Конфликт поколений: Core i5-4670K против Core i5-3570K и Core i5-2550K

Почти каждый день, как сводки с фронта, мы с горечью читаем новости о том, что рынок настольных компьютеров продолжает лишаться своих верных сторонников. Потери несёт не только армия пользователей. Один за другим выпадают из числа приверженцев классических десктопов и производители оборудования. Но особенно обидно бывает, когда среди фирм, сделавших себе имя и заработавших огромный капитал именно на рынке настольных систем, обнаруживаются предатели и диверсанты, на словах декларирующие непоколебимую верность старым идеалам, а на деле — не только смотрящие, но и активно ходящие «на сторону» (мобильных устройств, естественно). Вопиющий пример такой вероломной неверности, который ещё пока не затмился в памяти какой-нибудь новой ужасной изменой, совсем недавно показала нам компания Intel.

Да-да, речь идёт о Haswell. О том самом процессоре, который изначально преподносился как очередной цикл разработки высокопроизводительной микроархитектуры, но по факту оказался целенаправленно и глубоко адаптированным для использования в маломощных портативных вычислительных системах. Тот же Haswell, который в итоге получили пользователи настольных систем, острословы нарекли Hasfail не на пустом месте. Десктопные процессоры Core четвёртого поколения, основанные на новом микропроцессорном дизайне, стали для Intel побочным продуктом со всеми вытекающими из этого последствиями. Наш обзор Core i7-4770K обнажил главные недостатки: отсутствие явного прогресса в вычислительной производительности и ухудшение разгонного потенциала. Вывод из всего этого тогда был сделан однозначный: модернизировать имеющиеся системы и переходить на новую платформу LGA1150 смысла нет.

Однако с момента анонса Haswell прошло уже несколько недель, и былое негодование немного улеглось. В голову начали закрадываться мысли о том, не слишком ли мы погорячились в клеймении нового процессорного дизайна позором? Может быть, десктопные Haswell могут-таки быть интересными, ведь в этих процессорах всё же присутствуют определённые улучшения. Иными словами, назрела необходимость в свежем взгляде.

Но повторять по второму разу уже сделанные тесты мы, конечно, не будем. Сегодня мы посмотрим на Haswell под другим углом. А именно — попытаемся понять, какой из интеловских процессоров следует приобрести энтузиасту, располагающему для этой цели бюджетом порядка 200–250 долларов. То есть попробуем ответить на вопрос, какой из имеющихся в магазинах оверклокерских Core i5 обладает наибольшей практической ценностью на сегодняшний день. Со времен Sandy Bridge в каждом новом поколении десктопных CPU мы наблюдали небольшие шажки в сторону улучшения производительности, с одной стороны, но планомерный откат в разгонном потенциале — с другой. Поэтому, выбирая современную платформу, продвинутые пользователи сегодня фактически стоят перед трилеммой: Sandy Bridge, Ivy Bridge или Haswell. И в этом материале мы решили напрямую сравнить все три доступных варианта: Core i5-2550K, Core i5-3570K и Core i5-4670K.

⇡#Экскурс в процессорные микроархитектуры

Все мы привыкли к тому, что чем новее процессор, тем он лучше. И до недавних пор это действительно работало. Улучшались производственные технологические процессы. Это выливалось в рост частотного потенциала и в увеличение сложности процессорных полупроводниковых кристаллов. Возросший транзисторный бюджет расходовался либо на микроархитектурные инновации, либо на увеличение количества ядер или рост объёма кеш-памяти.

Однако с момента появления процессоров поколения Sandy Bridge привычная поступь прогресса стала замедляться. Даже несмотря на то, что для производства Sandy Bridge применяется 32-нм техпроцесс, а для более новых Ivy Bridge и Haswell — 22-нм технология, все эти три поколения десктопных процессоров имеют сходную многоядерную структуру, работают на очень близких тактовых частотах и располагают одинаковыми объёмами кеш-памяти. Фактически все влияющие на производительность различия теперь оказались заглубленными в недра микроархитектуры.

