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在2011年剛開始,Intel便推出共29款新一代Core i系列處理器的筆記型、桌上型處理器。這些處理器採用新的Sandy Bridge微架構設計,是Nehalem架構之後的重大改變,其中最值得注目的就是確實完成核心顯示的技術,並且利用縮短核心路徑的架構,以及新指令集與技術的強化,在製程與功耗均沒有太大的變化下,將處理器的運算效能提升。

從處理器發展的角度來看,目前x86個人電腦處理器的趨勢就是將中央處理器(CPU)與繪圖處理器(GPU)整合在一個晶片中,現在AMD與Intel所新推出的產品,作法皆是如此。這樣的好處在於,將繪圖核心與運算核心整合,讓兩者可直接在同一個晶片內執行,縮短資料處理路徑,並可減少整體耗電。

Intel從2010推出Nehalem架構的第一代Core i系列個人電腦處理器後,在Westmere系列開始將處理器與繪圖晶片封裝在一起。今年初,Intel正式開始推出第2代處理器,首先推出的是中高階產品,並且正式將處理器與繪圖處理器真的整合在同一個晶粒(Die)上。而AMD新的Fusion處理器同樣是整合CPU與GPU,在年初也開始出貨,差異是先推出低階的產品系列,而主流處理器要到年中才會上市,推出時程較晚。

從目前得到的資料來看,Sandy Bridge先用於PC與筆電產品,之後再翻新伺服器平臺,以代替現有的Nehalem架構,預計今年上半年內將推出入門級單插槽伺服器使用的Sandy Bridge-H2處理器,之後再推出2路伺服器使用的Sandy Bridge-EP處理器,而4路以上高階伺服器可能要到明年才會推出。

不過,這次Intel新系列產品的推出並不順利,但大規模的應變動作,也顯示Intel相當重視這次的問題,因為Sandy Brige確實是Intel處理器發展進程上的一項重要改變,處理器內部架構的翻新,繪圖效能較以往能大幅提昇,不同於以往的繪圖效能僅止於堪用層級,並達到整體運算效能的提升。接下來就讓我們來了解這次Intel處理器的新技術特色。

提升繪圖處理效能及整體效能

Intel推出的Sandy Bridge是新一代微架構產品,從上一代Nehalem架構開始,Intel將新產品的命名為Core i系列處理器,而這一代產品同樣沿用此系列命名,因此,多數人習慣以第2代Core i系列來稱呼這次新推出的處理器。

在Intel的產品規畫藍圖中,這次Sandy Bridge的推出,微架構的改變是這次的重點,而製程與上一代Westmere一樣,同樣採用32奈米製程,之後,Intel將計畫更新至22奈米製程的Ivy Bridge。在這次新一代的Sandy Bridge處理器中,最重要的改變就是加強了繪圖效能,同時採用新一代Turbo Boost、支援AVX向量指令集。

在Sandy Bridge微架構中,最令人感到進步之處在於系統顯示運算能力方面的改進。主要是因為這一代內建的繪圖處理器核心不再是一顆獨立的晶片,而是與CPU完全整合。過去Westmere處理器雖然已經將兩者封裝在同一晶片中,兩者仍是在不同的晶粒(Die)上,現在Sandy Bridge的新架構,卻是將GPU和CPU實作在同一個晶粒(Die)上。

因此,Sandy Bridge處理器已經將記憶體控制器、處理器、繪圖晶片封裝在同一晶片中,並且應用環形的連結架構(Ring Architecture)的設計方式,不僅利於處理器直接控制記憶體存取,圖形資料處理也可以去存取整顆處理器的共享L3快取記憶體,讓運算處理與資料交換能夠有效率而快速,達到有效的協調與運算,以及更佳的能耗管理。同時,由於Sandy Bridge採用更小的封裝尺寸,筆電設計上應能做到更輕薄。

核心顯示技術提升繪圖運算效能

在圖形顯示能力方面,Sandy Bridge搭載全新的繪圖核心,較前一代的Intel HD Graphics有很大的提升,目前內建GPU的型號有兩款,一款為Intel HD Graphics 2000(以下簡稱為HD 2000)、另一款則為HD Graphics 3000(HD 3000)。相較於更早期的Intel GMA繪圖技術而言,已從整合在系統晶片組中的內建顯示技術,逐步轉移到處理器中。

針對桌上型電腦的Sandy Bridge處理器,大部分處理器以內建Intel HD 2000為主,只有不鎖倍頻的Core i7 2600K和Core i5 2500K才支援HD 3000的GPU,可以從型號上可以做到基本的識別。而筆電版本中,第2代 Core i3/i5/i7都是搭載HD 3000。

新款處理器的繪圖能力在時脈上有很大的提升,舉例來說,過去Core i5-661繪圖標準時脈為900MHz,而新款Core i5-2500的標準時脈雖然是850MHz,但支援Turbo Boost2.0技術後,最高可以達1.1GHz,因此在效能上預期會有更佳的表現。

