Обзор процессора Core i7-5775C: нелюбимый ребёнок

В начале июня компания Intel выпустила на рынок новое, пятое по счёту поколение десктопных процессоров Core, известное под кодовым именем Broadwell. Несмотря на то, что новинки стали первыми CPU для настольных систем, производимыми по 14-нм технологии, событие это не привлекло к себе особого внимания. Intel обошлась без обычных для подобных случаев пышных церемоний и даже сильно ограничила количество предпродажных образцов, распространяемых по пиар-каналам. Тем не менее наша лаборатория смогла провести уже два полноценных тестирования различных вариантов Broadwell в LGA1150-исполнении и потому имеет вполне определённое мнение о причинах такой неожиданной скромности микропроцессорного гиганта.

Как мы показали в обзоре самого быстрого десктопного носителя свежей микроархитектуры, Xeon E3-1285 v4, а также в обзоре младшей модификации в этом семействе, Core i5-5675C, процессоры Broadwell нельзя рассматривать как следующий за Haswell эволюционный шаг в развитии решений для производительных систем традиционных форм-факторов. Да, Broadwell – это, безусловно, шаг, и немалый, но в непривычную для приверженцев десктопов сторону. Основные плюсы новинки кроются в заметно снизившемся тепловыделении и во внедрении беспрецедентно быстрого интегрированного графического ядра Iris Pro 6200. Удельная же вычислительная производительность ядер Broadwell почти не улучшилась, а снизившиеся по сравнению с показателями Haswell тактовые частоты сделали новинки не слишком привлекательными вариантами для обычных настольных платформ. Иными словами, миссия десктопных Broadwell имеет мало общего со следованием интересам энтузиастов-традиционалистов, а потому Intel, чтобы не провоцировать возникновение волны возмущения, решила не заострять внимание на появлении таких процессоров.

То, что десктопные Broadwell не вызывают у сторонников высокопроизводительных настольных систем бурной радости, хорошо видно по эмоциональной окраске комментариев к первым обзорам, общий настрой которых можно кратко выразить тезисом: «Никакого праздника: прогресса нет – остаюсь на Core i7-2600K». Хотя на самом деле переход с Sandy Bridge на Broadwell смысла-то как раз и не лишён, поскольку эти процессоры разделяют между собой три поколения микроархитектуры. И пусть улучшения в каждой итерации были небольшими, но в сумме они способны дать вполне ощутимый прирост.

Собственно, настоящее тестирование, которое по совместительству является также и обзором Core i7-5775C – старшего оверклокерского процессора Broadwell, можно считать нашим ответом на озвученную выше реплику. В рамках этого материала мы решили подробно взглянуть на то, как менялась производительность десктопных интеловских процессоров класса Core i7 в течение последних четырёх с половиной лет – с того самого момента, когда на рынке появились первые Sandy Bridge. До сих пор вопрос, насколько современные Broadwell быстрее своих дальних предков, относящихся к поколениям Sandy Bridge и Ivy Bridge, ускользал от нашего внимания, но сейчас, в рамках знакомства с Core i7-5775C, для ответа на него подвернулся очень подходящий момент.

⇡#От Sandy Bridge до Broadwell: как менялась удельная производительность

Сделать точкой отсчёта в тестировании разных Core i7 представителя поколения Sandy Bridge мы решили не просто так. Именно данный дизайн подвёл крепкий фундамент под всё дальнейшее совершенствование производительных интеловских процессоров вплоть до сегодняшних Broadwell. Так, представители семейства Sandy Bridge стали первыми высокоинтегрированными CPU, в которых в одном полупроводниковом кристалле были собраны и вычислительные, и графическое ядра, а также северный мост с L3-кешем и контроллером памяти. Кроме того, в них впервые стала использоваться внутренняя кольцевая шина, посредством которой была решена задача высокоэффективного взаимодействия всех структурных единиц, составляющих столь сложный процессор. Этим заложенным в микроархитектуре Sandy Bridge универсальным принципам построения продолжают следовать все последующие поколения CPU без каких бы то ни было серьёзных коррективов.