В принципе, в том, что в формальных спецификациях процессоров для настольных систем с 2011 года прекратился рост базовых показателей, нет ничего страшного. Как мы знаем из предшествующего опыта, микроархитектурные улучшения способны на многое. Тем более что и Ivy Bridge, и Haswell — это не простые «тики» в интеловской терминологии. Даже о Ivy Bridge, выход которого был сопряжён со сменой техпроцесса, Intel говорила как о такте «тик+», подчёркивая, что речь идёт не о простом переносе Sandy Bridge на новые технологические рельсы, а о комплексной доработке старого дизайна. Haswell же вообще относится к циклу разработки «так», то есть представляет собой новую версию микроархитектуры без каких-либо оговорок. Поэтому повышения быстродействия можно было ожидать и от имеющегося развития интеловских процессоров, пусть оно и не сопровождается сменой чисел в списке формальных характеристик.

Однако никакого бурного роста производительности десктопных процессоров на самом деле не наблюдается. Причина состоит в том, что основные усилия интеловских разработчиков направлены не в сторону совершенствования вычислительной мощности — ее более чем достаточно, чтобы оставить конкурентов далеко позади, — а на улучшение параметров, критичных для мобильного рынка. Желая одновременно заткнуть за пояс и гибридные процессоры AMD, и мобильные процессоры с архитектурой ARM, Intel планомерно оптимизирует тепловыделение и энергопотребление, а также занимается подтягиванием собственного графического ядра. Для десктопных же процессоров эти параметры малозначимы, поэтому, с точки зрения пользователей настольных компьютеров, развитие Sandy Bridge → Ivy Bridge → Haswell смахивает на проявление технологического инфантилизма.

Давайте попробуем вспомнить, что происходило с вычислительными ядрами процессоров начиная с 2011 года, когда на рынке появились первые Sandy Bridge c действительно инновационной микроархитектурой с полностью переработанной схемой внеочередного исполнения команд. Первоначальный дизайн Sandy Bridge стал прочным базисом для всех последующих поколений микроархитектуры. Именно тогда появились такие ключевые и актуальные до сих пор элементы, как кольцевая шина, кеш декодированных инструкций «нулевого уровня», принципиально новый блок предсказания переходов, схема исполнения 256-битных векторных инструкций и многое другое. После Sandy Bridge интеловские инженеры ограничивались лишь небольшими изменениями и дополнениями, не затрагивая заложенный в этой микроархитектуре фундамент.

В вышедших годом позже процессорах семейства Ivy Bridge прогресс коснулся вычислительных ядер в очень небольшой степени. Как фронтальная часть конвейера, рассчитанная на обработку четырёх инструкций за такт, так и вся схема внеочередного исполнения команд сохранились в полностью первозданном виде. Однако производительность Ivy Bridge всё-таки стала немного выше, чем у предшественников. Достигнуто это было тремя небольшими шагами. Во-первых, появилась давно назревшая возможность динамического распределения ресурсов внутренних структур данных между потоками, в то время как ранее все очереди и буферы в расчёте на Hyper-Threading делились на два потока жёстко пополам. Во-вторых, был оптимизирован узел исполнения целого и вещественного деления, в результате чего темп выполнения этих операций удвоился. И в-третьих, задача обработки операций пересылки данных между регистрами была снята с исполнительных устройств, а соответствующие команды стали транслироваться в простое разыменование регистров.

