IFA 2014: 14 нанометров и Intel Core M

Мы нечасто пишем репортажи с крупных выставок про Intel, однако это не значит, что американский гигант совсем не принимает в них участия. Просто обычно на стенде Intel демонстрируются продукты партнеров, которые были представлены на конференциях до этого, — а больше особенно ничего и не происходит. Но на сей раз представители Intel показывали то, что другие показать не могут в принципе: кремниевые пластины, произведенные по 14-нм техпроцессу, и процессоры Intel Core M — маленькие частички этих пластин.

Адам Кинг (Adam King), директор группы продуктового маркетинга по ноутбукам, вышел к аудитории с пластиной в руках — это, пожалуй, максимально наглядная демонстрация того, что 14-нм техпроцесс вообще существует. Адам — от лица Intel — утверждает, что все уже отлажено и готово для массового производства 14-нм чипов и что устройства на базе этих чипов мы увидим буквально через несколько недель. Говорилось это все с успокоительными интонациями: дескать, не тревожьтесь, все идет по плану, пускай даже от старого плана мы отстали, 14 нм будут – и будут в достаточных количествах. Видимо, Intel порядком устала от шумихи в прессе по поводу неудач и отсрочек с переходом на новую технологию.

⇡#14 нм: что нового

С точки зрения архитектуры отдельного транзистора 14-нм техпроцесс Intel представляет собой эволюционное развитие идей, заложенных в дизайне 22-нм транзисторов. Здесь также используются трехмерные транзисторы Tri-gate, но уже второго поколения. От первого оно отличается четырьмя основными моментами. Во-первых, уменьшено расстояние между диэлектрическими ребрами, проходящими перпендикулярно металлическому затвору (fin pitch). Во-вторых, количество этих ребер сокращено с трех до двух. В-третьих, высота барьеров стала больше. Ну и в-четвертых, само собой разумеется, 14-нм транзистор в абсолютном масштабе значительно меньше 22-нм транзистора.

Зачем это все нужно? Масштабы во многом говорят сами за себя. Расстояние между диэлектрическими ребрами уменьшилось с 60 до 42 нм, между затворами (gate pitch) — с 90 до 70 нм, между соединениями (interconnect pitch) — с 80 до 52 нм. Соответственно, на кристалл той же площади теперь помещается куда больше транзисторов – их плотность ощутимо выросла. Увеличение высоты барьеров с 34 до 42 нм позволило повысить мощность управляющего тока и производительность транзистора. Ну а уменьшение числа барьеров с трех до двух дало опять-таки большую плотность размещения и снижение емкостного сопротивления.

Для сравнения: если в рамках 22-нм техпроцесса площадь ячейки памяти SRAM составляла примерно 0,108 мкм², то 14-нм техпроцесс позволил сократить это значение где-то до 0,059 мкм² — почти в два раза. В качестве второго примера, немного забегая вперед, приведем соотношение размеров чипов Haswell и Broadwell: 22-нм мобильный процессор Haswell имеет площадь кристалла 131 мм², в то время как 14-нм Broadwell довольствуется 82 мм². При этом Haswell насчитывает около 1 миллиарда транзисторов, а Broadwell — порядка 1,3 миллиарда.

Intel также удалось ощутимо снизить токи утечки, что позволяет в рамках одного и того же техпроцесса производить совершенно разные чипы: от мобильных (со сравнительно невысокой производительностью и минимальными токами утечки — и, соответственно, низким энергопотреблением) до серверных (с заметно более высокой производительностью, чем у предыдущего поколения, при неизменном уровне токов утечки).

Производительность на ватт Intel считает самым важным параметром своих чипов. Последние несколько лет эта величина возрастает примерно в 1,6 раза при переходе на каждый новый техпроцесс, но при переезде на 14 нм она увеличилась сразу в 2 раза. Intel называет это самой лучшей оптимизацией за всю свою историю — неудивительно, что на такой серьезный прорыв потребовалось больше времени, чем обычно.