Немалые изменения в Sandy Bridge претерпела и внутренняя микроархитектура вычислительных ядер. В ней не только была реализована поддержка новых наборов команд AES-NI и AVX, но и нашли применение многочисленные крупные улучшения в недрах исполнительного конвейера. Именно в Sandy Bridge был добавлен отдельный кеш нулевого уровня для декодированных инструкций; появился абсолютно новый блок переупорядочивания команд, основанный на использовании физического регистрового файла; были заметно улучшены алгоритмы предсказания ветвлений; а кроме того, два исполнительных порта из трёх для работы с данными стали унифицированными. Такие разнородные реформы, проведённые сразу на всех этапах конвейера, позволили серьёзно увеличить удельную производительность Sandy Bridge, которая по сравнению с показателями процессоров предыдущего поколения (Nehalem) выросла сразу почти на 15 процентов. К этому добавился 15-процентный рост номинальных тактовых частот и отличный разгонный потенциал, и в сумме получилось семейство процессоров, которое Intel до сих пор ставит в пример как образцовое воплощение фазы «так» в принятой компанией концепции разработки.

Микроархитектура Sandy Bridge. Рисунок Дэвида Кантера

И правда, подобных по массовости и действенности улучшений в микроархитектуре после Sandy Bridge мы уже не видели. Все последующие поколения процессорных дизайнов проводят куда менее масштабные усовершенствования в вычислительных ядрах. Возможно, это является отражением отсутствия реальной конкуренции на процессорном рынке, возможно, причина замедления прогресса кроется в желании Intel сосредоточить усилия на совершенствовании графических ядер, а может быть, Sandy Bridge просто оказался настолько удачным проектом, что его дальнейшее развитие требует уж очень больших трудозатрат.

Отлично иллюстрирует произошедший спад интенсивности инноваций переход от Sandy Bridge к Ivy Bridge. Несмотря на то, что следующее за Sandy Bridge поколение процессоров и было переведено на новую производственную технологию с 22-нм нормами, его тактовые частоты совсем не выросли. Сделанные же улучшения в дизайне в основном коснулись ставшего более гибким контроллера памяти и контроллера шины PCI Express, который получил совместимость с третьей версией данного стандарта. Что же касается непосредственно микроархитектуры вычислительных ядер, то отдельные косметические переделки позволили добиться ускорения выполнения операций деления и небольшого увеличения эффективности технологии Hyper-Threading, да и только. В результате рост удельной производительности составил не более 5 процентов.

Вместе с тем внедрение Ivy Bridge принесло и то, о чём теперь горько жалеет миллионная армия оверклокеров. Начиная с процессоров этого поколения Intel отказалась от сопряжения полупроводникового кристалла CPU и закрывающей его крышки посредством бесфлюсовой пайки и перешла на заполнение пространства между ними полимерным термоинтерфейсным материалом с очень сомнительными теплопроводящими свойствами. Это искусственно ухудшило частотный потенциал и сделало процессоры Ivy Bridge, как и всех их последователей, заметно менее разгоняемыми по сравнению с очень бодрыми в этом плане «старичками» Sandy Bridge.

Впрочем, Ivy Bridge – это всего лишь «тик», а потому особых прорывов в этих процессорах никто и не обещал. Пусть так, но никакого воодушевляющего роста производительности не принесло и следующее поколение, Haswell, которое, в отличие от Ivy Bridge, относится уже к фазе «так». И это на самом деле немного странно, поскольку различных улучшений в микроархитектуре Haswell сделано немало, причём они рассредоточены по разным частям исполнительного конвейера, что в сумме вполне могло бы увеличить общий темп исполнения команд.

Например, во входной части конвейера была улучшена результативность предсказания переходов, а очередь декодированных инструкций стала делиться между параллельными потоками, сосуществующими в рамках технологии Hyper-Threading, динамически. Попутно произошло увеличение окна внеочередного исполнения команд, что в сумме должно было поднять долю параллельно выполняемого процессором кода. Непосредственно в исполнительном блоке были добавлены два дополнительных функциональных порта, нацеленных на обработку целочисленных команд, обслуживание ветвлений и сохранение данных. Благодаря этому Haswell стал способен обрабатывать до восьми микроопераций за такт – на треть больше предшественников. Более того, новая микроархитектура удвоила и пропускную способность кеш-памяти первого и второго уровня.

