буква меняет всё / Процессоры и память

Платформа LGA2066 и процессоры семейства Skylake-X были представлены Intel более полутора лет тому назад. Изначально это решение нацеливалось компанией на сегмент HEDT, то есть на высокопроизводительные системы для пользователей, которые занимаются созданием и обработкой контента, ведь Skylake-X содержали существенно большее количество вычислительных ядер по сравнению с привычными представителями семейств Kaby Lake и Coffee Lake.

Однако за время, прошедшее с появления Skylake-X, ландшафт на процессорном рынке существенно изменился, и сегодня достаточно доступные CPU могут иметь шесть или даже восемь вычислительных ядер, а перспективные массовые CPU, которые должны выйти в течение этого года, могут получить десять или даже двенадцать ядер. Делает ли это Skylake-X бесполезными чипами? Скорее всего, нет. Во-первых, среди представителей этой серии существуют предложения с 16 и 18 ядрами, и подобных им массовых вариантов в ближайшее время на рынке точно не будет. Во-вторых, в платформе LGA2066 заложены и другие преимущества, отличающие их от обычных потребительских процессоров, например превосходство в числе каналов памяти и доступных линий PCI Express.

Поэтому косметическое обновление модельного ряда Skylake-X, которое микропроцессорный гигант провёл в конце прошлого года, показалось вполне закономерным – оно прекрасно вписывалось в принятый у Intel график ежегодных анонсов. Однако отношение производителя к своим HEDT-новинкам немного удивило: компания не только не стала пересматривать цены, но и к тому же отказалась предоставлять образцы процессоров IT-прессе, ограничившись лишь формальной презентацией и последующим началом продаж.

Судя по всему, компания посчитала новые Skylake-X вторичными и неинтересными продуктами, однако мы с такой формулировкой в корне не согласны. Да, количество вычислительных ядер у представителей этого модельного ряда в процессе обновления не увеличилось. Однако в них воплощены другие интересные усовершенствования: новинки получили возросшие тактовые частоты, увеличенный объём L3-кеша, а также улучшенный внутренний термоинтерфейс. Поэтому мы всё же решили уделить обновленным Skylake-X некоторое внимание, в чём нам сильно помог компьютерный магазин «Регард», согласившийся предоставить для исследования пару новых LGA2066-десятиядерников: Core i9-9820X и Core i9-9900X.

К тому же с самого момента анонса Skylake-X Refresh нам не давал покоя вопрос: почему для старшего десятиядерного HEDT-процессора Intel выбрала сходное до степени смешения название с популярным массовым восьмиядерником Core i9-9900K? Что это означает? И вот теперь у нас появился шанс разобраться…

⇡#Модельный ряд Skylake-X Refresh

О появлении новых LGA2066-процессоров с модельными номерами из девятитысячной серии Intel объявила ещё в октябре прошлого года. В число новинок вошло семь моделей: шесть процессоров серии Core i9 с числом ядер от 10 до 18 и восьмиядерная модель Core i7 условно начального уровня. Никаких шестиядерников и четырёхъядерников для LGA2066 в новом поколении больше не предусматривается, что на фоне бурного роста возможностей платформы LGA1151v2 совершенно не удивительно.

	Ядра/ потоки	Базовая частота, ГГц	Турбочастота, ГГц	L3-кеш, Мбайт	Память	TDP, Вт	Цена
Core i9-9980XE	18/36	3,0	4,5	24,75	DDR4-2666	165	$1 979
Core i9-9960X	16/32	3,1	4,5	22,0	DDR4-2666	165	$1 684
Core i9-9940X	14/28	3,3	4,5	19,25	DDR4-2666	165	$1 387
Core i9-9920X	12/24	3,5	4,5	19,25	DDR4-2666	165	$1 189
Core i9-9900X	10/20	3,5	4,5	19,25	DDR4-2666	165	$989
Core i9-9820X	10/20	3,3	4,2	16,5	DDR4-2666	165	$889
Core i7-9800X	8/16	3,8	4,5	16,5	DDR4-2666	165	$589