增加多項顯示技術,但尚未支援DirectX 11

對於多媒體顯示能力方面,Intel也加入許多新的技術,像是Intel InTru 3D、Intel Clear Video HD,可支援1080p高畫質的3D藍光影片播放,並獲得更佳的圖像品質。而筆電平臺上另有新的Intel Wireless Display無線顯示技術,能以Wi-Fi網路將螢幕畫面直接傳送到有無線接受器的顯示器,即可做到透過無線網路連接方式在HDTV上播放1080p的高畫質影片。

提到多媒體內容顯示能力,還有一點要注意到的就是,目前微軟最新的DirectX版本為11,具有更佳的圖像顯示品質,3D動畫將更順暢,不過,現在HD 2000和HD 3000都只支援DirectX 10.1,預計下一代的Intel Ivy Bridge平臺才會支援DirectX 11,因此,要支援DX 11仍須搭配高階顯示卡。相信這一點也是未來關心的議題,當處理器內建的核心顯示能夠支援DirectX 11時,對於顯示晶片大廠是否會有更多的衝擊。

加強多媒體轉檔能力

而在繪圖核心加速運算方面,Intel新增了Quick Sync Video技術,提升使用者影音轉換上的效率,以簡化影片編輯與分享。主要是利用GPU協助CPU來加速影片轉檔處理,提供更快的H.264與MPEG2編/解碼能力。值得注意的是,這個功能也需要軟硬體同時支援才行,因此,採用獨立顯卡時,便無法利用此技術,這點是比較不便的地方。而軟體方面,目前支援此技術的有訊連的CyberLink MediaEspresso 6.5版、Arcsoft的MediaConverter 第7版等,未來將有更多地軟體支援此技術。

綜合來說,新一代處理器內建的核心顯示技術,有效提升繪圖運算的效能,像是低階商用筆電和商用桌上型電腦,大多數皆不會搭配獨立顯示卡,而內建繪圖效能的提升,對整體效能來說的確是有幫助,且對於整體耗電量與成本的負擔不大。若是未來處理器價格降到一個層次時,進而也可能導致入門級繪圖顯示卡的重要性漸漸降低。但是,對於某些類型產品來看,Intel處理器內建核心顯示效能的提升,是否真的具有實質的幫助呢?

以高階產品的角度來看,由於新的內建核心顯示能力仍比不上高階顯示卡,因此,高階的筆電與桌上型電腦仍會搭配高階的獨立顯示卡,像是今年首批搭載i7-2630QM的筆電產品,定位上多屬於高階產品,以大尺寸螢幕與搭配高階顯示卡為訴求。

還有值得注意的是筆電平臺部分,從我們過去的經驗上來看,上一代Core i系列筆電所推出的產品規格中,主流產品搭配獨立顯示卡的機種比例明顯增加,今年在內建繪圖能力增強的情況下,未來各筆電廠商是否會減少低階顯卡的使用,而採用內建顯示技術,或是以搭配較為高階的獨立顯示卡,是值得後續追蹤的議題。

推出第2代Turbo Boost自動超頻

在Nehelem微架構中,Intel加入了Turbo Boost技術,能依CPU的負載情況,以自動調配處理器計算資源這樣的方式,自動提高執行核心的時脈,進而超過標準規定的核心時脈,以提升處理器工作效率,同時,這個功能還具有省電的效益。AMD也有類似的技術Turbo Core,不過在自動超頻方式上有所不同,AMD的所有核心都超頻,不過技術有所些許不同,AMD Turbo Core無法利用多核心的優勢讓所有核心都超頻,因為它是將其中3個核心頻率降低,再將另外3個核心頻率提高。

在Intel第2代Core i系列處理器中,搭配的是新一代的Turbo Boost (2.0),這次範圍擴及GPU繪圖架構資源,藉以提高效能,進而在有需要時,獲得更佳的效能。不過,同樣只有Core i5、Core i7具有此功能,Core i3未內建這項功能。

Turbo Boost 2.0最大的特色在於,GPU也能夠利用此技術,使得HD 2000與HD 3000不只是固定時脈,而是能動態超頻,可隨著負載提升將時脈拉高。以桌機版本Sandy Bridge產品為例,新處理器的繪圖執行基本時脈範圍在650MHz到850MHz,還可加速到1.1到1.35GHz,而筆電版本中,提升後的幅度更大,可以從基本時脈範圍350MHz到650MHz,加速至900MHz到1.3GHz。

還有值得注意的是時脈部分,過去處理器以1個倍頻133MHz的基礎來增加,現在的Sandy Bridge處理器則以1個倍頻100MHz來增加。同時,這一代的自動超頻幅度比上一代更高,Turbo Boost 2.0多了動態的加速範圍,在單一核心或全部核心使用時都能提升效能。此外,節能版的處理器可以提升的程度更高,像是Core i7-2600S處理器,標準時脈為2.8 GHz,使用中核心數不同,倍頻增加數也不同,4核心全開時可增加1倍的倍頻,3核心增加5倍,雙核心增加9倍,而單核心可增加10倍。至於不鎖頻的K系列版本處理器,在我們的測試過程中,更能超出加速範圍。

