[IDF 2015] Rdzenie, pamięć i zarządzanie energią: Skylake popisuje się na każdym froncie

Nie można nazywać Skylake'a odgrzewanym kotletem po Haswellu iBroadwellu. Zmianom uległy praktycznie wszystkie aspektyarchitektury procesora. Procesor przynosi większy i szerszy rdzeń,pozwalający na wykonanie większej liczby instrukcji na cykl zegara,rozbudowaną magistralę interconnect, obsługę szybszej pamięciDDR, większą przepustowość I/O, ulepszony procesor sygnałowy dladźwięku, jest znacznie bardziej podatny na podkręcanie – i cociekawe, zintegrowany procesor sygnałowy do przetwarzania obrazu.

Na froncie rdzenia Skylake dostajemy wydajniejszy układprzewidywania rozgałęzień, szerszy i głębszy bufor dlainstrukcji, który obsłuży do sześciu µopsów na cykl zegara,szybsze ładowanie z wyprzedzeniem i pogłębione bufory dlawykonywania poza kolejnością, pozwalające na większy paralelizmoperacji. Do tego dochodzą ulepszenia w samych jednostkachwykonawczych: wyłączają się one gdy nie są używane, działająz mniejszymi opóźnieniami – i ma być ich więcej.

Udało się też zwiększyć przepustowość ładowania imagazynowania instrukcji, za sprawą ulepszeń w module ładowania zwyprzedzeniem, powiększeniu buforów, lepszym radzeniem sobie znietrafionymi wywołaniami pamięci i nowymi instrukcjami dozarządzania pamięcią podręczną. Intel zwraca też uwagę nausprawniony mechanizm HyperThreadingu, z ułatwionym wycofywaniemwątków. By to wszystko streścić w jednym zdaniu – dzięki tymoptymalizacjom Skylake jest w stanie przechować i wykonać nawet okilkanaście procent więcej instrukcji na cykl niż Haswell, wniektórych typach operacji jest nawet dwukrotnie efektywniejszy odprocesorów Sandy Bridge.

Pamięć podręczna w Skylake działa podobnie jak w poprzednichgeneracjach, zwiększyła się tylko jej przepustowość, ale wartowspomnieć o nowej roli pamięci eDRAM, wcześniej wykorzystywanejtylko jako pamięć układów graficznych Iris Pro. eDRAM+ stało sięczymś w rodzaju uniwersalnego bufora dla dowolnego typu danych ijest dostępne dla rdzenia, układu graficznego oraz wszystkichkontrolerów I/O – mogą one jednocześnie na niej prowadzić swojeoperacje.

Mimo że proces litograficzny nie uległ zmianie w porównaniu doBroadwella (to wciąż 14 nm), to w Skylake udało się dlaniektórych obciążeń roboczych (szczególnie związanych zmultimediami) obniżyć zużycie energii o nawet 30%. To m.in.zasługa zupełnie nowego mechanizmu Intel Speed Shift, pozwalającegozmieniać procesorom Skylake swoje stany zasilania (P states)znacznie szybciej niż wcześniej. Procesor nie potrzebuje już dotego systemu operacyjnego, wszystko dzieje się sprzętowo. Podczasgdy Broadwell zmieniał stan w ciągu ok. 30 ms, Skylake robi to w 1ms.

Drugie istotne ulepszenie w tej dziedzinie to wprowadzeniedodatkowych domen Speed Step, które pozwalają na bramkowaniezasilania dla System Agenta, kontrolera DDR, interfejsu eDRAM iprocesora sygnałowego kamery. Dzięki temu Skylake jest w stanieefektywniej regulować zużycie energii, kierując ją tylko tam,gdzie jest to niezbędne.

Interesujący dla użytkowników komputerów z Windows 10 możebyć też nowy stan uśpienia Disconnected Standby, zastępującystare S3, z którego można będzie wybudzić urządzenie bardzoszybko, w mniej niż pół sekundy. W przeciwieństwie do ConnectedStandby wprowadzonego w Windows 8, w tle komputer nie sprawdza np.poczty, więc jest to bardziej oszczędny energetycznie tryb.

Z kolei użytkownicy tabletów i urządzeń hybrydowychnapędzanych wersjami SoC procesorów Skylake dostaną coś, co nosinazwę Duty Cycling. Ten mechanizm rozwiązuje problem nierównejpracy procesora w warunkach ograniczonej dostępności energii –dla danego obciążenia roboczego zegar przyspieszany jest jedynie donajbardziej efektywnej częstotliwości.

Warto wreszcie wspomnieć o bezpieczeństwie, które Intel chcezapewnić na poziomie sprzętowym. Tu oferowane są dwa rozwiązania:Intel SGX (Software Guard Extensions), pozwalające tworzyćizolowane enklawy kodu, niemożliwe do zmiany przez malware czyuprzywilejowanych napastników, oraz Intel MPX (Memory ProtectionExtensions, które na poziomie sprzętowym mają chronić przezwyciekami pamięci, przepełnieniami bufora i atakami na stertę.

Dalsze losy miniaturyzacyjnego wyścigu wcale nie są takie pewne – jak zapewne wiecie, cykl tik-tak Intela się popsuł. Zdrugiej strony jego wartość i tak była przeceniona, szczególniedla użytkowników komputerów desktopowych. Posiadacze czipów SandyBridge i Ivy Bridge wcale nie spieszyli się do ich wymiany naHaswelle i Broadwelle – bardziej opłacało się kupić dobry układchłodzenia i je nieco podkręcić, by uzyskać bardzo dobry wzrostwydajności, lepszy od tego, co przynosiły kolejne generacjeprocesorów Core.

Wydaje się to zmieniać z debiutem Skylake. Nie tylkozintegrowana grafika w tej generacji przynosi niemal dwukrotniewiększą moc niż grafika Haswella i niemal dziesięciokrotniewiększą niż grafika w Sandy Bridge (HD 530 może pochwalić sięwynikiem 1,1 TFLOPS), ale też wreszcie Intel zdołał uzyskaćzauważalny wzrost wydajności CPU, w niektórych benchmarkach napoziomie ok. 20% w stosunku do Haswelli. Skylake, z tego co wiadomo,znacznie lepiej się podkręca niż Haswelle i Broadwelle, niektórei7 pracują stabilnie przy 5 GHz. Do tego trzeba pamiętać ozaletach nowego czipsetu, możliwości wykorzystania pamięci DDR4,pamięci masowych NVMe czy przepustowości dla kart graficznychoferowanej przez PCIe 3.0.

Reasumując: procesory Skylake są obecnie najwydajniejszymiukładami dla desktopów i mogą zainteresować przede wszystkim tych, którzy w swoich komputerach korzystali z procesorów Core 2. lub 3. generacji. Jeszcze więcej będą mogły pokazać zaś na laptopach i w urządzeniach przenośnych, będąc najbardziej energooszczędnymi procesorami w tej klasie na rynku. Niewykluczone, że ta sytuacja utrzyma się jeszcze przez najbliższych kilka lat.