Самым заметным изменением в процессорах, перечисленных в таблице, если сравнивать с предшествующими моделями Skylake-X семитысячной серии, стал рост тактовых частот. Номинальные частоты поднялись на 200-600 МГц, а максимальные частоты, достигаемые при включении турборежима, выросли на 200-300 МГц. Кроме того, у младших представителей серии увеличился объем кеш-памяти третьего уровня. Раньше он рассчитывался исходя из правила «1,375 Мбайт на ядро», а теперь на каждое ядро может приходиться примерно до 2 Мбайт кеша. И последнее: контроллер PCI Express восьмиядерного Core i7-9800X был полностью разблокирован, благодаря чему этот процессор получил в своё распоряжение все 44 линии, которые ранее были доступны только в процессорах с числом ядер 10 и более.

Однако все эти приятные перемены повлекли за собой и рост тепловыделения. В то время как первое поколение Skylake-X имело тепловой пакет, ограниченный рамками 140 Вт, в новых процессорах характеристика TDP увеличена до 165 Вт. Иными словами, за повышенные частот, которые присвоены новым процессорам без каких-либо принципиальных перемен в применяемом для их выпуска 14-нм технологическом процессе, приходится расплачиваться расширившимися энергетическими и тепловыми пределами.

Правда, сама Intel при этом утверждает, что поднять скоростные характеристики позволило внедрение производственной технологии третьей версии с условным названием 14++ нм, по которой сейчас изготавливаются процессоры Coffee Lake и Coffee Lake Refresh. И если бы не это, то тепловыделение могло бы быть ещё выше. Но опасаться, что новые Skylake-X могут быть подвержены перегреву, причин нет. Снизить рабочие температуры новых процессоров должен улучшенный термоинтерфейсный материал под теплораспределительной крышкой. Место применявшейся ранее полимерной термопасты занял припой с заведомо более высокой теплопроводностью.

Но всё, о чём сказано выше, – это лишь вершина айсберга. Дело в том, что изменение спецификаций, и в первую очередь увеличение объёмов кеш-памяти третьего уровня, имеет под собой гораздо более неожиданную основу. Теперь для выпуска HEDT-процессоров Intel стала использовать несколько иные «по смыслу» полупроводниковые кристаллы.

Означает это следующее: HEDT-процессоры всегда представляли собой десктопную разновидность серверных чипов. Традиционно Intel брала младшие модификации Xeon, адаптировала к ним контроллер памяти и некоторые другие характеристики и переносила их в десктопное окружение. При этом, в то время как для своих серверных продуктов Intel производила три варианта полупроводниковых кристаллов: LCC (Low Core Count) с 10 ядрами, HCC (High Core Count) c 18 ядрами и XCC (eXtreme Core Count) c 28 ядрами, в десктопные HEDT-процессоры попадали только наиболее простые версии кристаллов. Так, в процессорах Skylake-X первого поколения с 6, 8 и 10 ядрами использовался кристалл LCC, а в модификациях с 12, 14, 16 и 18 ядрами применялся кристалл HCC.

В обновлённых же Skylake-X, о которых речь идёт сегодня, младший вариант кристалла LCC больше не применяется. Все новые HEDT-процессоры девятитысячной серии, в том числе и восьми- и десятиядерные варианты, базируются на кристалле HCC. То есть даже в Core i7-9800X или Core i9-9900X потенциально имеется 18 ядер, но значительная их часть аппаратно заблокирована на стадии производства.

Такое странное на первый взгляд решение было принято как раз ради увеличения объёма кеш-памяти  в новых процессорах. Внутреннее устройство Skylake-X предполагает, что на каждое вычислительное ядро выделяется порция кеш-памяти объёмом 1,375 Мбайт. И если бы в том же Core i9-9900X использовался младший кристалл LCC, более 13,75 Мбайт L3-кеша этот процессор заведомо получить бы не мог. Более крупный кристалл HCC в этом плане гибче, в нём в общей сложности заложено 24,75 Мбайт кеша, и этот увеличенный объём частично задействован в восьми- и десятиядерных процессорах новой волны.

