Core M to marka, pod którą będą sprzedawane procesory serii Y. Serię Y zapoczątkowano w procesorach rodziny Haswell; należały do niej modele najbardziej energooszczędne, ze zintegrowanym na oddzielnym kawałku krzemu mostkiem południowym. Broadwell-Y, podobnie jak Haswell-Y, jest przeznaczony do najcieńszych przenośnych pecetów. Zamiast po skomplikowanych i mylących nazwach będzie można je rozpoznać po marce (nazwy modeli nadal są skomplikowane).
Producenci tabletów mogą wybierać między dwoma modelami: wyższy jest szybciej taktowany i obsługuje techniki vPro i TXT, a niższy nie udostępnia dwóch wymienionych rozwiązań i występuje w dwóch wariantach: wersja „a” ma TDP 4,5 W, a wersja bez „a” w nazwie ma konfigurowalne TDP (można wybrać 4,5 W albo 4 W).
Intel nie podał cen Core M (zresztą będą one sprzedawane tylko jako część urządzenia), ale procesory te mają się znaleźć w tabletach konwertowalnych za mniej więcej 900–1100 dol. Będzie to zatem produkt klasy premium, niewątpliwie bardzo funkcjonalny, ale i bardzo drogi.
Broadwell-Y to procesor zaadaptowany w jednym celu: ma być podstawą urządzeń jak najcieńszych i możliwie długo działających na zasilaniu akumulatorowym. To oznacza drastyczne ograniczenia przestrzeni i wydzielanej energii. Jak sobie z nimi poradzono?
Anatomia Core M
Mniejsza obudowa
Na pierwszy ogień poszła obudowa procesora, czyli wszystko, co oprócz krzemowego jądra wchodzi w skład Core M. Obudowa Broadwella-Y jest sporo mniejsza od obudowy Haswella-Y:
Jak łatwo zauważyć, większość zysku ze zmniejszonego wymiaru procesu produkcyjnego przeznaczono na zmniejszenie powierzchni jądra, a nie na zwiększenie liczby tranzystorów. Broadwell-Y ma 1,3 mld tranzystorów, tylko o 30% więcej niż Haswell-Y.
Zmniejszono nie tylko powierzchnię, ale i grubość obudowy. Właściwie to nie zmniejszono, ale ukryto: zajmujące dużo miejsca cewki ISVR zostały przeniesione na oddzielny mały laminat, który jest przylutowany od spodu procesora.
W płycie głównej pod procesorem jest dziura, dzięki czemu jest on częściowo zagłębiony w płycie. Do tego krzemowe jądra procesora i PCH są pocieniane do 0,17 mm (w porównaniu z 0,7 mm w zwykłych procesorach). W ten sposób całość jest cieńsza, choć budowa płyty głównej i proces montażu procesorów na płycie robią się bardziej skomplikowane.
U góry: płyta główna z MacBooka Air, najmniejsza na świecie płyta z Haswellem-Y. U dołu: Intelowska płyta testowa z Broadwellem-Y. Tak, obie z nich to w pełni funkcjonalne komputery – brakuje tylko zasilacza i ekranu.
Tryb liniowy w zintegrowanym zasilaczu
Zauważono, że zintegrowany w procesorze zasilacz impulsowy (ISVR) ma bardzo małą sprawność, kiedy napięcie i prąd pobierane przez poszczególne części układu są bardzo małe. W takich warunkach nawet stabilizator liniowy miałby większą sprawność, więc ISVR dodano możliwość pracy w trybie takiego stabilizatora. Jest on wykorzystywany tylko przy najniższym poborze energii.
Zoptymalizowana fabrykacja i reguły projektowe
W ramach wszystkich technik ogólnie nazywanych procesem produkcyjnym 14 nm Intel ma pewne możliwości dostosowania, choćby w małym zakresie, charakterystyk tranzystorów. Core M są produkowane w wolno taktowanym, niskonapięciowym wariancie procesu 14 nm. Możliwość szybszego taktowania po przyłożeniu wyższego napięcia poświęcono w nim dla niższego upływu prądu do podłoża. Broadwell-Y nie może być już dużo szybciej taktowany, bo inaczej nie byłby już tak oszczędny (nawet w najniższym stanie energetycznym).
Na potrzeby Broadwella-Y dostosowano też reguły projektowe, czyli zestaw zaleceń co do ułożenia tranzystorów i połączeń w warstwach metalowych. Układ tych ostatnich ma zapewniać jak najmniejszą pojemność połączeń, nawet kosztem długości przewodów.
Szybsze turbo, wolniejszy spoczynek
Dwie najważniejsze zalety Broadwella-Y, wydajność i energooszczędność, biorą się z bardzo rozległych zmian w taktowaniu i zasilaniu. Obliczenia wymagają energii, więc procesor nie może być jednocześnie szybki i oszczędny; cała sztuka polega na tym, żeby był szybki, kiedy użytkownik czeka na wynik operacji, i oszczędny, kiedy użytkownik myśli. W Broadwellu-Y jeszcze zwiększono zakres stanów przyspieszonych i spowolnionych.
