Вопрос, ответу на который посвящена эта статья, носит скорее теоретический, чем прикладной характер. Тем не менее он нередко всплывает в различных сетевых спорах, а потому определённо нуждается в специальном разборе. Речь идёт о IPC (instructions per cycle) – характеристике удельной производительности, описывающей быстродействие той или иной микроархитектуры в отрыве от тактовой частоты.
AMD и Intel, выводя на рынок последние поколения десктопных процессоров, сделали особый акцент на том, что им удалось заметно улучшить эффективность используемых микроархитектур и увеличить удельную производительность используемых ядер в пересчёте на гигагерц. Так, для семейства процессоров Ryzen 5000, основанных на архитектуре Zen 3, компания AMD заявила о росте IPC по сравнению с прошлым поколением на 19 %. Это – немного оптимистичная оценка, но в собственном тестировании мы смогли подтвердить, что существенный прирост действительно имеет место. Только по нашим данным удельная производительность Zen 3 по сравнению с Zen 2 выросла на 11 % в ресурсоёмких приложениях и на 16 % в играх.
Не отстаёт от AMD и Intel. В недавно выпущенных процессорах Core 11-го поколения, основанных на дизайне Rocket Lake, почти такой же, как в Zen 3, прирост показателя IPC — на уровне 19 %. Мы не проверяли это утверждение собственными тестами напрямую, но, поскольку в основе Rocket Lake лежит микроархитектура Cypress Cove, которая представляет собой 14-нм порт мобильной микроархитектуры Sunny Cove, декларируемая величина вряд ли далека от истины. Процессоры Ice Lake, где используются ядра Sunny Cove, действительно заметно быстрее предшественников на микроархитектуре Skylake, несмотря на довольно близкие тактовые частоты.
Таким образом, и Zen 3, и Rocket Lake принесли с собой заметный прогресс не только по видимым в спецификациях численным характеристикам процессоров, но и по росту удельной производительности. Однако такие перемены вызывают дополнительные вопросы. Если предложения AMD и Intel стали заметно лучше по сравнению со своими предшественниками, то как они теперь соотносятся между собой? Частоты, количество ядер или размеры кеш-памяти разных процессоров сопоставлять очень просто, но как быть с эффективностью микроархитектур? Чтобы разобраться, нужны специальные тесты, и мы решили провести именно такое исследование. Им мы ответим на вопрос: который из производителей x86-процессоров – AMD или Intel – обладает сейчас наиболее эффективной микроархитектурой?
⇡#Как выглядит противостояние Ryzen 5000 и Rocket Lake на первый взгляд
В обзорах новых процессоров Rocket Lake, Core i7-11700K и Core i9-11900K, мы пришли к выводу, что старшие представители этой серии могут соперничать по производительности с процессорами Ryzen 5000 толькосреднего уровня — например, с Ryzen 7 5800X. Так получается потому, что AMD сумела обойти Intel по степени интеграции своих решений. Современные десктопные CPU на базе микроархитектуры Zen 3 могут содержать до 16 вычислительных ядер, максимум же для Rocket Lake – это восемь ядер.
Преимущество AMD в числе ядер обуславливается двумя факторами: внедрением более современного техпроцесса и переходом на чиплетный дизайн. Процессоры семейства Ryzen 5000 для десктопов могут содержать внутри сразу два 7-нм полупроводниковых кристалла с восемью ядрами, что как раз и даёт в сумме до 16 ядер в старших модификациях. Каждый такой кристалл имеет площадь всего 81 мм2, то есть они значительно меньше площади восьмиядерного кристалла Rocket Lake, составляющей 276 мм2.
Восьмиядерный Ryzen 5000 без крышки. Фото Fritzchens Fritz
Такой огромный разрыв в размерах обусловлен тем, что Intel для выпуска настольных процессоров продолжает использовать старую 14-нм технологию, которая была введена в обиход в далёком 2014 году. Именно производственный аспект не позволяет добавить в Rocket Lake свыше восьми ядер.