綜合來說,各處理器型號對於使用核心數不同,倍頻的增加幅度也有所不同,一般在單核心使用的情況下,可以增加4倍的倍頻。

且Turbo Boost 2.0搭配處理器內部溫度進行監測,在處理器內部溫度許可的情況下,可以運用更高的時脈速度,平時在核心閒置時間能夠降低用電量,因此能夠帶來更省電的的效益。

此外,Sandy Bridge仍支援Hyper-Threading技術,可減少CPU的閒置時間,提高CPU的運行效率,使處理器的各個核心可在同一時間執行兩份工作。要注意的是,在支援程度上有些許的差異,不過目前這一代比上一代產品更有規則可循,像是在筆電處理器方面,全部都支援此技術,而桌上型處理器方面,目前的Core i5系列並不支援(Core i5 2390T除外)。

加入AVX指令集,提升運算效率

處理器中的指令集能幫助運算加速,可提高處理器效率,尤其是在編碼方面,像是過去的MMX、SSE、SSE2、SSE3、SEE4.1、SEE4.2。

Sandy Bridge在支援指令集上的改變,延續上一代開始支援的AES-NI(AES New Instructions,進階加密標準新增指令)指令集,並且加入全新的AVX指令集(Advanced Vector Extensions,先進向量擴充指令集),以提升浮點運算與資料加密解密運算能力,並具有大幅擴充指令集的可能性。

在上一代的Westmere處理器中,Intel便引入了AES-NI指令集,它可用於加強AES演算執行的加速,並提升相關應用程式的執行速度,以提供快速的資料加解密運算功能。最新的Sandy Bridge微架構同樣支援該指令集,但值得注意的是,第1代Core i5並未全面支援,而第2代則是Core i5、Core i7皆支援該指令集,而Core i3未支援。

而新的AVX指令集支援,可提高處理器在高密集浮點運算能力。由於AVX 運算指令是全新的256位元浮點運算指令集,此指令編碼格式的變更,建置於SSE4/SIMD指令上,而且是針對浮點運算密集的應用程式設計,並具有使指令頭部分不斷增加字首(prefix)的擴展性,較過去128位元的向量指令更具有優勢,能提升處理效率,將更有利於矩陣計算、解密能力。

此外,在Nehalem為架構中,有些未普遍加入的功能技術,像是Intel Fast Memory Access與Intel Flex Memory的記憶體存取,也已經普遍納入這一代處理器中。前者是新版的圖形記憶體控制器中樞的骨幹架構,能將可用記憶體頻寬的使用最佳化,並減少記憶體存取的延遲,達到系統效能的提升;後者則能允許電腦同時使用不同大小的記憶體模組,並維持雙通道作業模式,讓系統升級時更具彈性,例如以往Intel對組建雙通道的記憶體條有著嚴格的限制,必須是相同容量、廠牌、速度、顆粒的記憶體模組才行。

而Intel Flex Memory技術允許在安裝不同容量及顆粒之記憶體模組的情況下,仍然維持雙通道模式,以提供使用者更具彈性的記憶體升級,不過組成雙通道記憶體的容量大小取決於容量較小的那個通道。

 

Intel新舊Core i處理器特色比較表

 

 

解析Intel 2011新型個人電腦處理器的架構

Sandy Bridge最大改變在於,將中央處理器(CPU)與繪圖處理器(GPU)更緊密地整合在一個處理器晶片中,而不像Westmere仍是分開。

從Intel處理器的發展上來看,新處理器架構的運算漸趨集中,像是過去已經將記憶體控制器(IMC)與PCI-E控制器整合,而現在的System Agent算是以往北橋模組的集合,包括PCI-E 2.0控制器、DMI總線控制器、電源控制單元(PCU)等部分,這次還加上顯示(Display)的部分。

在Sandy Bridge的架構中,有一點相當重要的是,Sandy Bridge處理器強調LLC(Last Level Cache)快取,也就是L3快取記憶體,並採用環形的連結架構,讓各個核心、L3快取記憶體、繪圖處理器、System Agent等可以在此架構中快速交換資料,讓存取有更低的延遲。

因此,這次Sandy Bridge所強調的繪圖顯示核心,也可以直接利用共用的L3快取記憶體,將繪圖處理器及System Agent與L3快取記憶體的存取,串接在一起,而不限於系統記憶體,並能做到維持電源的使用效率。

同時,Intel也將PECI溫度感應控制器設計成處理器內建功能,以協助電源管理狀態處理、及系統異常保護功能,達到硬體監測與管理。

此外,目前Sandy Bridge已全系列支援DDR3,並仍支援雙通道記憶體的設計,也讓整體平臺在耗電與效能上均能達到不錯的條件。

還有一個重要的環節,就是與處理器搭配的6系列晶片組,它的進化在於多了支援SATA 6Gb/s的介面,且PCIe的頻寬倍增為5GT/s。綜合來看,這些進化也幫助到整體Sandy Bridge平臺效能的提升。

 


相關報導請參考「英特爾第二代Core i處理器實測」


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