Таким образом, улучшения в микроархитектуре Haswell не затрагивают лишь скорость работы декодера, который, похоже, на данный момент стал самым узким местом в современных процессорах Core. Ведь несмотря на внушительный список улучшений, прирост удельной производительности у Haswell по сравнению с Ivy Bridge составил лишь около 5-10 процентов. Но справедливости ради нужно оговориться, что при векторных операциях ускорение гораздо заметнее. А наибольший выигрыш можно увидеть в приложениях, использующих новые AVX2- и FMA-команды, поддержка которых также появилась в этой микроархитектуре.

Микроархитектура Haswell. Рисунок Дэвида Кантера

Процессоры Haswell, как и Ivy Bridge, сперва тоже не особенно понравились энтузиастам — особенно с учётом того факта, что в первоначальной версии никакого увеличения тактовых частот они не предложили. Однако спустя год после своего дебюта Haswell стали казаться заметно привлекательнее. Во-первых, увеличилось количество приложений, обращающихся к наиболее сильным сторонам этой архитектуры и использующих векторные инструкции. Во-вторых, Intel смогла исправить ситуацию с частотами. Более поздние модификации Haswell, получившие собственное кодовое наименование Devil’s Canyon, смогли нарастить преимущество перед предшественниками благодаря произошедшему увеличению тактовой частоты, которая наконец пробила 4-гигагерцевый потолок. Кроме того, идя на поводу у оверклокеров, Intel улучшила полимерный термоинтерфейс под процессорной крышкой, что сделало Devil’s Canyon более подходящими объектами для разгона. Конечно, не такими податливыми, как Sandy Bridge, но тем не менее.

И вот с таким багажом Intel подошла к Broadwell. Поскольку основной ключевой особенностью этих процессоров должна была стать новая технология производства с 14-нм нормами, никаких значительных нововведений в их микроархитектуре не планировалось – это должен был быть почти самый банальный «тик». Всё необходимое для успеха новинок вполне мог бы обеспечить один только тонкий техпроцесс с FinFET-транзисторами второго поколения, в теории позволяющий уменьшить энергопотребление и поднять частоты. Однако практическое внедрение новой технологии обернулось проблемами, в результате которых Broadwell досталась лишь экономичность, но не высокие частоты. Поэтому те процессоры этого поколения, которые Intel представила для настольных систем, оказались больше похожи на мобильные CPU, чем на продолжателей дела Devil’s Canyon. Тем более что отличаются они от предшественников не только урезанными тепловыми пакетами и откатившимися частотами, но и уменьшившимся в объёме L3-кешем, что, правда, несколько компенсируется появлением расположенного на отдельном кристалле кеша четвёртого уровня.

На одинаковой с Haswell частоте процессоры Broadwell демонстрируют примерно 3-процентное преимущество, обеспечиваемое как добавлением дополнительного уровня кеширования данных, так и очередным улучшением алгоритма предсказания ветвлений вместе с увеличением основных внутренних буферов. Кроме того, в Broadwell реализованы новые и более быстрые схемы выполнения инструкций умножения и деления. Однако все эти небольшие улучшения перечёркиваются произошедшим фиаско с тактовыми частотами, относящими нас в эпоху до Sandy Bridge. Так, например, старший оверклокерский Core i7-5775C поколения Broadwell уступает по частоте Core i7-4790K целых 700 МГц. Понятно, что ожидать какого-то роста производительности на этом фоне бессмысленно, лишь бы обошлось без её серьёзного спада.

Но пока мы говорим лишь о микроархитектурах и хотим проиллюстрировать всё сказанное результатами нескольких тестов, которые показывают, как менялась удельная производительность процессоров (демонстрируемая ими при условии постоянства тактовой частоты) с внедрением новых поколений микроархитектур. Следующие графики сопоставляют быстродействие четырёхъядерных Sandy Bridge, Ivy Bridge, Haswell и Broadwell при их работе на одной и той же фиксированной частоте 4,0 ГГц. Для удобства восприятия результаты нормированы, за 100 процентов принята производительность Sandy Bridge.

