3 D Tri Gate

Procesory Intel Core trzeciej generacji – co wnoszą?
Ivy Bridge, czyli Intel Core 3. generacji
Na kolejny „tick” w technologicznym zegarku Intela trzeba było poczekać dłużej niż zwykle. Tym razem jednak zmiany nie ograniczają się do niższego procesu litograficznego, jak miało to miejsce w ubiegłych latach. Co wnoszą nowe jednostki centralne i jakie to ma znaczenie dla użytkowników PC?

22 nm i tranzystory 3-D Tri-Gate – wyższa wydajność, lepsza efektywność
Procesory Intel Core 3. generacji to pierwsze jednostki centralne wykonane w niższym, 22 nm procesie litograficznym. Tym razem jednak nie tylko po raz kolejny zmniejszył się rozmiar tranzystorów, lecz także ich typ – płaskie (planarne) zostały zastąpione przestrzennymi, z bramkowaniem trójstronnym (3-D Tri-Gate) z tzw. wystającym żebrem (ang. fin). Jakie realne korzyści dają powyższe zmiany?
Tranzystory 3-D - rewolucja nadejdzie wraz z Ivy Bridge! (fot. MaximumPC.com)
Otóż tranzystor to podstawowy element budulcowy każdego współczesnego procesora. Wpływa on zarówno na ilość energii pobieraną przez CPU, jak i na jego wydajność. Generalnie, w dużym uproszczeniu, dąży się do tego, by tranzystor przewodził jak najwięcej prądu gdy jest w stanie aktywnym (przewodzenia), jak najmniej w pasywnym (blokady) i jak najszybciej przełączał się między tymi dwoma stanami.
Inżynierowie zatem dwoją się i troją by poprawić te trzy parametry tranzystorów. Niestety, zmniejszenie procesu litograficznego ma dobre i złe strony. Niższy wymiar pozwala na upakowanie większej liczby tranzystorów na jednostce powierzchni i ograniczenie generowanych przez nie strat energii (upływności) w stanie nieaktywnym, dzięki czemu układ, przynajmniej w teorii, powinien być bardziej energooszczędny.
Ivy Bridge - organizacja chipu
Jednocześnie węższy kanał przewodzenia ma niższą przepustowość i aby przetransportować taki sam ładunek w jednostce czasu trzeba podnieść napięcie. Wraz z pogorszeniem przewodności wydłuża się czas przełączania tranzystora między stanami. W rezultacie mniej taktów zegara może następować po sobie, przez co maksymalna, stabilna częstotliwość pracy procesora najzwyczajniej w świecie jest niższa.
HTC przygotowuje własne układy ARM?
Do czego zmierzam? Otóż przejście z 32-nm do 22-nm procesu litograficznego na tranzystorach planarnych nie przyniosłoby zbyt wielu korzyści. Niezbędne zatem było opracowanie nowych tranzystorów, które zachowałyby swoją przepustowość i szybkość reakcji mimo niższego wymiaru technologicznego. Intel stanął na wysokości zadania i wdrożył na masową skalę tranzystory 3-D Tri-Gate, realizując koncepcję FinFET.
Transistor Gate Delay
Dzięki pionowym, otoczonym z trzech stron bramkami „żebrom” zwiększyła się wydajność prądowa tranzystora w trakcie pracy, zmniejszyła się upływność prądu do podłoża w stanie nieaktywnym, a szybkość przełączania wzrosła, i to znacznie. Przy niskich napięciach 22-nm tranzystory 3-D Tri-Gate są nawet o 37% szybsze niż 32-nm planarne (taka sama prędkość jest osiągana przy napięciu o 0,2 V niższym!).
Poprawiono więc wszystkie kluczowe charakterystyki tranzystorów i jednocześnie zyskano możliwość większego ich upakowania oraz obniżenia napięcia zasilającego. Przełożyło się to na zmniejszenie powierzchni rdzenia z 216 mm² do 160 mm², czyli o ponad 25% i jednoczesne zwiększenie liczby tranzystorów o ponad 20%, z 1,16 mld do 1,4 mld.
Galaxy S III oficjalnie z Exynosem 4 Quad [wideo]
W rezultacie procesory Intel Core 3. generacji mogą pracować z wyższymi częstotliwościami (w przypadku mobilnych CPU faktycznie zegary poszły w górę), pobierać mniej energii (testy dowiodły, iż rzeczywiście są bardziej energooszczędne) i być bardziej rozbudowane (nowy rdzeń graficzny jest dużo większy, a i tak powierzchnia chipu jest mniejsza).
