Intel oficjalnie wprowadza dziś na rynek nowe procesory z serii Ivy Bride. Układy są odświeżoną i przeniesioną do nowego 22-nanometrowego (nm) procesu technologicznego wersją dotychczasowych 32nm procesorów z serii Sandy Bridge, takich jak np. Core i7 2600K czy Core i5 2500K. Oprócz tego procesory zostały wyposażone w nowy rdzeń graficzny, bardziej wydajny od poprzedniego i obsługujący DirectX 11. W niniejszej recenzji dogłębnie przetestowaliśmy flagowy model Ivy Bridge - Core i7 3770K, sprawdziliśmy jego wydajność, nowy zintegrowany układ graficzny Intel HD4000, podatność na overclocking i pobór mocy. Zapraszamy!
Nowa technologia produkcji i nowe tranzystory
Rozwój technologiczny w branży komputerowej cechuje pewna regularność, a jednym z najbardziej systematycznych pod tym względem producentów jest Intel wraz ze swoją strategią Tick-Tock (Tik-Tak). Debiutujące dziś procesory z serii Ivy Bridge to kolejny etap tej strategii. Przypomnijmy - jej podstawowym założeniem jest oddzielenie etapu wprowadzania nowej architektury procesorów, od rozpoczęcia produkcji układów w nowym procesie technologicznym. W latach, na które przypada faza Tick Intel wprowadza nowy proces technologiczny, natomiast w kolejnym roku w fazie Tock wprowadzana jest nowa architektura. Oddzielenie od siebie tych dwóch wymagających modyfikacji pozwala zmniejszyć koszt i czas opracowywania układów, a tym samym przyśpieszyć ich pojawienie się na rynku.
Sandy Bridge po lewej, Ivy Bridge po prawej (kliknij, aby powiększyć)
Ivy Bridge to jednak coś więcej niż tylko Sandy Bridge wykonany w nowej, 22-nanometrowej technologii produkcji. W nowych układach wprowadzono zmiany, które wykraczają poza standardowe przeniesienie dotychczasowej architektury do nowego procesu technologicznego. Ponadto procesory wyposażono w nowy rdzń graficzny, który obsługuje biblioteki DirectX 11 i ma oferować znacznie wyższą wydajność grafiki trójwymiarowej niż IGP procesorów Sandy Bridge. Wszystkim tym zajmiemy się w niniejszym artykule.
Uwaga. Osobom nieco mniej interesującym się procesorami proponujemy również lekturę naszej recenzji procesorów Sandy Bridge, z których debiutujące dziś Ivy Bridge bezpośrednio się wywodzą. Wiele cech wspólnych obu generacji procesorów sprawa, że w niniejszej recenzji skupimy się tylko na nowościach, natomiast w celu zasięgnięcia informacji dotyczących zarówno Sandy Bridge jak i Ivy Bridge odsyłamy do ubiegłorocznej recenzji.
A więc, zaczynamy! Rdzeń krzemowy procesorów Ivy Bridge składa się z 1,4 miliarda tranzystorów i ma powierzchnię 160 mm2, czyli mniejszą niż powierzchnia monety o nominale 1 grosz. W porównaniu do Sandy Bridge, powierzchnia zmniejszyła się z 216 mm2, czyli o 26%, a jednocześnie liczba tranzystorów wzrosła o 20,5% (z 1,16 miliarda). To oczywiście efekt zastosowania nowego procesu technologicznego. Budowę układów przedstawia poniższy schemat:
(kliknij, aby powiększyć)
W porównaniu do Sandy Bridge tutaj niewiele się zmieniło: nowe procesory podobnie do poprzedników składają się z trzech głównych części. Po prawej widzimy tzw. agenta systemowego, czyli jednostkę zawierającą min. zintegrowany mostek północny, kontroler pamięci oraz kontrolery magistral PCI-Express, DMI i wejść/wyjść. Po środku umieszczono cztery rdzenie x86 wraz z współdzieloną pamięcią podręczną trzeciego poziomu. Po lewej identycznie jak w Sandy Bridge znajduje się zintegrowany układ graficzny. Wszystkie te moduły są połączone ze sobą za pomocą specjalnej magistrali pierścieniowej (Ring Bus) umieszczonej w pamięci podręcznej trzeciego poziomu. Również schemat zasilania procesora pozostał nie zmieniony - wskutek podobnej budowy Ivy Bridge tak samo jak Sandy Bridge wymagają odrębnego napięcia zasilającego dla trzech głównych części swojej struktury krzemowej. Tutaj nic się nie zmienia, dzięki temu nowe procesory są kompatybilne z dotychczasową podstawką Socket LGA 1155.