Площадь одного логического элемента при переходе между техпроцессами уменьшается примерно в 2 раза. У остальных производителей чипов (для примера на слайдах приводятся IBM и TSMC) дела до недавнего времени в целом обстояли так же, однако они умудрялись удерживать абсолютное значение площади логического элемента на более низком уровне — пускай и с отставанием от Intel на два года. Сейчас в Intel уверены, что держать те же темпы и дальше конкуренты не смогут: тогда как Intel представляет уже второе, оптимизированное (в том числе в плане площади) поколение трехмерных транзисторов FinFET, остальные только-только начинают на них переходить — и это должно стать сдерживающим фактором в их развитии. По крайней мере к такому суждению сотрудники Intel пришли на основании публикаций конкурентов.

В то время как производительность каждого транзистора растет, его удельная стоимость падает. Это логично: площадь транзистора от поколения к поколению уменьшается быстро, стоимость квадратного миллиметра чипа из-за усложнения технологии растет, но медленнее. Соответственно, средняя цена транзистора снижается. Это позволит сохранить цены на процессоры примерно на прежнем уровне — при росте количества транзисторов в них. И пусть даже в случае 14-нм техпроцесса цена квадратного миллиметра скакнула ощутимо выше, чем раньше, плотность их размещения выросла еще более ощутимо.

На данный момент 14-нм техпроцесс уже введен на двух фабриках Intel в США — в штате Орегон и в штате Аризона, а в 2015 году на новую технологию будет переведена третья фабрика — в Ирландии. По расчетам Intel, полностью удовлетворить спрос на 14-нм чипы компания сможет к I кварталу 2015 года. И одними из первых продуктов, созданных по новой технологии, станут процессоры Intel Core M семейства Broadwell, предназначенные для мобильных компьютеров.

⇡#Intel Core M: война с вентиляторами

В Intel считают, что в среднем пользователи меняют свои компьютеры где-то раз в 4 года. И предлагают оглянуться назад и посмотреть, что в них за последние 4 года изменилось. А изменилось действительно многое — 4 года назад среднестатистический ноутбук представлял собой здоровенный кирпич весом под 3 кило, с оптическим приводом и временем автономной работы около 3-4 часов. С TN-матрицей, разрешение которой не превышало 1366х768 точек, и толщиной добрых 4 сантиметра. Сейчас же оптические приводы почти исчезли, масса снизилась, а время жизни от батареи выросло до 6-8 часов. Ноутбуки на Haswell при низкой нагрузке и вовсе способны прожить от батареи 15 часов, а то и больше — полноценное тестирование аккумуляторов в лаборатории 3DNews теперь занимает порядка недели. Разрешение выросло до Full HD, а средняя толщина корпуса снизилась где-то до 20 мм.

Intel Core M во всей своей красе

Широкое распространение получили всевозможные трансформеры, планшеты на Windows с пристегивающейся клавиатурой и прочие устройства, которые несколько лет назад было не так-то просто даже представить. Продажи подобного рода компьютеров “два в одном” за последний год выросли в 3 раза, различных устройств представлено более 70 — Intel считает, что рынок вернулся к здоровому состоянию: он развивается, производители стараются придумать что-то новое (то, что в целом рынок ПК падает, Intel в своем докладе не упоминает).

Однако большинство таких устройств до сих пор оснащается вентилятором — пусть даже большую часть времени он вращается на едва слышимых оборотах. От вентилятора есть и другие проблемы: он занимает место внутри корпуса, его механические части подвержены поломкам, в самих устройствах приходится делать вентиляционные отверстия. В общем, с выходом Core M Intel решила от вентиляторов отказаться. Совсем. А параллельно сделать устройства на его основе тоньше, мощнее и автономнее.

Lenovo Helix 2 — планшет с пристегивающейся клавиатурой на базе Intel Core M. И никаких вентиляторов

Как этого добиться? В первую очередь благодаря снижению TDP процессоров и их размеров, а также размеров необходимой им электрической обвязки. Адам привел достаточно наглядный пример. Для начала он продемонстрировал материнскую плату от Apple MacBook Air последнего поколения — хорошо оптимизированную и действительно небольшую. Создать настолько компактную плату — настоящее компьютерное искусство. А потом достал плату в два раза меньшего размера — это референсный дизайн Intel, на котором разместилось все то же самое, только на базе Broadwell. Такая материнская плата занимает меньше места в корпусе, освобождая пространство для батареи. То есть, даже если сделать корпус устройства тоньше, время жизни от батареи останется достаточно высоким.