В результате все Skylake-X стали унифицированы по дизайну, но обратной стороной такой унификации стало повсеместное применение очень крупного полупроводникового кристалла с площадью около 485 мм², что более чем в два с половиной раза превосходит площадь кристалла восьмиядерных Coffee Lake Refresh. Это значит, что любой из LGA2066-процессоров девятитысячной серии имеет существенно более высокую себестоимость в сравнении с тем же Core i9-9900K. Но несмотря на это, восьмиядерный Core i9-9800X в официальном прайс-листе оценён всего на $100 дороже, чем Core i9-9900K. Поэтому резонно предположить, что производство восьми- и десятиядерных процессоров на основе 18-ядерных кристаллов всё-таки имеет для Intel какой-то экономический смысл, например компания пользуется этой возможностью для реализации полупроводниковых кристаллов с большим числом производственных дефектов, которые до сих пор не могли найти достойного применения.

⇡#Подробнее о десятиядерных Core i9-9900X и Core i9-9820X

Для проведения тестирования мы взяли два десятиядерных процессора «новой волны» – Core i9-9900X и Core i9-9820X. Несмотря на то, что эти CPU переехали на новый кристалл HCC, по сравнению с Core i9-7900X они изменились не так уж и сильно. Обычно Intel при выпуске вторых поколений процессоров для прошлых разновидностей платформы HEDT переводила их на более новую микроархитектуру, но сейчас этого не произошло. Изменения коснулись лишь численных параметров, качественно же в лице Core i9-9900X и Core i9-9820X мы имеем почти то же самое, что предлагал и десятиядерный Core i9-7900X образца 2017 года.

Но зато у Skylake-X второго поколения нет никаких проблем с совместимостью: они превосходно работают в имеющихся LGA2066-материнских платах, основанных на наборе системной логики Intel X299. Как и предшественники, они обладают четырёхканальным контроллером DDR4-памяти, а встроенный в них контроллер PCI Express 3.0 поддерживает 44 линии, которые в теории могут быть раздроблены на произвольное число слотов — от трёх до одиннадцати.

Тем не менее полупроводниковый кристалл HCC, лежащий в основе Core i9-9900X и Core i9-9820X, несколько отличается от кристаллов, которые использовались в старших Skylake-X раньше. Хотя формальный степпинг сохранил номер M0, который был характерен для первоначальных версий Skylake-X с числом ядер более 12, теперь Intel стала применять в производственном процессе видоизменённые литографические маски в связи с задействованием более зрелого техпроцесса 14++ нм вместо прошлого техпроцесса 14+ нм. Ключевое различие технологий состоит в немного большем шаге между затворами транзисторов, что, как мы уже видели на примере Coffee Lake, положительно сказывается на частотном потенциале.

На уровне же микроархитектуры изменений нет совсем. Удивительно, но в новые процессоры Skylake-X Refresh не попали даже никакие аппаратные исправления для борьбы с уязвимостями Meltdown и Spectre. И это очень странно на фоне того, что в параллельном продукте Coffee Lake Refresh, вышедшем в то же время, определённые заплатки уже появились. Например, современные LGA1151v2-процессоры защищены от атак Meltdown (Variant 3) и L1TF (Variant 5) на аппаратном уровне.

Но самое обидное даже не это. Основной повод для расстройства – отсутствие каких-либо перемен в схеме объединения компонентов процессора в единое целое. В Skylake-X Refresh продолжает использоваться одноранговая ячеистая Mesh-сеть, наложенная поверх массива процессорных ядер. Такая схема межъядерных соединений хорошо показывает себя при значительном увеличении числа ядер в серверных процессорах, но для HEDT-продуктов с не слишком высоким числом ядер она подходит гораздо хуже традиционной кольцевой шины, вызывая драматическое увеличение задержек. Одним из методов борьбы с этим негативным эффектом могло бы стать ускорение Mesh-соединений, но здесь всё осталось по-старому. Частота работы межсоединений как в прошлых, так и в нынешних Skylake-X установлена на отметке 2,4 ГГц, поэтому L3-кеш и контроллер памяти у LGA2066-процессоров имеют заметно худшую латентность на фоне массовых Coffee Lake Refresh. Правда, отчасти это компенсируется расширенной кеш-памятью второго уровня, которая у Skylake-X имеет объём 1 Мбайт на ядро, а не в четыре раза меньше.