Osoby, które z uwagą czytały nasz ubiegłoroczny test Sandy Bridge zapewne zauważą, że układ graficzny z Ivy Bridge znacznie „urósł”. W porównaniu do poprzedniej generacji procesorów nowy IGP został znacznie rozbudowany oraz zmodyfikowany, i to właśnie on w głównej mierze odpowiada za tak wyraźny przyrost liczby tranzystorów w Ivy Bridge. Pewna część z puli dodatkowych tranzystorów trafiła także do rdzeni x86, które również zostały usprawnione. Nim jednak do tego przejdziemy skupmy się nad meritum - czyli nowym 22-nanometrowym procesem technologicznym.
Każde zmniejszenie procesu technologicznego pociąga za sobą zredukowanie rozmiaru pojedynczego tranzystora. To właśnie dzięki temu ten sam układ, ale wykonany w nowym procesie produkcyjnym zajmuje mniejszą powierzchnię, i w związku z tym może potencjalnie pobierać mniejsze ilości energii elektrycznej. W przypadku najnowszego 22-nanometrowego procesu technologicznego Intela zmniejsza się nie tylko rozmiar tranzystora, ale również i jego konstrukcja. Dotychczas stosowane tranzystory z płaską bramką zostały zastąpione przez tranzystory z bramką trójstronną, nazywane w skrócie Tri-Gate. O tym jednak nieco dalej, najpierw kilka słów wstępu.
Tranzystory używane do budowy procesorów mają zasadniczy wpływ na jego podstawowe cechy takie jak np. pobór energii i możliwe do osiągnięcia częstotliwości taktowania. Ogólnie rzecz biorąc, tranzystor w procesorze ma przewodzić jak najwięcej prądu w stanie włączonym (przewodzenia), jak najmniej w stanie wyłączonym (blokady), i przełączać się pomiędzy tymi stanami możliwie jak najszybciej. W dużym uproszczeniu - im mniejsza jest ilość prądu przewodzona przez tranzystor w stanie wyłączonym , tym mniejsze są tzw. upływy (lub inaczej straty), co przekłada się na spadek poboru energii przez procesor. Im większa jest ilość prądu przewodzona przez tranzystor w stanie włączonym, tym niższe napięcie wystarczy do przeniesienia tego samego ładunku, co w konsekwencji pozwala obniżyć napięcie zasilające procesor. Czas przełączania się tranzystorów pomiędzy stanami pracy determinuje natomiast możliwe do osiągnięcia przez cały procesor częstotliwości taktowania - im czas ten jest krótszy, tym kolejne takty zegara procesora mogą następować po sobie w krótszych odstępach czasu, co zwiększa możliwą do osiągnięcia częstotliwość taktowania. Oczywiście wszystkie te parametry, to system naczyń połączonych - czyli zmiana jednego z nich wpływa na pozostałe. I tak na przykład, poprawa przewodzenia w stanie aktywnym skraca czas przełączania.
Inżynierowie pracujący nad rozwojem kolejnych procesów technologicznych starają się, aby za każdym przejściem na nowy proces technologiczny te trzy podstawowe parametry tranzystorów poprawiały się. Niestety tutaj natrafiają na poważne bariery naturalnej przyczyny. Przykładowo - każde zmniejszenie rozmiaru tranzystorów pociąga za sobą również zmniejszenie szerokości kanału, która ma bezpośredni wpływ na ilość prądu jaka może być przewodzona, gdy tranzystor jest włączony. Z tego powodu w kolejnych procesach technologicznych co jakiś czas, oprócz samego zmniejszenia rozmiaru tranzystorów wprowadzane są również inne zmiany, mające obejść te naturalne przeszkody utrudniające poprawę parametrów tranzystorów wraz z nich zmniejszeniem.