Восьмиядерный Rocket Lake без крышки. Фото Fritzchens Fritz
Но при сравнении размеров кристаллов нужно иметь в виду пару нюансов. Во-первых, архитектура процессоров Intel предполагает наличие в них интегрированного графического ядра, которое в рассматриваемых процессорах AMD не предусмотрено. Во-вторых, у Intel в процессорный кристалл включены также контроллеры памяти и PCIe, в то время как чиплетная компоновка процессоров Ryzen предполагает использование внешних контроллеров, располагающихся в отдельном чиплете, выпускаемом по 12-нм технологии. И это – одно из слабых мест дизайна современных Ryzen: внешний контроллер памяти работает с более высокими задержками по сравнению с контроллером памяти, расположенным по соседству с вычислительными ядрами на том же кристалле. В результате представители серии Rocket Lake выигрывают у Ryzen по эффективности работы с памятью, что может стать не менее весомым, чем число ядер, фактором для некоторых приложений — например, из числа современных игр.
Впрочем, зная о важности скорости доступа к данным, AMD приняла меры по компенсации более высоких задержек своего контроллера памяти. Эти меры – очень большой L3-кеш (так называемый GameCache), поместить который в Ryzen стало возможным благодаря всё тому же современному техпроцессу с нормами 7 нм. В результате Ryzen 5000 могут похвастать кеш-памятью третьего уровня суммарным объёмом 32 или даже 64 Мбайт, в то время как кеш в старших Rocket Lake имеет размер не более 16 Мбайт.
Но в совершенствовании ещё одной ключевой характеристики процессоров – тактовой частоты – 7-нм технология помогла AMD не слишком сильно. Процессоры серии Ryzen 5000 ограничены частотой 4,9 ГГц. Выше этой планки не может прыгнуть даже старший 16-ядерный Ryzen 9 5950X при нагрузке на одно-единственное ядро. Оппоненты же из числа Rocket Lake при нагрузке на одно ядро могут брать частоты 5,2-5,3 ГГц, причём величина 5,1 ГГц доступна старшей модели Core i9-11900K даже при нагрузке на все ядра. Иными словами, в каких-то случаях 14-нм технология Intel совсем не кажется устаревшей и неактуальной.
Тем не менее нельзя отрицать, что «толстый» техпроцесс создаёт существенные проблемы с тепловыделением и энергопотреблением. Старшие Rocket Lake отнесены производителем к тепловому пакету 125 Вт, но это – очень оптимистичная оценка. Как показали наши тесты, в реальности современные процессоры Intel могут затребовать при работе вдвое больше этой величины. Это не скрывает и сам производитель, заявляя для своих флагманов предел потребления PL2 на уровне 250 Вт. Что же касается AMD, то её процессоры с TDP, установленным в 105 Вт, прекрасно вписываются в 142-ваттные границы по энергопотреблению и тепловыделению.
В конечном итоге получается довольно неоднозначная картина. Старшие процессоры Ryzen 5000 определённо выигрывают у соперников по возможностям многопоточной обработки за счёт большего количества ядер. И для решения ресурсоёмких задач они, вне всяких сомнений, намного предпочтительней. Однако там, где более восьми ядер не нужно, выбор между Ryzen 5000 и Core 11-го поколения совсем не очевиден. Выше мы прошлись по основным количественным характеристикам обоих вариантов, и, как можно заметить, однозначного лидера определить невозможно.
| Rocket Lake | Ryzen 5000 | |
|---|---|---|
| Микроархитектура | Cypress Cove | Zen 3 |
| Технология производства, нм | 14 | 7 + 12 |
| Максимальное количество ядер | 8 | 16 |
| Максимальная тактовая частота, ГГц | 5,3 | 4,9 |
| L2-кеш, Кбайт на ядро | 512 | 512 |
| L3-кеш, Мбайт | До 16 | До 64 |
| TDP, Вт | 125 | 105 |
| Предел потребления, Вт | 250 | 142 |
| Встроенная графика | Есть | Нет |
| PCIe | 20 × Gen 4 | 24 × Gen 4 |
| Поддержка памяти | DDR4-3200 | DDR4-3200 |
К сказанному можно добавить и ещё один штрих – поддержку в процессорах Rocket Lake инструкций набора AVX512, которой нет в конкурирующем семействе. Пока данный фактор не имеет большого практического значения, но в перспективе он может стать важным, поскольку эти инструкции будут внедряться в алгоритмах, построенных на нейронных сетях.