С появлением Haswell вычислительная производительность опять немного подросла. И хотя говорить о качественном скачке нет никаких оснований, набор нововведений выглядит отнюдь не ерундовским. В этом процессорном дизайне инженеры глубоко покопались в средней части конвейера, благодаря чему в Haswell возросло количество исполнительных портов (кстати, впервые с 2006 года). Вместо шести их стало восемь, поэтому в теории пропускная способность конвейера Haswell стала на треть больше. Вместе с тем ряд шагов был предпринят к тому, чтобы обеспечить все эти порты работой, то есть улучшить возможности процессора по параллельному исполнению инструкций. С этой целью были оптимизированы алгоритмы предсказания ветвлений и увеличен объём внутренних буферов: в первую очередь — окна внеочередного исполнения команд. Вместе с тем инженеры Intel расширили систему команд, добавив подмножество инструкций AVX2. Главное достояние этого набора — FMA-команды, объединяющие сразу пару операций над числами с плавающей точкой. Благодаря им теоретическая производительность Haswell при операциях над числами с плавающей точкой с одинарной и двойной точностью выросла вдвое. Не обойдённой вниманием осталась и подсистема работы с данными. Расширение внутреннего параллелизма процессора, как и появление новых инструкций, ворочающих большими объёмами данных, потребовали от разработчиков ускорить работу кеш-памяти. Поэтому пропускная способность L1- и L2-кеша в Haswell по сравнению с процессорными дизайнами предыдущих поколений была удвоена.

Впрочем, энтузиасты при выходе новых поколений процессоров хотят видеть не столько обширные списки сделанных изменений, сколько увеличившиеся столбики на диаграммах с производительностью в приложениях. Поэтому наши теоретические выкладки мы дополним и результатами практических тестов. Причём для лучшей иллюстративности в первую очередь мы прибегнем к синтетическому бенчмарку, позволяющему увидеть изменение различных вычлененных из общей картины аспектов быстродействия. Для этой цели отлично подходит популярная тестовая утилита SiSoftware Sandra 2013, пользуясь которой мы сравнили между собой три четырёхъядерных процессора (Sandy Bridge, Ivy Bridge и Haswell), тактовая частота которых была приведена к единому и постоянному значению 3,6 ГГц. Обратите внимание, показатели Haswell приведены на графиках дважды. Один раз — когда в алгоритмах тестирования не используются новые наборы команд, внедрённые в этом процессорном дизайне, и второй раз — с активированными инструкциями AVX2.

Обычный арифметический тест выявляет, что в Haswell произошёл заметный рост производительности целочисленных операций. Увеличение скорости, очевидно, связано с появлением в этой микроархитектуре порта, специально отведённого под дополнительное целочисленное арифметико-логическое устройство. Что же касается скорости стандартных операций с плавающей точкой, то она с выходом новых поколений процессоров не меняется. Это и понятно, ведь ставка нынче делается на внедрение в обиход новых наборов инструкций с более высокой разрядностью.

При оценке мультимедийной производительности на первое место выходит скорость выполнения векторных инструкций. Поэтому здесь преимущество Haswell проявляется особенно сильно при использовании набора AVX2. Если же новые инструкции из рассмотрения исключить, то мы увидим лишь 7-процентное увеличение быстродействия по сравнению с Ivy Bridge. Который, в свою очередь, быстрее Sandy Bridge лишь на 1–2 процента.

Похожим образом дело обстоит и со скоростью работы криптографических алгоритмов. Ввод в строй новых поколений микроархитектур поднимает производительность лишь на единицы процентов. Весомый прирост скорости можно получить только в том случае, если использовать Haswell и его новые команды. Однако не следует обольщаться: извлечение преимущества из AVX2 в реальной жизни требует переписывания программного кода, а это, как известно, — процесс далеко не быстрый.

Не слишком оптимистично выглядит и то, что произошло с латентностью кеш-памяти.

Кеш третьего уровня в Haswell действительно работает с большими задержками, нежели в процессорах прошлого поколения, так как Uncore-часть этого процессора получила асинхронное тактование относительно вычислительных ядер.

Однако увеличение задержек с лихвой компенсируется двукратным ростом полосы пропускания, произошедшим не только в теории, но и на практике.