Приведённые графики прямо указывают на то, что с момента выхода процессоров Sandy Bridge самый заметный прирост в удельном быстродействии смогли обеспечить процессоры Haswell, что вполне закономерно, если вспомнить об их принадлежности к фазе разработки «так». Причём наибольшее улучшение производительности наблюдается в самых ресурсоёмких приложениях, которые активно задействуют векторные инструкции. Что же касается процессоров с новой микроархитектурой Broadwell, то их преимущество перед Haswell почти во всех тестах незначительно, за одним исключением – в WinRAR выигрыш доходит до 10 процентов, что объясняется гиперчувствительностью любого архиватора к скорости работы подсистемы памяти.

Однако гораздо интереснее то, что путём последовательных итераций Intel за последние четыре года смогла ощутимо продвинуть удельную производительность собственной микроархитектуры. Обратите внимание, сегодняшние Broadwell на одинаковой частоте быстрее Sandy Bridge на 20-25 процентов, и это довольно-таки весомый аргумент в пользу модернизации старых LGA1155-систем.

К сказанному остаётся только добавить, что, говоря о развитии микроархитектур, мы не стали затрагивать графические ядра, хотя прогресс на этом уровне заметен гораздо сильнее. Всё-таки интегрированная графика привлекает энтузиастов очень редко, но если вы интересуетесь особенностями и производительностью появившегося в Broadwell графического ядра Iris Pro 6200, то можете обратиться к нашим прошлым материалам – обзорам Xeon E3-1285 v4 и Core i5-5675C.

⇡#Подробнее о Core i7-5775C

В одной из первых статей о Broadwell для десктопных компьютеров мы уже говорили о том, что для Intel этот дизайн стал фактически нелюбимым ребёнком. Дело в том, что микроархитектура Broadwell не должна была приходить в традиционные десктопные системы со сменяемым процессором вообще. Изначальный замысел предполагал выпуск Broadwell лишь в BGA-виде, удобном для производителей мобильных и компактных систем, но не предназначенном для настольных компьютеров традиционных форм-факторов. Однако давление сообщества энтузиастов вынудило Intel скорректировать первоначальный план и на скорую руку спроектировать устанавливаемые в разъём LGA1150 модели, которые в результате всех этих пертурбаций появились значительно позже мобильных собратьев и получили несколько своеобразные характеристики. К тому же на ход разработки наслоились и проблемы с внедрением технологического процесса с 14-нм нормами, и это привело к тому, что десктопные Broadwell пришли на рынок слишком поздно. Поэтому, несмотря на то, что эти процессоры только-только начали поступать на прилавки магазинов, самыми прогрессивными интеловскими предложениями им предстоит быть очень недолго: примерно через пять недель нас уже ждёт встреча со следующим поколением микроархитектуры Core – Skylake.

Иными словами, не следует принимать все странности Broadwell для настольных систем слишком близко к сердцу: стратегия Intel в их отношении была очень простой – либо так, либо никак. Конечно, никаких катастрофических ухудшений в рассматриваемом процессорном дизайне нет. Core i7-5775C, как и положено флагманской модели, является полноценным четырёхъядерником, поддерживающим технологию Hyper-Threading. Однако эта модификация, как и большинство других Broadwell для LGA1150, вписана в рамки 65-ваттного теплового пакета. Поэтому нет ничего удивительного в том, что её максимальная частота, достижимая при активации турборежима, составляет всего 3,7 ГГц, что значительно ниже 4,4 ГГц – максимальной частоты предшественника поколения Haswell, Core i7-4790K. Преимущества же Broadwell, отчасти оправдывающие получение им модельного номера из пятитысячной серии, заключаются в более мощном интегрированном графическом ядре Iris Pro 6200. Этот графический акселератор класса GT3e не только имеет 48 исполнительных устройств, но и добавляет к процессору дополнительный 128-мегабайтный чип eDRAM с кодовым именем Crystalwell. Занимая промежуточное место между процессорным L3-кешем и системной памятью, Crystalwell играет роль кеша четвёртого уровня и ускоряет доступ к данным не только графическому ядру, но и обычным вычислительным ядрам.