Все познается в сравнении: сверху плата MacBook Air, снизу референсный дизайн Intel на Core M

Отдельно стоит отметить, что плата с напаянными на ней чипами стала еще и в два раза тоньше, что позволяет делать устройства меньшей толщины. Пример — новый Lenovo ThinkPad Helix 2: тонкий, легкий, без вентилятора. Если в 2010 году процессоры для ультрамобильных ПК потребляли примерно 18 Вт, то в конце 2014-го будут требовать не больше 6 Вт. Собственно, сам процессор в сборе тоже стал примерно в два раза меньше — и в два раза тоньше.

У Intel есть специальная диаграмма, иллюстрирующая процесс подбора оптимальных характеристик чипа с точки зрения его пригодности для построения планшетов той или иной толщины и типоразмера. Верхний предел даже для самых толстых “тринашек” на этой диаграмме — 6 Вт. Напомним, что столько потребляют, например, 8-ядерные ARM-процессоры Samsung Exynos. Ну а минимум — и вовсе 3 Вт: еще недавно даже “Атомы” были намного более прожорливыми. А здесь — полноценная архитектура Core.

⇡#Из чего состоит Core M

Как мы уже говорили, процессоры Intel Core M носят кодовое имя Broadwell и в интеловской схеме “Тик-так” должны представлять собой “тик”: переход на новый техпроцесс без существенных изменений в архитектуре. Однако изменения все же есть, и, пожалуй, весьма существенные.

Материнская плата выглядит игрушечной

Как и в наиболее компактных процессорах поколения Haswell, в Core M в одном корпусе совмещены две микросхемы – непосредственно процессор (в который встроены графика и контроллер памяти), а также южный мост. Последний, помимо всяких привычных вещей, включает теперь аудиокодек и модуль Wi-Fi. Увы, до той степени интегрированности, которая типична для нынешних ARM-процессоров, решения на «взрослой» версии архитектуры x86 еще не дошли: вместо полноценной системы-на-чипе пока приходится довольствоваться системой-на-двух-чипах.

Касательно изменений в процессорных ядрах информации известно пока что не слишком многое, надо понимать, что речь идёт о “тике”, а, значит, ничего революционного ждать не надо. Впрочем, если вспомнить предыдущие шаги, сопряжённые со сменой технологического процесса, например, Westmere или Ivy Bridge, то становится понятно, что совсем без улучшений Intel обойтись не могла. И поэтому слова представителей микропроцессорного гиганта о том, что удельная производительность Broadwell по сравнению с Haswell должна увеличиться примерно на 5%, особого удивления не вызывают. Это примерно такой же прогресс, как мы видели в момент перехода с Sandy Bridge на Ivy Bridge, и при этом Intel явно даёт понять, что потенциально Broadwell могут работать на тактовых частотах как минимум не меньших, чем Haswell.

Сделанные в Broadwell улучшения, конечно, фундаментального характера не имеют. В основном, инженеры поработали над внутренними буферами и увеличили их вместимость, что в конечном итоге позволяет снизить простои исполнительного конвейера. Например, большее окно планировщика даёт возможность реализовать в Broadwell внеочередное исполнение инструкций ещё эффективнее, чем в Haswell, а увеличенный в полтора раза буфер ассоциативной трансляции (L2 TLB) снижает простои при преобразовании адресов. При этом вся схема трансляции приобрела второй обработчик промахов, что позволяет обрабатывать две операции преобразования адресов параллельно. Кроме того, в очередной раз улучшились и алгоритмы предсказания переходов. В Broadwell внимание было уделено правильному предсказанию адресов, что должно положительно сказаться на обработке предстоящих сложных операций ветвления.

Впрочем, одними только изменениями входной части исполнительного конвейера дело не ограничивается. Кое-что сделано и для повышения чистой математической производительности, а конкретно, инженеры Intel полностью переделали схему обработки операций умножения и деления с плавающей точкой. Благодаря этому темп исполнения умножений возрос с пяти до трёх тактов, а деления ускорились за счёт исполнения на широком 10-битном делителе. В дополнение к этому оптимизации получили и векторные gather-инструкции из набора AVX2. Представители Intel говорят и об улучшении в Broadwell встроенной криптографии, но мы пока не можем однозначно интерпретировать, о чём в действительности идёт речь.