Но в целом микроархитектура Haswell на фоне Sandy Bridge всё-таки не выглядит заметным продвижением вперёд. Принципиальное преимущество наблюдается лишь при задействовании набора команд AVX2, и наблюдать его пока можно лишь в синтетических тестах, так как реальное программное обеспечение должно ещё пройти по длительному пути оптимизации и адаптации. Если же новые инструкции в рассмотрение не брать, то средний уровень превосходства Haswell над Sandy Bridge составляет порядка 10 процентов. И такой разрыв старичкам Sandy Bridge должно быть вполне по силам преодолеть за счёт разгона. Особенно если учесть тот факт, что частотный потенциал старых процессоров выше, чем у их современных последователей.

⇡#Три поколения Core i5 для оверклокеров

Если пойти в магазин и посмотреть, какие оверклокерские процессоры семейства Core i5 можно приобрести, то выбор сведётся к трём вариантам, относящимся к разным поколениям: Core i5-2550K, Core i5-3570K и Core i5-4670K. Для наглядности сопоставим их характеристики:

Три Core i5 разных поколений выглядят в этой таблице почти как братья-близнецы. Однако более подробное знакомство с каждым из этих трёх процессоров позволяет выявить любопытные нюансы.

Core i5-2550K. Это — одна из самых поздних моделей Sandy Bridge. Она была выпущена спустя год после основного анонса и снята с производства лишь совсем недавно, а потому всё ещё широко представлена в розничной продаже. Но если вы всерьёз задумываетесь о построении системы на базе процессора Core i5-2550K, то считаем своим долгом напомнить ряд важных моментов.

Во-первых, несмотря на то, что в формальных характеристиках рабочие частоты всех старших моделей Core i5 обозначены одинаково: от 3,4 до 3,8 ГГц, в действительности Core i5-2550K в штатном режиме работает при чуть меньшей частоте, нежели процессоры с более поздними версиями микроархитектуры. Дело в том, что технология Turbo Boost в Sandy Bridge не столь агрессивна, как в Ivy Bridge и Haswell, и при полной нагрузке частота превышает номинальную на 100, а не на 200 МГц.

Во-вторых, процессоры Sandy Bridge — и Core i5-2550K в их числе — обладают несколько менее гибким контроллером памяти, нежели Ivy Bridge и Haswell. Оверклокерскую память с частотами до DDR3-2400 он поддерживает, но вот шаг изменения этой частоты составляет 266 МГц. То есть выбор режимов памяти при использовании Core i5-2550K несколько ограничен.

И в-третьих, Core i5-2550K — это единственный из интеловских оверклокерских процессоров, лишённый графического ядра. На самом-то деле ядро на полупроводниковом кристалле есть, но оно жёстко отключено на этапе сборки процессора. Это, кстати, – одна из причин, по которым Core i5-2550K хорошо разгоняется.

Однако главное основание привлекательности Core i5-2550K как объекта для разгона заключается в том, что Sandy Bridge — это последнее из семейств десктопных интеловских CPU средней ценовой категории, где в качестве термоинтерфейса между полупроводниковым кристаллом и процессорной крышкой применяется специальный припой для бесфлюсовой пайки, а не пластичный материал с сомнительной теплопроводностью. Последовавший позднее перевод полупроводникового производства на 22-нм технологию и сопровождающее этот шаг снижение тепловыделения кристаллов Intel посчитала достаточным аргументом для упрощения методики сборки CPU за счёт отказа от пайки. Однако оверклокеры от этого серьёзно пострадали, так как термоинтерфейс между кристаллом процессора и его крышкой неожиданно стал существенным препятствием на пути переноса теплового потока и организации хорошего охлаждения.