Иными словами, неопределённостей, возникающих при сопоставлении Ryzen 5000 и Core 11-го поколения, очень много, и спорить о преимуществе того или иного семейства можно очень долго. Но на висящий в воздухе вопрос о том, чья микроархитектура более эффективна по удельной производительности, мы можем ответить однозначно.
⇡#Описание тестовой системы и методики тестирования
Для сравнения микроархитектур Zen 3 и Cypress Cove мы взяли два свежих восьмиядерных процессора, Ryzen 7 5800X и Core i7-11700K, и сопоставили их быстродействие при работе на одинаковой частоте, с одинаковой памятью и с одной и той же производительной видеокартой. В качестве такой опорной частоты было выбрано значение 4,0 ГГц – оно обусловлено нашим желанием добавить в тестирование пару более старых процессоров, Ryzen 7 3800XT и Core i7-10700K, заставить первый из которых стабильно работать на более высокой «круглой» частоте не представляется возможным. Пренебрегать же участием в тестах носителей микроархитектр Zen 2 и Skylake нам очень не хотелось, потому что оно позволяет проверить утверждения обоих производителей о величине роста показателя IPC при переходе к Zen 3 и Cypress Cove.
Для наглядности приведём таблицу с формальными характеристиками всех четырёх участников тестирования. Однако указанные в этой таблице частоты в контексте данного тестирования значения почти не имеют – большинство тестов выполнялось, когда все процессоры работают на фиксированной тактовой частоте и не пользуются никакими технологиями авторазгона, которые в обычной жизни гибко подстраивают частоты под нагрузку.
| Core i7-11700K | Core i7-10700K | Ryzen 7 5800X | Ryzen 7 3800XT | |
|---|---|---|---|---|
| Платформа | LGA1200 | LGA1200 | Socket AM4 | Socket AM4 |
| Микроархитектура | Cypress Cove | Skylake | Zen 3 | Zen 2 |
| Техпроцесс, нм | 14 | 14 | 7/12 | 7/12 |
| Ядра/потоки | 8/16 | 8/16 | 8/16 | 8/16 |
| Частота (номинал/турбо), ГГц | 3,6-5,0 | 3,8-5,1 | 3,8-4,7 | 3,9-4,7 |
| L2-кеш, Кбайт | 8 × 512 | 8 × 256 | 8 × 512 | 8 × 512 |
| L3-кеш, Мбайт | 16 | 16 | 32 | 2 × 16 |
| AVX-512 | Есть | Нет | Нет | Нет |
| TDP, Вт | 125 | 125 | 105 | 105 |
| Память | DDR4-3200 | DDR4-2933 | DDR4-3200 | DDR4-3200 |
| Линии PCIe | 20 × Gen 4 | 16 × Gen 3 | 24 × Gen4 | 24 × Gen4 |
| Встроенная графика | UHD 750 | UHD 630 | Нет | Нет |
| Цена | $399 | $387 | $449 | $399 |
В итоге в состав тестовой системы вошли следующие комплектующие:
Оперативная память в системах и AMD, и Intel работала в режиме DDR4-3600 с таймингами по XMP-профилю. Это также означает, что для процессоров Ryzen использовался синхронный режим контроллера памяти и частота Infinity Fabric, равная 1800 МГц, а для процессоров Core последнего поколения — режим Gear 1 и частота контроллера памяти 1800 МГц.
Тестирование выполнялось в операционной системе Microsoft Windows 10 Pro (20H2) Build 19042.572 с использованием следующего комплекта драйверов:
Описание использовавшихся для измерения вычислительной производительности инструментов:
Приложения:
Игры:
Во всех игровых тестах в качестве результатов приводится среднее количество кадров в секунду, а также 0,01-квантиль (первая перцентиль) для значений FPS. Использование 0,01-квантиля вместо показателей минимального FPS обусловлено стремлением очистить результаты от случайных всплесков производительности, которые были спровоцированы не связанными напрямую с работой основных компонентов платформы причинами.