W najnowszej, debiutującej wraz z Ivy Bridge technologii Tri-gate kanał tranzystorów jest umieszczony nie poziomo jak dotychczas, ale pionowo. Dzięki temu jest on otoczony przez bramkę z trzech stron, co pozwala na znacznie lepszą kontrolę przepływu prądu. Takie rozwiązanie pozwala na zwiększenie przepływu prądu w stanie przewodzenia, spadek przewodzenia w stanie wyłączonym, a także poprawę czasu przełączania. Według Intela nowe tranzystory oferują do 37% wyższą wydajność pracy lub przy tej samej wydajności mogą pobierać 50% energii. To oczywiście założenie optymistyczne. A jak jest w rzeczywistości? Dzięki lepszej kontroli przepływu prądu uzyskano wyraźną poprawę czasu przełączania tranzystorów. W przypadku napięcia o wartości 1V nowe tranzystory mogą przełączać się o 18% szybciej niż stare, albo tak samo szybko przy napięciu niższym o 0,2 V. Tri-gate zmniejsza także upływy prądu gdy tranzystor jest wyłączony. Niestety korzyści z tego rozwiązania najprawdopodobniej maleją wraz ze wzrostem napięcia zasilającego procesor.
(kliknij, aby powiększyć)
Na temat nowych tranzystorów w ciekawy sposób opowiada nam również Mark Bohr z Intela.
Tri-gate to oczywiście nie pierwsze zmiany towarzyszące zmniejszaniu rozmiaru tranzystora, ale nigdy jeszcze nie dotyczyły one jego samego tak bardzo jak najnowsza technologia. Dla porównania wraz z wprowadzeniem 90-nanometrowego procesu technologicznego inżynierowie Intela zastosowali tzw. "rozciągnięty krzem". Dzięki dodaniu do krzemu domieszki germanu (SiGe) uzyskano zwiększenie wymiarów siatki krystalicznej, co spowodowało poprawę szybkości przepływu elektronów przez tranzystory i umożliwiło skrócenie czasu ich przełączania. Następnie w technologii 45-nanometrowej pojawiły się nieco lepiej znane - wysoka stała dielektryczna i metalowa bramka tranzystora (High-K, metal gate), co zmniejszyło upływy prądu. Firma AMD również stosuje podobne rozwiązania, a dodatkowo także technologię SOI (Silicon on Insulator), czyli specjalną warstwę izolującą zmniejszającą upływy prądu z tranzystorów.
Intel chwali tranzystory Tri-Gate, mówiąc nawet, że wymyślił tranzystor na nowo. Trochę jest w tym przesady, ponieważ Tri-Gate tak naprawdę opiera się na zaprezentowanej ponad 10 lat temu przez IBM i AMD koncepcji tranzystora FINFET, czyli tranzystora z kilkoma pionowymi kanałami, jako najefektywniejszego sposobu sterowania przepływem prądu. Tri-Gate nie jest aż tak efektywne, ale Intelowi należy oddać co jego, czyli jakże trudną, fizyczną realizację części tej koncepcji w nano-skali, czego nikt inny dotychczas nie potrafił. Teraz dodanie kolejnych pionowych kanałów, a co za tym idzie zrealizowanie pełni koncepcji FINFET może być tylko kwestią czasu. Zwłaszcza, że najprawdopodobniej będzie to konieczne w celu zyskania odpowiednio dużego natężenia prądu przepływającego przez tranzystor, wraz z jego dalszym zmniejszaniem.
Co jeszcze zmieniono w Ivy Bridge, oprócz budowy tranzystorów? O tym dalej.
poprzednia strona (Nowa technologia produkcji i nowe tranzystory) - 
