От Sandy Bridge до Coffee Lake: сравниваем семь поколений Intel Core i7

⇡#Описание тестовых систем и методики тестирования

Для того чтобы протестировать семь принципиально разных процессоров Intel Core i7, выпущенных за последние семь лет, нам потребовалось собрать четыре платформы с процессорными разъёмами LGA1155, LGA1150, LGA1151 и LGA1151v2. Набор комплектующих, который оказался необходим для этого, описывается следующим перечнем:

• Процессоры:
  • Intel Core i7-8700K (Coffee Lake, 6 ядер + HT, 3,7-4,7 ГГц, 12 Мбайт L3);
  • Intel Core i7-7700K (Kaby Lake, 4 ядра + HT, 4,2-4,5 ГГц, 8 Мбайт L3);
  • Intel Core i7-6700K (Skylake, 4 ядра, 4,0-4,2 ГГц, 8 Мбайт L3);
  • Intel Core i7-5775C (Broadwell, 4 ядра, 3,3-3,7 ГГц, 6 Мбайт L3, 128 Мбайт L4);
  • Intel Core i7-4790K (Haswell Refresh, 4 ядра + HT, 4,0-4,4 ГГц, 8 Мбайт L3);
  • Intel Core i7-3770K (Ivy Bridge, 4 ядра + HT, 3,5-3,9 ГГц, 8 Мбайт L3);
  • Intel Core i7-2700K (Sandy Bridge, 4 ядра + HT, 3,5-3,9 ГГц, 8 Мбайт L3).
  • Процессорный кулер: Noctua NH-U14S.
• Материнские платы:
  • ASUS ROG Maximus X Hero (LGA1151v2, Intel Z370);
  • ASUS ROG Maximus IX Hero (LGA1151, Intel Z270);
  • ASUS Z97-Pro (LGA1150, Intel Z97);
  • ASUS P8Z77-V Deluxe (LGA1155, Intel Z77).
• Память:
  • 2 × 8 Гбайт DDR3-2133 SDRAM, 9-11-11-31 (G.Skill TridentX F3-2133C9D-16GTX);
  • 2 × 8 Гбайт DDR4-3200 SDRAM, 16-16-16-36 (G.Skill Trident Z RGB F4-3200C16D-16GTZR).
  • Видеокарта: NVIDIA Titan X (GP102, 12 Гбайт/384-бит GDDR5X, 1417-1531/10000 МГц).
  • Дисковая подсистема: Samsung 860 PRO 1TB (MZ-76P1T0BW).
  • Блок питания: Corsair RM850i (80 Plus Gold, 850 Вт).

Тестирование выполнялось в операционной системе Microsoft Windows 10 Enterprise (v1709) Build 16299 с использованием следующего комплекта драйверов:

• Intel Chipset Driver 10.1.1.45;
• Intel Management Engine Interface Driver 11.7.0.1017;
• NVIDIA GeForce 391.35 Driver.

Описание использовавшихся для измерения вычислительной производительности инструментов:

Комплексные бенчмарки:

• Futuremark PCMark 10 Professional Edition 1.0.1275 – тестирование в сценариях Essentials (обычная работа среднестатистического пользователя: запуск приложений, сёрфинг в интернете, видеоконференции), Productivity (офисная работа с текстовым редактором и электронными таблицами), Digital Content Creation (создание цифрового контента: редактирование фотографий, нелинейный видеомонтаж, рендеринг и визуализация 3D-моделей). Аппаратное ускорение OpenCL в тестировании было отключено.
• Futuremark 3DMark Professional Edition 2.4.4264 — тестирование в сцене Time Spy Extreme 1.0.