⇡#Производительность в приложениях
В тесте процессоров последних поколений, проведённом на единой тактовой частоте, сразу же бросается в глаза, что и Zen 3, и Cypress Cove – это действительно заметно усовершенствованные микроархитектуры. В обоих случаях новые процессоры оказываются быстрее предшественников на двузначное число процентов. Впрочем, и там и там обещанных 19 % прироста мы не видим. Если говорить о переходе от Zen 2 к Zen 3, то удельная производительность увеличилась в среднем на 10 %, а при переходе от Skylake к Cypress Cove (или, если угодно, от Comet Lake к Rocket Lake) – на 12 %.
При этом, естественно, есть примеры как более высокого, так и более низкого прироста. Лучше всего на смену микроархитектуры в случае AMD реагирует архиватор 7-zip, шахматный движок Stockfish и приложение для видеообработки на основе ИИ Topaz Video Enhance AI. В случае же Intel в лидерах по выигрышу оказывается рендеринг, перекодирование видео и снова Stockfish. При этом в сравнении удельной производительности Skylake и Cypress Cove наблюдается и единичный случай «отрицательного роста» — в архиваторе 7-zip, что, очевидно, связано с увеличением латентности всей подсистемы кеш-памяти в процессорах Rocket Lake.
Поскольку прирост, обеспечиваемый новыми микроархитектурами разных производителей, различается несильно, между удельным быстродействием Zen 3 и Cypress Cove продолжает оставаться примерно такой же отрыв, как и между Zen 2 и Skylake. Это значит, что в ресурсоёмких приложениях, где на первом плане находится вычислительная производительность ядер, при одинаковой частоте Ryzen 5000 определённо быстрее Rocket Lake. По нашим тестам его отрыв составляет в среднем 5 %, но в Stockfish, при обработке фотографий или при компиляции программного кода Ryzen может опережать оппонента и на 15, и даже на 25 %. Правда, есть и единичные обратные примеры, например, в шифровании или в Topaz Video Enhance AI процессор семейства Rocket Lake выглядит эффективнее предложений AMD.
Впрочем, общей картины это не меняет. Обобщённо можно говорить о том, что Intel в процессорах Rocket Lake смогла перекрыть по удельной производительности Zen 2, но до Zen 3 так и не дотянулась. И это значит, что между передовыми микроархитектурами AMD и Intel продолжает оставаться разрыв примерно в полшага длиной.
Рендеринг:
Обработка фото:
Работа с видео:
Перекодирование видео:
Компиляция:
Архивация:
Шахматы:
Шифрование:
Ситуация с игровой производительностью заметно отличается от той картины, которую мы наблюдали в приложениях. Во-первых, при нагрузке такого рода процессоры Intel чувствуют себя гораздо увереннее благодаря низким латентностям при межъядерном обмене данными и низким задержкам при работе с памятью. Во-вторых, прирост, который произошёл при переводе настольных CPU на новые микроархитектуры Zen 3 и Cypress Cove, здесь совсем иной по характеру.
Так, восьмиядерный Ryzen на базе ядер Zen 3 при одинаковой частоте обходит своего предшественника с ядрами Zen 2 в среднем на 12 %. Но в отдельных случаях прирост может превышать и 20 процентов. Дело в том, что для игр очень весомым аргументом оказалось произошедшее в Ryzen последнего поколения расширение CCX-комплексов, которые собраны теперь не из четырёх, а из восьми ядер. Это не только дало каждому ядру прямой доступ к полному объёму L3-кеша, но и приблизило ядра друг к другу в смысле скорости обмена данными.
Что же касается процессоров Rocket Lake, то их удельная производительность демонстрирует несколько меньший прогресс. Смена поколений микроархитектуры от Skylake к Cypress Cove (без учёта вклада тактовой частоты) принесла Intel лишь 7 % увеличения среднего FPS. Тем не менее при равной тактовой частоте свежий процессорный дизайн Intel оказывается немножко быстрее конкурирующего Zen 3. Но так происходит не благодаря значительности микроархитектурных улучшений в Rocket Lake, а из-за того, что и предшествующие Comet Lake были довольно сильны в играх.