Konfigurowalne TDP, PAIR, LPM i inne, czyli o zarządzaniu energią…
Energooszczędność procesorów Intel Core 3. generacji bierze się nie tylko z zastosowania 22-nm tranzystorów 3-D Tri-Gate, ale i licznych usprawnień. Na przykład, zaimplementowano technologię PAIR (Power Aware Interrupt Routing). W zależności od aktualnych priorytetów (wydajność lub energooszczędność) wybierany jest najlepszy rdzeń do obsługi danego przerwania.
Gdy preferowana jest wysoka wydajność (np. poprzez wybranie stosownego schematu zasilania) ważne przerwania (np. karty dźwiękowej) są obsługiwane przez najmniej zajęty rdzeń, np. będący w stanie uśpienia, co wiąże się ze wzrostem zapotrzebowania na energię. Natomiast gdy kluczowy jest jak najniższy pobór energii, przerwania kierowane są do jednego z aktywnych rdzeni, aby nie wybudzać tych będących w stanie uśpienia (np. C6).
cTDP i LPM
Oczywiście mechanizm PAIR realizowany w całości na poziomie sprzętowym. Innymi funkcjami obsługiwanymi przez procesory Intel Core 3. generacji są konfigurowalne TDP i tryb Low Power Mode. Ten ostatni odpowiada za określenie najniższego, aktywnego stanu energetycznego dla elementu. Konfigurowalne TDP pozwala natomiast, w zależności od potrzeb, na ustalenie różnych poziomów TDP dla chipu.
Narzędzia dodge & burn – jak z nich korzystać? [wideoporadnik]
Ma to duże znaczenie w przypadku komputerów przenośnych. Gdy zapotrzebowanie na moc obliczeniową jest duże, a układ chłodzenia dysponuje rezerwą cieplną, TDP może wzrosnąć powyżej nominalnego (np. z 17 W do 25 W w przypadku chipów ULV), a wraz z nim wydajność. Natomiast gdy priorytetem jest długi czas pracy na akumulatorze, może ono zostać obniżone (np. z 17 W do 14 W), kosztem wydajności.
Procesory Intel Core 3. generacji mają także więcej stref, którym w razie potrzeby można odciąć zasilanie (dodano m.in. jednostki wykonawcze GPU). Wzrosła też liczba poziomów napięć dla poszczególnych stanów energetycznych do kilkunastu z 2-3. Dodano też obsługę niskonapięciowych (1,35 V) modułów DDR3L i wbudowane bramkowanie zasilania (EPG – Embedded Power Gating) dla pamięci, co powinno dodatkowo obniżyć pobór energii.
Zmiany w mikroarchitekturze rdzeni – taki „tick” z elementami „tocka”
Sporo poprawek Intel poczynił także w mikroarchitekturze rdzeni x86. Zmienił się zestaw instrukcji ISA (Instruction Set Architecture), a struktury, takie jak np. kolejki DSB czy bufory mogą być dynamicznie współdzielone przez wątki – nie obowiązuje już statyczny podział, jak to ma miejsce w Sandy Bridge, gdzie część zasobów była nieużywana podczas przetwarzania jednowątkowego.
Optymalizacje przyczyniły się też do dwukrotnego przyspieszenia operacji dzielenia, zarówno liczb stało- jak i zmiennoprzecinkowych. Będąc przy tych ostatnich warto wspomnieć, że zaimplementowano nowe rozkazy przyspieszające proces konwersji 16-bitowych liczb zmiennoprzecinkowych na 32-bitowe pojedynczej precyzji i odwrotnie. Dodano 4 nowe instrukcje związane z lokalną pamięcią wątków, pozwalające na szybki odczyt i zapis do rejestrów FS i GS z poziomu kodu użytkownika.
Poprawiono także szybkość operowania na ciągach danych i wykonywania instrukcji wektorowych AVX. Dorzucono też strukturę, która zajmuje się procesem kopiowania danych między rejestrami procesora, odciążając w ten sposób jednostki wykonawcze, co w skrajnych przypadkach może zaowocować nawet 5% wzrostem wydajności.

Intel Secure Key i OS Guard – wyższy poziom bezpieczeństwa
W procesorach Intel Core 3. generacji wprowadzono także dwie nowe funkcjonalności realizowane sprzętowo. Intel Secure Key to nic innego jak cyfrowy generator liczb losowych (DRNG – Digital Random Number Generator), bardzo użyteczny m.in. w zadaniach związanych z kryptografią. Fakt, iż spełnia on restrykcje instytutu NIST potwierdza, że generowane liczby są wysokiej jakości.
DRNG
Dostęp do DRNG daje instrukcja RDRAND, która jest dostępna bez względu na wszystko i zwraca losową liczbę (16-, 32- lub 64-bitową) do stosownego rejestru. Intel OS Guard to nazwa dla trybu SMEP (Supervisory Mode Execute Prevention), który ma zapobiegać atakom polegającym eskalacji przywilejów.