Приложения:

• Adobe Photoshop CC 2018 — тестирование производительности при обработке графических изображений. Измеряется среднее время выполнения тестового скрипта, представляющего собой творчески переработанный Retouch Artists Photoshop Speed Test, который включает типичную обработку четырёх 24-мегапиксельных изображений, сделанных цифровой камерой.
• Adobe Photoshop Lightroom Classic СС 7.1 – тестирование производительности при пакетной обработке серии изображений в RAW-формате. Тестовый сценарий включает постобработку и экспорт в JPEG с разрешением 1920 × 1080 и максимальным качеством двухсот 16-мегапиксельных изображений в RAW-формате, сделанных цифровой камерой Fujifilm X-T1.
• Adobe Premiere Pro CC 2018 — тестирование производительности при нелинейном видеомонтаже. Измеряется время рендеринга в формат H.264 Blu-Ray проекта, содержащего HDV 1080p25 видеоряд с наложением различных эффектов.
• Blender 2.79b – тестирование скорости финального рендеринга в одном из популярных свободных пакетов для создания трёхмерной графики. Измеряется продолжительность построения финальной модели из Blender Cycles Benchmark rev4.
• Corona 1.3 – тестирование скорости рендеринга при помощи одноимённого рендерера. Измеряется скорость построения стандартной сцены BTR, используемой для измерения производительности.
• Google Chrome 65.0.3325.181 (64-bit) – тестирование производительности при работе интернет-приложений, построенных с использованием современных технологий. Применяется специализированный тест WebXPRT 3, реализующий на HTML5 и JavaScript реально использующиеся в интернет-приложениях алгоритмы.
• Microsoft Visual Studio 2017 (15.1) – измерение времени компиляции крупного MSVC-проекта – профессионального пакета для создания трёхмерной графики Blender версии 2.79b.
• Stockfish 9 – тестирование скорости работы популярного шахматного движка. Измеряется скорость перебора вариантов в позиции «1q6/1r2k1p1/4pp1p/1P1b1P2/3Q4/7P/4B1P1/2R3K1 w»;
• V-Ray 3.57.01 – тестирование производительности работы популярной системы рендеринга при помощи стандартного приложения V-Ray Benchmark;
• VeraCrypt 1.22.9 – тестирование криптографической производительности. Используется встроенный в программу бенчмарк, задействующий тройное шифрование Kuznyechik-Serpent-Camellia.
• WinRAR 5.50 — тестирование скорости архивации. Измеряется время, затрачиваемое архиватором на сжатие директории с различными файлами общим объёмом 1,7 Гбайт. Используется максимальная степень компрессии.
• x264 r2851 — тестирование скорости транскодирования видео в формат H.264/AVC. Для оценки производительности используется исходный 1080p@50FPS AVC-видеофайл, имеющий битрейт около 30 Мбит/с.
• x265 2.4+14 8bpp — тестирование скорости транскодирования видео в перспективный формат H.265/HEVC. Для оценки производительности используется тот же видеофайл, что и в тесте скорости транскодирования кодером x264.

Игры:

