięciu.

Zaczęliśmy od Q9550S – po odpowiednich testach stabilności określiliśmy maksymalną częstotliwość działania na 4139 MHz przy napięciu 1,4 V:

Jest to dość dobry wynik w porównaniu z redakcyjnym Q9650, który do osiągnięcia takiej częstotliwości potrzebował napięcia około 1,46 V.

Maksymalne taktowanie, jakie udało nam się uzyskać z Q9400S, wyniosło 3920 MHz przy takim samym napięciu:

Niestety, przy niskim mnożniku procesora barierą okazuje się nie częstotliwość działania rdzenia, ale maksymalna częstotliwość FSB, jaką potrafią utrzymać płyta główna i procesor. W przypadku 45-nanometrowych Core 2 Quad 500 MHz okazuje się często górną granicą taktowania FSB.

Niestety, procesor Q9550S przebywał w naszej redakcji zbyt krótko, aby udało nam się przeprowadzić pełny test wydajności po podkręceniu. Podamy jedynie wyniki z programów 3DMark06 i 3DMark Vantage.

Podkręcony Q9400S wyprzedza w większości testów wszystkie procesory w zestawieniu, ulegając Q9650 jedynie w Crysisie. Wzrost wydajności uzyskany dzięki podkręceniu waha się od 38% w Left 4 Dead do jedynie 7% w Supreme Commanderze.

Pobór mocy

I wreszcie najważniejszy punkt programu – pomiar poboru mocy. To właśnie tu procesory S powinny pokazać największą przewagę nad swoimi odpowiednikami bez S. Pobór mocy przy obciążeniu był mierzony po 20 minutach od uruchomienia testu stabilności programu OCCT, a w stanie spoczynku – po 20 minutach wyświetlania pulpitu. Co prawda zasilacz użyty w naszej platformie testowej nie jest optymalnym wyborem dla użytkownika energooszczędnego procesora, ale jego wysoka sprawność przy niskich obciążeniach pozwoli nam wykazać różnice między procesorami. Zasilacza postanowiliśmy nie zmieniać również ze względu na porównywalność wyników.

Wyniki testu są bardzo zadowalające. W spoczynku Q9400S i Q9550S potrzebują mniej więcej tyle samo energii co Phenom II X4 940, a o kilkanaście watów mniej niż odpowiadające im zwykłe Core 2 Quad. Pod obciążeniem zużywają tyle samo energii, co Q8200 i Q8300, które są od nich znacznie mniej wydajne ze względu na niższe taktowanie i mniej pojemną pamięć podręczną drugiego poziomu. Zostawiają tym wynikiem daleko w tyle resztę procesorów czterordzeniowych, a nawet trzyrdzeniowego Phenoma II X3 720. Przypomnijmy jednak spostrzeżenie z recenzji Core 2 Quad Q8200 i Q8300 dotyczące mnożników i napięć. Gdyby w Core 2 Quad można było zastosować równie agresywne ustawienie SpeedStep/ Cool'n'Quiet co w Phenomach II, można by obniżyć ich zapotrzebowanie na prąd w spoczynku jeszcze bardziej.

Temperatura działania

Zmierzyliśmy również temperaturę działania obu procesorów. Aby lepiej zrozumieć przedstawione tu wyniki, warto zapoznać się z metodami pomiarów, które przedstawiliśmy w recenzji Phenomów II AM3.

Działające procesory są nieco chłodniejsze niż niżej taktowane Q8200 i Q8300, głównie dzięki zmniejszonemu napięciu zasilania.

Podsumowanie

Jak napisaliśmy, procesory z serii S mogą być atrakcyjne dla dwóch skrajnie różnych, ale równie nielicznych grup użytkowników. Z jednej strony zainteresują osoby, które zechcą dopłacić do podstawowej wersji w zamian za niższy koszt utrzymania procesora i (lub) spokój sumienia. W dzisiejszych czasach dla niektórych poczucie bycia „green” jest z pewnością ważne, a być może nawet bardziej warte tego, aby zapłacić więcej, niż niższe rachunki za prąd. Z drugiej strony na eski mogą zwrócić uwagę miłośnicy podkręcania. Za cenę „premium” otrzymują produkt „premium” – procesor wyselekcjonowany przez producenta, zdolny do działania w „łagodniejszych” warunkach niż jego tańsze odpowiedniki. Tylko czy ci potencjalni użytkownicy nie mają nic lepszego do wyboru? Tak samo jak większość procesorów można choćby lekko podkręcić, tak samo większości można obniżyć nominalne napięcie. Z naszego doświadczenia z ogromną liczbą egzemplarzy Core 2 Quad wynika, że niemal każdy w rękach użytkownika gotowego pogrzebać w konfiguracji płyty głównej może być jak Core 2 Quad S. A dla podkręcaczy zawsze jednym z najważniejszych powodów podkręcania była oszczędność pieniędzy – tańszy procesor podkręca się, aby uzyskać wydajność droższego za niższą cenę. Czy opłaca się w takim razie dopłacać do „selekta”? Odpowiedź w przypadku obu grup odbiorców jest podobna: cena, którą płacimy za procesory S, jest ceną usługi, nie produktu. Dopłacamy nie po to, żeby lepiej podkręcić albo mniej zapłacić za prąd, ale żeby mieć pewność, że lepiej podkręcimy lub mniej zapłacimy za prąd. To, że nie trzeba wkładać pracy, czasu i uwagi w ręczne ustawianie parametrów działania procesora i nie trzeba mieć odpowiedniej wiedzy, może być dla niektórych warte różnicy w cenie między Core 2 Quad a Core 2 Quad S. Naszym zdaniem różnica ta jest na pewno zbyt duża.

Do testów dostarczył: Intel

Cena w dniu publikacji (z VAT): 1330 złotych

Do testów dostarczył: Intel

Cena w dniu publikacji (z VAT): 1670 złotych