Как видно по приведённому скриншоту диагностической утилиты CPU-Z, номинальная тактовая частота процессора Core i7-5775C установлена на отметке 3,3 ГГц, однако благодаря технологии Turbo Core при нагрузке на все ядра он способен работать и при 3,6 ГГц. Правда, мобильные корни этого процессора прослеживаются и тут: особо тяжёлые приложения выводят его за рамки теплового пакета — и в этих случаях частота откатывается до номинала. Кстати, напряжение питания новинки нельзя назвать низким. Например, наш экземпляр Core i7-5775C требовал напряжения порядка 1,2 В, которое даже выше напряжений, характерных для 22-нм предшественников Broadwell.

Кеш-память третьего уровня у Core i7-5775C урезана до 6 Мбайт. Раньше таким объёмом L3-кеша снабжались процессоры Core i5, но, поскольку новинка обладает дополнительным L4-кешем, производитель решил сэкономить транзисторный бюджет. Однако кристалл Crystalwell, выступающий этим добавочным уровнем кеширования, предлагает несколько худшую по сравнению с L3-кешем производительность: он функционирует на собственной частоте 1800 МГц, а шина, которой он связан с процессорным ядром, имеет ширину 256 бит.

Core i7-5775C без процессорной крышки. Чип Crystalwell – снизу

Остальные паспортные характеристики Core i7-5775C в сравнении с показателями старшего процессора поколения Haswell, Core i7-4790K, приведены в таблице.

Весьма неприятным сюрпризом в Core i7-5775C оказалось и то, что стоит он примерно на 8 процентов дороже, чем Core i7-4790K. Кроме того, новинка совместима лишь с LGA1150-материнскими платами, основанными на чипсетах Intel Z97 и H97. Платы, базирующиеся на наборах логики восьмидесятой серии, с процессорами поколения Broadwell работать не могут.

⇡#Разгон

Забавно, но, несмотря на то, что Core i7-5775C – энергоэффективный процессор с тепловым пакетом, ограниченным величиной 65 Вт, Intel не стала лишать его оверклокерских возможностей. Собственно, именно поэтому к модельному номеру оказалась прилеплена буква C – она образована по формуле C = K (оверклокерский) + S (TDP = 65 Вт).

К сожалению, низкие номинальные частоты десктопным Broadwell даны не просто так. Частотный потенциал этих процессоров по сравнению с Haswell действительно сильно ухудшился, и ни о каких возможностях серьёзного разгона говорить не приходится. В частности, в наших экспериментах мы смогли добиться устойчивой работы тестового процессора лишь на частоте 4,1 ГГц при использовании для его охлаждения производительного кулера Noctua NH-U14S. При этом обеспечение стабильности процессора при нагрузке потребовало повышения напряжения питания CPU до 1,35 В.

По правде говоря, изначально тестовый Core i7-5775C мог работать и на частоте 4,2 ГГц при том же напряжении, однако начавшаяся летняя жара и рост температуры в помещении тестовой лаборатории заставили откатиться в разгоне на 100 МГц назад. Максимальная температура вычислительных процессорных ядер после этого установилась на отметке 88 градусов, что не оставляло никакого пространства для дальнейшего увеличения напряжения питания. Напомним, максимально допустимая температура для LGA1150-представителей семейства Broadwell составляет 96 градусов, а затем включается троттлинг.

Получается, что, хотя Core i7-5775C формально и относится к числу процессоров, предназначенных для разгона, его возможности по покорению высоких частот сильно ограничены. Например, нам удалось поднять частоту полученного на тесты экземпляра лишь на 17 процентов выше номинала. Виноваты в этом, очевидно, плохо обкатанная 14-нм технология производства, сам дизайн Broadwell, явно оптимизированный под мобильные устройства, и — уже традиционно — низкое качество термоинтерфейсного материала, проложенного под процессорной крышкой.

Кроме того, нельзя не упомянуть и о том, что энергоэффективная сущность Core i7-5775C несколько препятствует его работе на повышенных частотах. У этого CPU есть защита от перегрузки по току, которая срабатывает при разгоне и при высокой нагрузке возвращает частоты к номинальным значениям. Как с этим бороться, мы подробно рассказывали в обзоре Core i5-5675C, и описанные там опции Power Current Slope и Power Current Offset нуждаются в активации и при экспериментах с Core i7-5775C.