Core i5-3570K. Типичный носитель дизайна Ivy Bridge — первого поколения интеловских процессоров, выпускаемых по 22-нм техпроцессу. Использование более совершенного, чем ранее, технологического процесса позволило Intel существенно понизить процессорное тепловыделение и энергопотребление. Системы, построенные на базе Core i5-3570K, заведомо экономичнее, нежели аналогичные конфигурации на Sandy Bridge. Однако это преимущество Intel конвертировать в увеличение тактовых частот не стала. Рабочие частоты старшего из Core i5 третьего поколения, Core i5-3570K, от частот Core i5-2550K почти не отличаются.

Что ещё хуже, несмотря на более низкое номинальное напряжение и тепловыделение в номинальном режиме, разгоняются процессоры поколения Ivy Bridge куда менее охотно, чем их предшественники. Проблема в том, что из-за сопровождающего внедрение более тонкого техпроцесса уменьшения физических размеров кристалла плотность излучаемого им теплового потока возросла. В то же время отвод этого тепла искусственно затруднён совершённой интеловскими технологами диверсией по удалению из под процессорной крышки проверенного годами высокоэффективного термоинтерфейса. Поэтому без применения экстремальных методов охлаждения Ivy Bridge в разгоне столь же высоких частот, как и Sandy Bridge, не достигают.

Так что, если закрыть глаза на незначительные микроархитектурные улучшения и снизившиеся энергетические аппетиты, единственное, чем Core i5-3570K может быть лучше Core i5-2550K в оверклокерской системе, — это более гибким контроллером DDR3 SDRAM, позволяющим выставлять на памяти более высокие, чем ранее, частоты и варьировать их с меньшим шагом.

Core i5-4670K. Новейший процессор на базе микроархитектуры Haswell для новой платформы LGA1150 вновь обладает практически такими же формальными характеристиками, как и предшественники. Иными словами, повышения номинальных тактовых частот в серии Core i5 мы не видели уже очень давно. При этом Core i5-4670K по сравнению с Ivy Bridge удивляет ростом расчётного тепловыделения, случившимся на фоне неизменности полупроводникового техпроцесса.

Но всё вполне объяснимо. Рост тепловыделения обуславливается кардинальными изменениями в конструкции платформы: в LGA1150 существенная часть преобразователя питания перенесена c материнских плат внутрь процессора. C одной стороны, это существенно упростило конструкцию платформы, так как все необходимые для своей работы напряжения процессор теперь формирует самостоятельно. С другой же — дало процессору полный набор средств контроля и управления собственным энергопотреблением.

Что же до разгона, то определённую пользу встроенный контроллер питания приносит и здесь. Он очень точен, и выдаваемые им напряжения практически не искажаются при росте тока или температуры. При выставлении фиксированного напряжения на процессорных ядрах это позволяет забыть об ужасах Loadline Calibration, то есть упрощает подбор параметров в оверклокерских конфигурациях. Однако следует иметь в виду, что при динамическом задании процессорных напряжений в режимах offset и adaptive встроенный контроллер при разгоне сходит с ума и очень рьяно завышает напряжение при росте нагрузки. Поэтому использование таких режимов нежелательно, оно не позволяет раскрывать оверклокерский потенциал Haswell в полной мере.

Впрочем, всё это не столь важно, так как схема финальной сборки десктопных Haswell не изменилась. Между полупроводниковым кристаллом и процессорной крышкой проложена не лучшего качества термопаста, поэтому разгон Core i5-4670K, как и Core i5-3570K, в подавляющем большинстве случаев упирается в неустранимый обычными средствами перегрев процессорного кристалла.

По этой же причине не внушают оптимизма и сделанные в платформе LGA1150 изменения, позволяющие разгонять Core i5-4670K не только множителем, но и частотой базового тактового генератора. Конечно, всё это добавляет определённую гибкость при выборе вариантов, но, к сожалению, приблизить максимально достижимые в разгоне частоты к планке, установленной процессорами Sandy Bridge, без применения экстремальных методов охлаждения не позволяет. Более того, как показывает практика, из-за своего более высокого тепловыделения Haswell разгоняются даже хуже, чем их предшественники поколения Ivy Bridge.