• Ashes of Singularity. Разрешение 1920 × 1080: DirectX 11, Quality Profile = High, MSAA=2x. Разрешение 3840 × 2160: DirectX 11, Quality Profile = Extreme, MSAA=Off.
• Assassin’s Creed: Origins. Разрешение 1920 × 1080: Graphics Quality = Very High. Разрешение 3840 × 2160: Graphics Quality = Very High.
• Battlefield 1. Разрешение 1920 × 1080: DirectX 11, Graphics Quality = Ultra. Разрешение 3840 × 2160: DirectX 11, Graphics Quality = Ultra.
• Civilization VI. Разрешение 1920 × 1080: DirectX 11, MSAA = 4x, Performance Impact = Ultra, Memory Impact = Ultra. Разрешение 3840 × 2160: DirectX 11, MSAA = 4x, Performance Impact = Ultra, Memory Impact = Ultra.
• Far Cry 5. Разрешение 1920 × 1080: Graphics Quality = Ultra, Anti-Aliasing = TAA, Motion Blur = On. Разрешение 3840 × 2160: Graphics Quality = Ultra, Anti-Aliasing = TAA, Motion Blur = On.
• Grand Theft Auto V. Разрешение 1920 × 1080: DirectX Version = DirectX 11, FXAA = Off, MSAA = x4, NVIDIA TXAA = Off, Population Density = Maximum, Population Variety = Maximum, Distance Scaling = Maximum, Texture Quality = Very High, Shader Quality = Very High, Shadow Quality = Very High, Reflection Quality = Ultra, Reflection MSAA = x4, Water Quality = Very High, Particles Quality = Very High, Grass Quality = Ultra, Soft Shadow = Softest, Post FX = Ultra, In-Game Depth Of Field Effects = On, Anisotropic Filtering = x16, Ambient Occlusion = High, Tessellation = Very High, Long Shadows = On, High Resolution Shadows = On, High Detail Streaming While Flying = On, Extended Distance Scaling = Maximum, Extended Shadows Distance = Maximum. Разрешение 3840 × 2160: DirectX Version = DirectX 11, FXAA = Off, MSAA = Off, NVIDIA TXAA = Off, Population Density = Maximum, Population Variety = Maximum, Distance Scaling = Maximum, Texture Quality = Very High, Shader Quality = Very High, Shadow Quality = Very High, Reflection Quality = Ultra, Reflection MSAA = x4, Water Quality = Very High, Particles Quality = Very High, Grass Quality = Ultra, Soft Shadow = Softest, Post FX = Ultra, In-Game Depth Of Field Effects = On, Anisotropic Filtering = x16, Ambient Occlusion = High, Tessellation = Very High, Long Shadows = On, High Resolution Shadows = On, High Detail Streaming While Flying = On, Extended Distance Scaling = Maximum, Extended Shadows Distance = Maximum.
• The Witcher 3: Wild Hunt. Разрешение 1920 × 1080, Graphics Preset = Ultra, Postprocessing Preset = High. Разрешение 3840 × 2160, Graphics Preset = Ultra, Postprocessing Preset = High.
• Total War: Warhammer II. Разрешение 1920 × 1080: DirectX 12, Quality = Ultra. Разрешение 3840 × 2160: DirectX 12, Quality = Ultra.
• Watch Dogs 2. Разрешение 1920 × 1080: Field of View = 70°, Pixel Density = 1.00, Graphics Quality = Ultra, Extra Details = 100%. Разрешение 3840 × 2160: Field of View = 70°, Pixel Density = 1.00, Graphics Quality = Ultra, Extra Details = 100%.

Во всех игровых тестах в качестве результатов приводится среднее количество кадров в секунду, а также 0,01-квантиль (первая перцентиль) для значений fps. Использование 0,01-квантиля вместо показателей минимального fps обусловлено стремлением очистить результаты от случайных всплесков производительности, которые были спровоцированы не связанными напрямую с работой основных компонентов платформы причинами.

⇡#Производительность в комплексных бенчмарках

Комплексный тест PCMark 8 показывает средневзвешенную производительность систем при работе в типичных общеупотребительных приложениях разного рода. И он хорошо иллюстрирует тот прогресс, который претерпевали интеловские процессоры на каждом этапе смены дизайна. Если говорить о базовом сценарии Essentials, то тут действительно средний прирост скорости на каждом поколении не превышает пресловутых 5 процентов. Однако выделяется на общем фоне Core i7-4790K, который благодаря усовершенствованиям в микроархитектуре и росту тактовых частот смог обеспечить неплохой рывок в производительности, выходящий за среднестатистический уровень. Этот рывок виден и в сценарии Productivity, по результатам которого быстродействие Core i7-4790K сравнимо с производительностью старших процессоров в семействах Skylake, Kaby Lake и Coffee Lake.

Третий же сценарий, Digital Content Creation, объединяющий ресурсоёмкие творческие задачи, выдаёт совсем иную картину. Тут свежий Core i7-8700K может похвастать 80-процентным преимуществом перед Core i7-2700K, что можно расценить как более чем достойный результат семилетней эволюции микроархитектуры. Конечно, существенная часть этого преимущества объясняется увеличением числа вычислительных ядер, но даже если сравнивать между собой показатели четырёхъядерных Core i7-2700K и Core i7-7700K, то и в этом случае прирост скорости достигает солидной величины в 53 процента.