SMEP
Programy uruchomione przez użytkownika mają stosowną flagę. Tym samym strony pamięci oznaczone jako należące do użytkownika nie mogą zostać wykonane z najwyższymi dostępnymi uprawnieniami, co utrudnia przejęcie kontroli nad systemem przez złośliwe oprogramowanie/atakujących.
Intel HD Graphics 4000 i 2500 – nowe GPU
Jak nietrudno się domyślić trzecia generacja procesorów Intel Core debiutuje wraz z nowymi układami graficznymi. Nowe, zintegrowane GPU obsługują API DirectX 11 i OpenGL 3.1, a także OpenCL 1.1 (GPGPU). W związku z tym jednostki uległy gruntownej przebudowie i zostały poddane licznym optymalizacjom. Poprawiono wydajność geometryczną, dorzucono 2 programowalne etapy cieniowania (Hull Shader oraz Domain Shader).
Doszedł teselator o stałej funkcji i pojawiła się obsługa nowego formatu skompresowanych tekstur (BC6H7). Poprawiono jakość i szybkość filtrowania anizotropowego, a także poprawiono osiągi i zwiększono funkcjonalność jednostek wykonawczych, dodając m.in. obsługę instrukcji UAV i atomowych, operacji barierowych czy równoległości danych. Wzrosła też przepustowość samplerów mediów i szybkość działania kodera multimediów.
Porównanie GPU z Ivy Bridge i Sandy Bridge
Operacje Scatter & Gather są wykonywane nawet 32-krotnie szybciej niż w Sandy Bridge, a do niewielkiej, specyficznej części pamięci L3 IGP może uzyskać dostęp bez potrzeby angażowania magistrali pierścieniowej.
W związku z tym układ HD Graphics 2500, montowany w słabszych procesorach desktopowych, mimo takiej samej liczby jednostek wykonawczych jak w przypadku HD 2000, oferuje ok. 10-20% wyższą wydajność i większą funkcjonalność. Zintegrowany HD Graphics 4000 z 16 jednostkami wykonawczymi jest natomiast średnio o 50-60%, a niekiedy nawet 100% wydajniejszy niż HD Graphics 3000 z 12 EU.
Lepszy IGP mają desktopowe Core i7 oraz chipy z serii „K” oraz wszystkie układy mobilne. W przeciwieństwie do HD Graphicsa 2500 obsługuje sprzętowe przyspieszanie odtwarzania multimediów w rozdzielczościach 4K HD (4096 x 2304) oraz Quad HD (3840 x 2160). Nowe integry potrafią także wyświetlać obraz na 3 ekranach, ale to raczej ciekawostka, gdyż wykorzystanie tej funkcjonalności jest problematyczne.
Intel Wireless Display 3.0
Jako, że obsługiwane są tak naprawdę tylko 2 współdzielone strumienie wideo, nie ma mowy o dowolności w doborze złącz i rozdzielczości. Problemów nie sprawia natomiast technologia Wireless Display 3.0, która teraz korzysta z dwóch anten i strumieni, dzięki czemu możliwa jest transmisja multimediów w 1080p w lepszej jakości i z mniejszymi opóźnieniami niż w przypadku WiDi 2.1 implementowanym w Sandy Bridge.
Wraz z 3. generacją procesorów Intel Core zadebiutowała też technologia Intel Quick Sync 2.0. Nowa wersja pozwala na jeszcze szybszą konwersję multimediów (nawet 2-krotnie), a do tego jakość obrazu w plikach wynikowych jest zauważalnie wyższa. Krótko mówiąc nowe IGP są znacznie lepsze od poprzedników i w zasadzie stawiają pod znakiem zapytania sens inwestowania w dedykowaną kartę graficzną z przedziału do 300 zł.
Inne usprawnienia w procesorach Intel Core 3. generacji
Oczywiście w procesorach Ivy Bridge pojawiły się jeszcze inne udoskonalenia. W chipach przeznaczonych dla overclockerów podniesiono maksymalne mnożniki z 57x do 63x dla procesora i z 57x do 60x dla GPU. Dodano też obsługę profili XMP (Extreme Memory Profile) w najnowszej wersji (1.3), a maksymalna częstotliwość taktowania pamięci RAM wzrosła do 2800 MHz. Pojawił się także nowy krok 200 MHz obok znanego z Sandy Bridge 266 MHz.
DxOMark ocenił 5D Mk III – czy Canon się podłożył?