Очевидно, что Intel могла внедрить в Broadwell и более внушительный набор улучшений, если бы не явный прицел компании на снижение энергопотребления. Теперь на пути всех микроархитектурных оптимизаций поставлен строгий фильтр: какое-то улучшение внедряется только в том случае, если при росте производительности на 2% оно увеличивает энергопотребление не более чем на 1%. Ранее подобное правило было сформулировано с соотношением 1:1, но теперь оно стало вдвое более строгим. А это значит, что обещанный Intel 5-процентный рост производительности процессорных ядер Broadwell опирается не более чем на 2,5-процентное увеличение удельного энергопотребления.

Зато вот графика в Core M совсем не такая, как в Haswell. Intel HD Graphics 5300 поддерживает DirectX 11.2, OpenGL 4.2 и экраны с 4К-разрешением. На снимке процессора видно, что графический адаптер теперь занимает больше половины от всей площади кристалла — этим в свое время хвасталась, да и продолжает хвастаться AMD. Новая графика обеспечивает прирост производительности в современных играх порядка 40% и примерно 80%-е ускорение в кодировании видео.

Схема процессора Intel Core M

Более приятная новость для пользователей планшетов и ультратонких ноутбуков состоит в том, что Intel наконец-то удалось снизить энергопотребление графики в тех задачах, где она используется сравнительно активно. Например, в прошлом поколении сокращение времени работы от батарей при просмотре видео было весьма ощутимым – теперь это исправили.

ASUS Zenbook UX305 — информация о системе

Встроенный аудиокодек позволяет решить сразу две проблемы. Во-первых, его появление практически закрывает вопрос с поиском драйверов: Intel славится поддержкой практически любых операционных систем. Во-вторых, при воспроизведении видео со звуком или просто музыки снижается нагрузка на процессорные ядра — часть переносится на экономичный аудиокодек, что позволяет экономить заряд батареи. Что касается беспроводных соединений, то, помимо уже привычного 802.11ac (модуль Intel Wireless AC-7265), заявлена поддержка технологии Intel Wireless Display 5.0 и WiGIG – с помощью последнего будет реализована работа с беспроводными док-станциями.

Lenovo Helix 2 — информация о системе

В целом процессоры Intel Core M предназначены для широкого спектра устройств — от обычных тонких ноутбуков до тех самых трансформеров “два в одном” и просто мощных планшетов. То есть это сравнительно низкопроизводительные и очень низковаттные процессоры. Номинальная, «гарантированная» частота виденных нами экземпляров не переваливала за отметку в 1 ГГц. Чипы поддерживают динамический разгон (Turbo Boost) до существенно более высоких частот. Но, как мы знаем, конкретные значения, до которых процессор и графическое ядро смогут разогнаться, будут зависеть от того, насколько эффективно производителю данного конкретного устройства удалось решить проблему отвода тепла (напомним, решать ее придется без использования вентиляторов).

К созданию устройств на Intel Core M уже приступили все крупнейшие партнеры Intel – Acer, ASUS, Dell, HP и Lenovo. Более того, на IFA 2014 ASUS уже продемонстрировала ноутбук Zenbook UX305 на базе Intel Core M 5Y10, а Lenovo показала упомянутый выше ThinkPad Helix 2. И то ли еще будет.

ASUS Zenbook UX305 с процессором Intel Core M на борту

⇡#Заключение

В целом в плане железа индустрия мобильных ПК за последние несколько лет совершила потрясающий скачок. Кто мог подумать, что современные процессоры для такого рода устройств будут потреблять столько же, сколько чипы телефонов? Да и производители конечных устройств научились здорово оптимизировать использование пространства в своих мобильных компьютерах, ставить в них качественные дисплеи, не менее качественные клавиатуры и тачпады, а также — порой вполне удачно — экспериментировать с форм-факторами. В результате сдерживающей прогресс силой на данный момент является софт — по сути, для всего этого железного великолепия операционные системы в глобальном масштабе делает лишь один разработчик, и далеко не всем нравится то, что он предлагает.

В общем, следующий ход — за производителями софта. Им предстоит научиться использовать то, что уже реализовали производители железа, и тогда, наверное, взаимодействие человека и компьютера ощутимо изменится — в лучшую сторону. Intel в какой-то мере тоже является производителем ПО и прилагает некоторые усилия к тому, чтобы сдвинуть дело с мертвой точки. Но усилиями одной только Intel здесь не обойтись.

Благодарим компанию Sony и агентство PRT за предоставленную для съемки на выставке камеру Sony ILCE-6000 .