Наглядно проследить всё это можно по показателю среднего FPS, рассчитанному по десяти играм, который приводится на следующем графике.
Если обратиться к результатам тестирования уравненных по частоте восьмиядерников в отдельных играх, то можно заметить интересную закономерность. Rocket Lake часто выдаёт лучшие показатели в части минимального FPS, в то время как по средней тактовой частоте в пяти из десяти игр выигрывает Ryzen 7 5800X.
⇡#Энергопотребление и температура
Не менее интересным кажется аспект энергетической эффективности современных процессорных микроархитектур, если они приведены к постоянной тактовой частоте. Для этого теста мы пронаблюдали за потреблением и температурой участников тестирования при условии, что они работают не только при одинаковой частоте 4,0 ГГц, но и при постоянном и равном напряжении 1,1 В.
Если посмотреть на ситуацию при рендеринге, который равномерно загружает работой все вычислительные ядра, то станет хорошо понятно, что старый 14-нм техпроцесс действительно портит имеющиеся у Intel процессоры. И Comet Lake, и Rocket Lake в одних и тех же условиях потребляют больше, чем 7-нм процессоры конкурента. Причём если в случае с процессором на микроархитектуре Skylake это сказывается не столь критично, то Rocket Lake, основанный на сложных ядрах Cypress Cove, обгоняет по потреблению более быстрый Ryzen 7 5800X чуть ли не в полтора раза.
Правда, если перейти к температурному графику, то ситуация выглядит совсем по-иному. Полупроводниковые кристаллы, произведённые по 14-нм техпроцессу, выигрывают у 7-нм кристаллов в температурном режиме благодаря большой площади поверхности. От них проще отводить тепло, поэтому Core i7-11700K при прочих равных работает с заметно более низкими температурами по сравнению с Ryzen 7 5800X. Это довольно парадоксальный результат, но нужно иметь в виду, что из него совершенно не следует, что процессорам Intel не требуются мощные системы охлаждения. Как раз наоборот, чтобы удерживать температуру восьмиядерных Rocket Lake в рамках, нужны кулеры, способные рассеивать порядка 200 Вт тепла.
Ещё более наглядно прожорливость новых ядер Cypress Cove видна при игровом тестировании. В то время как процессоры Ryzen и Comet Lake в Hitman 3 показывают достаточно близкие аппетиты, работающий при такой же частоте и таком же напряжении Rocket Lake требует заметно больше электроэнергии. Правомерно будет сказать, что, улучшив в ядрах Cypress Cove удельную производительность на гигагерц, разработчики Intel пожертвовали их энергоэффективностью. По быстродействию в пересчёте на ватт Rocket Lake заведомо проигрывает и конкурентам, и предшественникам.
У AMD же прогресс в микроархитектуре не приводит ни к каким печальным последствиям. Напротив, представители поколений Zen 2 и Zen 3 показывают близкое энергопотребление и тепловыделение на фоне роста производительности. Иными словами, разработчики микроархитектуры Zen идут по пути явного улучшения энергоэффективности своих решений.
Зато в температурном тесте ситуация оказывается именно такой, какой она и должна быть по логике вещей. Процессоры, построенные на более новых микроархитектурах, имеют более низкие рабочие температуры. Однако здесь вновь нужно оговориться, что в данном случае такое соотношение результатов определяется в том числе и площадью полупроводниковых кристаллов, и специальными мерами, которые производители применяют для улучшения теплоотвода. Например, уместно будет вспомнить, что в процессорах Comet Lake и Rocket Lake компания Intel специально уменьшила толщину кристаллов с тем, чтобы улучшить теплопередачу.