Zintegrowany, dwukanałowy kontroler pamięci obsługuje w standardzie moduły DDR3 taktowane zegarem 1600 MHz. Doszła też natywna obsługa magistrali PCI-Express 3.0. Optymalizacjom zostały poddane również magistrala pierścieniowa (ang. Ring Bus), zapewniająca komunikację między poszczególnymi składowymi procesora i pamięć podręczna 3. poziomu (L3 cache).
Podsumowanie
Jak widać procesory Intel Core 3. generacji to nie tylko nowy proces litograficzny, ale i szereg usprawnień poczynionych w ramach zaprezentowanej rok temu mikroarchitektury Sandy Bridge. Doszły nowe funkcje, poczyniono wiele usprawnień i dorzucono nowe GPU, wychodząc poza klasyczny „tick”. W rezultacie wzrosła wydajność (do ~15% w przypadku CPU i nawet 100% dla GPU), znacząco spadł pobór energii i została poszerzona funkcjonalność.
Co więcej początkowe, sugerowane ceny detaliczne są niższe niż w przypadku procesorów Sandy Bridge. Tym samym Intel po raz kolejny odskoczył konkurencji, wprowadzając do oferty wydajne i energooszczędne, a na dodatek niezbyt drogie (patrząc na całokształt) chipy.
Zobacz także:
Procesory Intel Core 2. generacji – co wnoszą?
Procesor w laptopie – kiedy można wymienić? Co trzeba wiedzieć?
Podkręcanie karty graficznej i procesora w laptopie – jak to zrobić? Czy to ma sens?
Intel: ponad 75 nowych ultrabooków jeszcze w tym roku!
[...] procesie litograficznym z użyciem tranzystorów 3-D Tri-Gate .http[...]
Ivy Bridge – procesory Intel Core 3. generacji już są!
[...]. generacji po raz pierwszy wykorzystują trójbramkowe tranzystory 3-D Tri-Gate i są wykonane w 22-nm[...]
Asus ROG G75 i G55 - gamingowe nowości na horyzoncie! [wideo]
[...] litograficznym. Jednostki centralne, do których produkcji wykorzystano tranzystory 3-D Tri-Gate , mają[...]
Ivy Bridge i Cedarview opóźnione - Intel nie musi się spieszyć?
[...]. Natomiast Celerony w ogóle nie doczekają się wersji 22 nm z tranzystorami 3-D Tri-Gate .Jaki jest powód całego[...]
Intel Core i7-3612QM – mobilny quad-core z TDP 35 W!
[...]. Jak widać tranzystory 3-D Tri-Gate są krokiem w dobrym kierunku.Pozostałe 2 chipy przeznaczone[...]
Intel wprowadza 22 nm tranzystory 3-D Tri-Gate - czeka nas rewolucja! [wideo]
[...] go w milionach urządzeń. Mówi się, że wprowadzając tranzystor 3-D Tri-Gate, Intel "wynalazł go na nowo". Jakie[.] tranzystory Intel 3-D Tri-Gate są nawet 37% szybsze przy niskim napięciu w porównaniu z obecnymi, 32 nm[.] wczoraj Intel przedstawił pierwsze na świecie 22 nm procesory Intel Core (Ivy Bridge) z tranzystorami 3-D[.] Tri-Gate , pracujące w laptopie, desktopie i serwerze. Zapowiedziano, że nowa generacja CPU trafi[...]
Intel Ivy Bridge i AMD Trinity na wiosnę 2012!
Rozważasz wymianę wysłużonego komputera na nowy? Jeśli sprawa nie jest pilna, warto nieco się wstrzymać. Premiery kolejnych generacji platform procesorowych Intela i AMD zbliżają się wielkimi krokami!
Ivy Bridge - specyfikacje 18 nowych CPU. Porównania zegar w zegar z Sandy Bridge!
[...] tranzystory 3-D Tri-Gate, są następujące: CPU rdzenie/wątki taktowanie cache GPU TDP Core i5[.], że nie wprowadzono nowej mikroarchitektury, a jedynie zastosowano nowe tranzystory 3-D Tri-Gate i zmniejszono[...]
Komputery przenośne – rok 2011 na świecie i łamach Gadżetomanii
[...]Booków Air. Krzemowy gigant pochwalił się także tranzystorami 3-D Tri-Gate , które dały nadzieje na solidny[...]
Nadchodzą ultrabooki - o starej-nowej koncepcji i Asusie UX21 słów kilka [wideo]
[...] W i pracuje nad nowymi jednostkami z tranzystorami 3-D Tri-Gate , przeznaczonymi zarówno dla tego typu[...]
Ivy Bridge i Haswell - czego można się spodziewać po następcach Sandy Bridge?
[...] wykorzystywały tranzystory 3-D Tri-Gate . W porównaniu do tranzystorów planarnych oferują one nawet 37% lepszą[...]