Всё это легко проиллюстрировать графиком латентности подсистемы памяти процессоров Skylake-X нынешнего поколения в сравнении с Coffee Lake Refresh. Он явно показывает отсутствие улучшений в ситуации с задержками у новых HEDT-процессоров.

Зато новые десятиядерники могут похвастать прогрессом в тактовых частотах и в размере кеш-памяти. Например, Core i9-9900X обладает виктимным L3-кешем объёмом 19,25 Мбайт, что на 40 % превышает размер кеша в прошлом десятиядерном процессоре, Core i9-7900X. Базовая частота новой модели при этом увеличилась с 3,3 до 3,5 ГГц, но максимальная частота Core i9-9900X в турборежиме может доходить до тех же 4,5 ГГц, которые были доступны и десятиядернику прошлого поколения. В обоих случаях достижение отметки 4,5 ГГц требует использования технологии Turbo Boost Max 3.0, с традиционным же турборежимом максимальной частотой для Core i9-9900X является 4,4 ГГц.

Впрочем, на практике ситуация с частотами Core i9-9900X складывается несколько иначе. При нагрузке на все ядра процессор работает на частоте 4,1 ГГц.

Если эта нагрузка задействует AVX-инструкции, частота процессора снижается до 3,8 ГГц.

А наиболее ресурсоёмкие 512-битные инструкции из нового набора AVX-512 при полной нагрузке на все ядра заставляют процессор сбавлять обороты до 3,4 ГГц, что, надо заметить, даже ниже объявленной в спецификациях номинальной частоты.

Если говорить о десятиядерном Core i9-9820X, который стоит на ступеньку ниже, то он отличается от своего старшего собрата главным образом объёмом кеш-памяти третьего уровня, которая у него урезана до 16,5 Мбайт. Немного ниже и паспортные частоты, однако не нужно забывать, что все HEDT-процессоры компании Intel имеют свободные множители, что позволит энтузиастам проигнорировать этот недостаток.

Тем не менее номинальная частота Core i9-9820X – 3,3 ГГц, а максимальная частота в турборежиме – 4,1 или 4,2 ГГц в зависимости от того, идёт ли речь о технологии Turbo Boost 2.0 или Turbo Boost Max 3.0.

На практике при эксплуатации процессора с настройками по умолчанию и нагрузке на все ядра Core i9-9820X способен работать на частоте 4,0 ГГц.

Если нагрузка использует AVX-инструкции, процессор снижает частоту работы до 3,8 ГГц.

А в режиме AVX-512 частота Core i9-9820X падает до номинала – 3,3 ГГц.

Говоря о том, чем новые десятиядерные LGA2066-процессоры лучше старого Core i9-7900X, нельзя не напомнить о свершившемся в них переходе на использование более эффективного внутреннего термоинтерфейса. Теплорассеивающая крышка теперь припаяна к кристаллу аналогично тому, как это сделано в Coffee Lake Refresh. Intel говорит, что за счёт этого новые процессоры эффективнее  охлаждаютсяи работают на более низких температурах, однако существует два но. Во-первых, используемый Intel припой не вызывает особого восторга в рядах оверклокеров, поскольку он менее эффективен, чем жидкий металл. И во-вторых, теперь для большинства энтузиастов оказалась недоступна процедура скальпирования: снять крышку, не повредив процессор, стало очень сложно, поэтому  улучшить имеющийся термоинтерфейс крайне затруднительно.

В завершение рассказа о характеристиках Core i9-9900X и Core i9-9820X стоит упомянуть и о ценах. Здесь Intel не стала проявлять какую-либо фантазию и установила стоимость старшего десятиядерника Core i9-9900X в те же $989, которые она просила за процессор Core i9-7900X, относящийся к прошлому поколению. Но зато Core i9-9820X стоит на $100 дешевле, что делает его более привлекательным предложением для энтузиастов, ведь меньший на 15 % L3-кеш вряд ли как-то сильно скажется на производительности, а номинальные тактовые частоты для настоящих энтузиастов высокой производительности не имеют никакого значения.