Ещё сильнее выпячивает преимущества новых процессоров синтетический игровой тест 3DMark. Мы пользуемся сценарием Time Spy Extreme, который имеет усиленные оптимизации под многоядерные архитектуры, и в нём итоговый рейтинг Core i7-8700K оказывается почти втрое выше, чем у Core i7-2700K. Но двукратное преимущество перед Sandy Bridge показывает и представитель поколения Kaby Lake, который, как и все предшественники, располагает четырьмя вычислительными ядрами.

Любопытно, что самым успешным усовершенствованием изначальной микроархитектуры, если судить по результатам, следует считать переход от Ivy Bridge к Haswell – на этом этапе, по данным 3D Mark, производительность выросла на 34 процента. Впрочем, Coffee Lake, безусловно, тоже есть чем похвастать, однако интеловские процессоры образца 2017-2018 года имеют точно такую же микроархитектуру, как и Skylake, а выделяются исключительно за счёт экстенсивного усиления – роста числа ядер.

⇡#Производительность в ресурсоёмких приложениях

В целом производительность в приложениях за последние семь лет эволюции процессоров Intel выросла заметно. И речь тут идёт совсем не о пяти процентах в год, о которых принято шутить в рядах интелоненавистников. Сегодняшние Core i7 превосходят своих предшественников из 2011 года более чем в два раза. Конечно, большую роль тут сыграл переход на шестиядерность, однако немалый вклад внесли и микроархитектурные улучшения, и рост тактовой частоты. Самым результативным дизайном в этом плане оказался Haswell. В нём существенно поднялась частота, а также появилась поддержка AVX2-инструкций, которая постепенно укрепились в приложениях для работы с мультимедийным контентом и в задачах рендеринга.

Стоит отметить, что в ряде случаев модернизация процессоров в системах, на которых решаются профессиональные задачи, может дать поистине прорывное улучшение скорости работы. В частности, троекратное увеличение быстродействия при переходе от Sandy Bridge к Coffee Lake можно получить при перекодировании видео современными кодерами, а также при финальном рендеринге посредством V-Ray. Неплохой прирост отмечается и при нелинейном видеомонтаже в Adobe Premiere Pro. Впрочем, даже если ваша сфера деятельности не связана напрямую с решением таких задач, в любом из проверенных нами приложений прирост составил как минимум 50 процентов.

Рендеринг:

Обработка фото:

Обработка видео:

Перекодирование видео:

Компиляция:

Архивация:

Шифрование:

Шахматы:

Интернет-сёрфинг:

Для того чтобы нагляднее представить, как менялась мощность интеловских процессоров при смене последних семи поколений микроархитектуры, мы составили специальную таблицу. В ней приведены процентные величины усреднённого прироста производительности в ресурсоёмких приложениях, получаемые при смене одного флагманского процессора серии Core i7 на другой.

Нетрудно заметить, что Coffee Lake оказался наиболее значительным обновлением дизайна массовых процессоров Intel. Полуторакратное увеличение числа ядер придаёт быстродействию существенный импульс, благодаря которому при переходе на Core i7-8700K даже с процессоров недавних поколений можно получить очень заметное ускорение. Сравнимый рост производительности в период с 2011 года у Intel случался ещё лишь однажды – при вводе процессорного дизайна Haswell (в усовершенствованном виде Devil’s Canyon). Тогда он был обусловлен серьёзными изменениями в микроархитектуре, которые были проведены одновременно с заметным увеличением тактовой частоты.

⇡#Производительность в играх

То, что производительность интеловских процессоров планомерно увеличивается, хорошо видят пользователи ресурсоёмких приложений. Однако среди игроков бытует иное мнение. Ещё бы, игры, даже самые современные, не пользуются наборами векторных инструкций, плохо оптимизируются под многопоточность, да и вообще масштабируют свою производительность гораздо более сдержанными темпами из-за того, что кроме вычислительных ресурсов нуждаются ещё и в графических. Так есть ли смысл обновлять процессоры тем, кто использует компьютеры преимущественно для игр?

Попробуем ответить и на этот вопрос. Для начала приведем результаты тестов в разрешении FullHD, где процессорозависимость проявляется сильнее, поскольку графическая карта не является серьёзным ограничением для показателя fps и даёт процессорам продемонстрировать, на что они способны, более явно.