Broadwellowe Turbo przyspiesza nie tylko do limitu związanego z pojemnością cieplną układu chłodzenia, ale tak mocno, na ile pozwala dopuszczalna prędkość rozładowywania akumulatora. Procesor i kontroler zasilania wbudowany w PCH monitorują cały czas temperaturę obudowy urządzenia i spowalniają działanie dopiero wtedy, kiedy użytkownik miałby zacząć odczuwać dyskomfkort. W wielu zadaniach, które wymagają bardzo krótkiego okresu wydajnych obliczeń, ten limit nigdy nie jest osiągany: procesor kończy zadanie, zanim zdąży nagrzać obudowę.
Stany niskoenergetyczne też rozbudowano. Główną innowacją jest spowalnianie nie przez dalsze obniżanie częstotliwości taktowania (to by już nic nie dało – koszt energetyczny taktowania jest już dużo mniejszy niż upływ prądu), ale przez krótkotrwałe wyłączanie poszczególnych części procesora. Inżynierowie Intela zachowali szczegóły dla siebie, lecz prawdopodobnie chodzi nie tylko o zatrzymywanie zegarów, ale też o całkowite odłączanie zasilania od niektórych bloków. W ten sposób taktowanie nie jest spowalniane, ale średnia częstotliwość taktowania w dłuższym okresie, owszem, spada.
Mikroarchitektura Broadwell
Choć Broadwell to shrink, czyli po prostu znana mikroarchitektura wykonana w mniejszym wymiarze procesu technologicznego, wprowadzono niewielkie zmiany. Intel robił tak przy kilku ostatnich zmianach procesu produkcji, ale tym razem energetyczny rygor sięgnął również do mikroarchitektury. Spośród planowanych ulepszeń w rdzeniu x86 zastosowano tylko te, które zapewniały poprawę wydajności co najmniej dwukrotnie większą od wzrostu zapotrzebowania na energię. Innymi słowy, jeśli jakaś zmiana zwiększała zapotrzebowanie procesora na energię o 1%, musiała dawać co najmniej 2-procentowe przyspieszenie, żeby zdecydowano się ją wprowadzić.
Dlatego modyfikacje ograniczyły się do tych, których koszt wyraża się w liczbie tranzystorów, a nie w poborze energii. Nie ma żadnych dodatkowych obwodów, ale powiększono najważniejsze wewnętrzne bufory danych (okno przekolejkowywania zadań, bufor tablicy stron) oraz przyspieszono kilka operacji zmiennoprzecinkowych. Wszystko to razem ma rzekomo dawać średnio 5-procentowy wzrost wydajności w porównaniu z osiągami Haswella przy tym samym taktowaniu.
Ulepszony wbudowany układ graficzny
Wbudowany układ graficzny stanowi większą część jądra Broadwell-Y. Nazywa się HD Graphics 5300 i wyewoluował z tej samej architektury GPU, którą zastosowano w procesorach Ivy Bridge i Haswell. Największą nowością są zmienione proporcje jednostek obliczeniowych i teksturujących. W Ivy Bridge i Haswellu uniwersalne jednostki obliczeniowe były pogrupowane po 10; na każdą grupę przypadał blok pamięci podręcznej, samplery tekstur i inne nieuniwersalne obwody. W Broadwellu jednostki SIMD są pogrupowane po osiem, a GPU w Core M ma trzy takie grupy. Dzięki temu ma o jedną piątą więcej mocy obliczeniowej i o połowę większą prędkość wypełniania: innymi słowy, stosunkowo większy procent tranzystorów poświęcono na wyświetlanie grafiki 3D, a mniejszy na moc obliczeniową przydatną do cieniowania i do zadań GPGPU.
GPU Broadwella-Y zostało unowocześnione: obsługuje DirectX 11.2 i OpenCL 2.0. Ten drugi umożliwia współdzielenie pamięci wirtualnej. To technika pozwalająca uprościć programowanie z wykorzystaniem jednocześnie GPU i CPU. To tylko programistyczna imitacja wspólnej fizycznej przestrzeni adresowej, takiej jak w procesorach zgodnych z HSA, ale każdy krok w kierunku unowocześnienia oprogramowania pod tym względem jest pożądany.
Wreszcie unowocześniono kontrolery wyświetlaczy oraz kodery wideo, które są lepiej przygotowane na rozdzielczość 4K (Haswell-Y, w odróżnieniu od innych wariantów Haswella, nie umiał wyświetlać obrazu 4K!). Broadwell-Y dekoduje kodek H.265 w części sprzętowo, a w części wspomagając się GPU.
Taki sam układ z mniejszą lub większą liczbą jednostek obliczeniowych zostanie zastosowany w większych procesorach Broadwell (laptopowe czterordzeniowce i mniej zintegrowane dwurdzeniowce mają się pojawić mniej więcej w połowie przyszłego roku).
Zintegrowany mostek południowy – PCH
Podobnie jak Haswell-Y nowe ultramobilne procesory mają zintegrowany w tej samej obudowie mostek południowy. To oddzielne krzemowe jądro w dalszym ciągu jest wykonywane w procesie technologicznym 32 nm i ma zasadniczo tę samą funkcjonalność.
Jedyna nowość to zintegrowany w PCH układ dźwiękowy (dzięki temu może podlegać mechanizmom zarządzania energią w procesorze) i rozbudowane funkcje odłączania nieużywanych bloków. W pogoni za ostatnim dżulem wyłączane są nawet interfejsy obrazu i peryferiów.