После того как представление о сравнительной производительности Ryzen 7 5800X и Core i7-11700K на одинаковой тактовой частоте 4 ГГц получено, стоит посмотреть, какую относительную надбавку к быстродействию эти процессоры получают при переходе от фиксированных 4 ГГц к своим штатным режимам со всеми включёнными технологиями авторазгона. Иными словами, мы предлагаем оценить, кто из производителей сумел сильнее оттолкнуться от четырёхгигагерцевой базы и обеспечил большую дельту в производительности, гибко управляя тактовой частотой.
Если сравнивать производительность в ресурсоёмких приложениях, то получается, что средняя разница составляет около 11 % в обоих случаях. Это отражает тот факт, что в реальности Ryzen 7 5800X и Core i7-11700K функционируют на близких тактовых частотах, несмотря на кардинальную разницу в техпроцессе и, соответственно, энергопотреблении и тепловыделении.
Похожая ситуация складывается и в играх – здесь прирост частоты кадров при переходе от 4 ГГц к работе на номинальных частотах составляет порядка 5 % как для Ryzen 7 5800X, так и для Core i7-11700K. Следовательно, на данный момент быстродействие наиболее современных процессоров разных производителей с одинаковым числом ядер в первую очередь зависит от эффективности их микроархитектур, а не от взятых ими тактовых частот. Однако если на следующем витке совершенствования техпроцессов кто-то из пары AMD—Intel сможет оторваться от соперника в частотной формуле, это может дать такому производителю определённую фору.
Впрочем, необходимо сделать оговорку, что процессорам, выпущенным по 7- и 14-нм техпроцессам, близкие частоты даются по-разному. Мы подробно разбирали этот вопрос в обзоре Core i7-11700K, но вкратце напомним, что по сравнению с Ryzen 7 5800X похожий по частоте восьмиядерный Core i7-11700K потребляет примерно в полтора раза больше.
Следить за происходящим на процессорном рынке становится всё интереснее и интереснее. Теперь расшевелились уже оба основных производителя x86-процессоров, и развитие микроархитектур пошло куда веселее, чем раньше. В последних поколениях процессоров и AMD, и Intel смогли провести глубокую модернизацию микроархитектуры и заметно подтянули производительность интенсивным методом – за счёт повышения КПД вычислительных ядер.
Сами процессорные разработчики обещали, что и в Ryzen 5000, и в Rocket Lake показатель IPC, то есть удельная производительность при фиксированной частоте, вырос на 19 %. По нашим прикидкам, это некоторое преувеличение, но тем не менее процессоры последнего поколения обоих производителей действительно демонстрируют прирост IPC на двузначное число процентов. Что интересно — и там и там мы зафиксировали близкий эффект от сделанных микроархитектурных усовершенствований, то есть AMD и Intel набрали примерно одинаковый темп в развитии процессорных дизайнов, хотя они и движутся совершенно различными путями.
Впрочем, всё это вовсе не означает, что разные процессоры последних поколений похожи по удельной производительности. В действительности Intel сейчас находится в положении догоняющей стороны, поскольку до Rocket Lake она не занималась совершенствованием микроархитектур десктопных процессоров в течение почти шести лет. Поэтому сейчас её предложения находится как минимум на полшага позади. Применённая в Rocket Lake микроархитектура Cypress Cove эффективнее, чем Zen 2, но до Zen 3 ей всё-таки далеко.
Кроме того, Zen 3 выигрывает не только в удельной производительности. Процессоры, построенные на этом дизайне, намного более энергоэффективны, что только подчёркивает неразрешённые проблемы Intel, которая всё ещё вынуждена пользоваться устаревшим технологическим процессом с 14-нм нормами.
Тем не менее у процессоров Rocket Lake всё-таки нашлось сильное место – они могут предложить неплохую игровую производительность, которая подпитывается их низколатентным контроллером памяти и быстродействующей внутренней кольцевой шиной. Однако Ryzen 5000 в играх совсем не выглядят отстающими: в большинстве случаев они выдают очень близкую удельную производительность. Таким образом, в итоге, если принять во внимание уверенное превосходство микроархитектуры Zen 3 в вычислительных задачах, никаких сомнений в том, кто из разработчиков процессоров находится сейчас в позиции лидера с технологической точки зрения, не возникает.