Ситуация в разных играх похожая, поэтому давайте посмотрим на усреднённые относительные показатели игровой производительности в FullHD. Они приведены в следующей таблице, где показан прирост, получаемый при смене одного флагманского процессора серии Core i7 на другой.

Действительно, игровая производительность при выходе новых поколений процессоров масштабируется гораздо слабее, чем в приложениях. Если там можно было говорить о том, что за последние семь лет интеловские процессоры ускорились примерно вдвое, то с точки зрения игровых приложений Core i7-8700K всего лишь на 36 процентов быстрее, чем Sandy Bridge. А если сравнивать новейший Core i7 с каким-нибудь Haswell, то преимущество Core i7-8700K окажется всего лишь на уровне 11 процентов, несмотря на полуторакратное увеличение числа вычислительных ядер. Думается, игроки, не желающие обновлять свои LGA1155-системы, в чём-то правы. Такого прироста, как творческие работники – создатели контента, они не получат даже и близко.

Если же завести речь о разрешении 4K, где фокус нагрузки переносится на графический ускоритель, то осмысленность модернизации процессора кажется ещё более сомнительной. Фактически даже Core i7-2700K хватает для того, чтобы полностью раскрыть потенциал существующих в настоящее время флагманских графических ускорителей.

Различие в результатах совсем слабое, суммарно ситуация выглядит следующим образом.

Получается, что 4K-игрокам – владельцам процессоров Core i7-4790K и более поздних – волноваться сейчас вообще не о чем. Пока на рынок не придёт новое поколение графических ускорителей, при игровой нагрузке в сверхвысоких разрешениях узким местом такие CPU не окажутся, а производительность полностью упирается в видеокарту. Апгрейд процессора может иметь смысл разве только для систем, оборудованных ретропроцессорами Sandy Bridge или Ivy Bridge, но даже и в этом случае прирост частоты кадров не превысит 6-9 процентов.

⇡#Энергопотребление

Тесты производительности было бы любопытно дополнить и результатами измерения энергопотребления. За прошедшие семь лет Intel дважды меняла технологические нормы и шесть раз – заявленные рамки теплового пакета. Кроме того, процессоры Haswell и Broadwell в отличие от остальных использовали принципиально иную схему питания и снабжались интегрированным преобразователем напряжения. Всё это, естественно, так или иначе влияло на реальное потребление.

Используемый нами в тестовой системе цифровой блок питания Corsair RM850i позволяет контролировать потребляемую и выдаваемую электрическую мощность, чем мы и пользуемся для измерений. На графике ниже приводится полное потребление систем (без монитора), измеренное «после» блока питания и представляющее собой сумму энергопотребления всех задействованных в системе компонентов. КПД самого блока питания в данном случае не учитывается.

В состоянии простоя ситуация принципиально поменялась с вводом в строй дизайна Broadwell, когда Intel перешла на использование 14-нм техпроцесса и внедрила в обращение более глубокие энергосберегающие режимы.

При рендеринге выясняется, что увеличение числа вычислительных ядер в Coffee Lake заметно повлияло на его энергопотребление. Этот процессор стал существенно прожорливее своих предшественников. Самыми же экономичными представителями серии Core i7 стали носители микроархитектур Broadwell и Ivy Bridge, что вполне согласуется с теми характеристиками TDP, которые для них декларирует Intel.

Интересно, что при максимально высоких нагрузках потребление Core i7-8700K похоже на потребление процессора Devil’s Canyon и уже не кажется таким запредельным. Но в целом энергетические аппетиты процессоров Core i7 разных поколений различаются очень заметно, причём более современные модели CPU не всегда становятся экономичней предшественников. Большой шаг в улучшении характеристик потребления и тепловыделения был сделан в поколении Ivy Bridge, кроме того, неплох в этом отношении и Kaby Lake. Однако сейчас, похоже, улучшение энергоэффективности флагманских десктопных процессоров перестало быть для Intel важной задачей.