進化至 14nm 製程,Broadwell 架構的 Intel Core M 處理器預覽

作者 | 發布日期 2014 年 08 月 13 日 9:45 | 分類 晶片
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更小更快更省電,Intel Core M 絕對不會拖到 2015 年才發表。



在 Intel 追加了 Haswell Refresh 之後,Intel Tick-Tock 策略終於要在下半年來到了新一輪的 “Tick”,也就是製程更新的新階段,即將推出的就是使用了 Broadwell 微架構的處理器。原先我們預計應該將會在 9 月 9 日的 IDF 上看到比較完整的 Intel 官方解析,不過相當意外的 AnandTech 公開了一份簡報,稱 Intel 日前提早放出了出了一部份 Broadwell 處理器架構的預覽,讓我們能大致上了解接下來性能與功耗上的改進。

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這次提前放出的,主要提到的是超低功號的 SoC 型 Broadwell-Y 處理器,未來的品牌型號會以 Core M 為名。至於為什麼會先以 Broadwell-Y 作為預覽的第一砲,大概還是以目前市場還是以行動裝置為熱門,Intel 在此時放出高性能低耗電的 Broadwell-Y 的資料或許將有助於提振投資人士氣。

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大致上來說,Core M 主要的方向還是增強性能、降低耗電。另外 Intel 不斷透過一些新設計來縮小封裝尺寸,包含了處理器外部的 PCB 基板封裝以及處理器的本身的厚度,對於裝置要進一步縮小,這樣的修改也變得相當必需。這種由外而內整體的微縮,Intel 稱之為 outside-in system design。

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▲由左而右:Broadwell-Y (Core M), Broadwell ULT/ULX 與 Haswell ULT/ULX

Broadwell 在 CPU 部分最為大家所知的就是會引入 14nm 製程,作為一個新一輪 Tick-Tock 循環的開始,簡單的來看就像是替會導入全新微架構的 Tock 產品做試金石,如同我們熟知的 Ivy Bridge 一般。

即便如此,Intel 同常不會只甘於將前一代的架構原封不動的 port 到新製程內。由簡報來看,Broadwell 還是會有性能的成長,IPC (Instructions Per Cycle) 大致上會比現有的 Haswell 再高 5%。如何提高這 5%,主要來自於 out-of-order schedulers 的擴張,讓更多指令可以被重新排程執行,同時 L2 的 TLB (Translation Lookaside Buffer,轉譯後備緩衝區)也擴張,增加定址轉譯的命中率。此外在分支預測上的改進也讓 Broadwell 執行的效率更高。

為了提高能源效率,在 Broadwell 處理器上,Intel 預想了性能耗電比設定為為 2:1 ,也就是說提升 2% 的性能不能夠耗費超過 1% 的功耗提升,相比之下前一代 Haswell 大約是 1:1 左右。不過即使在過去性能大躍進的時期大不過就是 1:1 左右,是否能達到 2:1 就要看 Intel 到底能整合那些性能優化到 Broadwell 內。

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同樣的 Tick-Tock 策略也大致上適用在 Intel 的整合 GPU 上,接下來 Broadwell 內的 GPU 基本上也還是沿用自 Ivy Bridge、Haswell 的 GPU 架構一脈相承,加上更多的功能、更多的優化。

Broadwell GPU 將會支援最新的 API 支援到了 DirectX feature level 11_2 ,與目前的獨立 GPU 幾乎是平起平坐甚至是超前了某部分現行 GPU 的 API 支援性。同時 Broadwell 整合 GPU 將會支援 OPENCL 2.0,包含了 shared virtual memory,能幫助 OPENCL 開發者能夠更好的利用上 CPU 與 GPU 間的記憶體共用而不是複製來複製去無端浪費性能。

內部架構的部分,正如同前面所說,整體並沒有大改,而是重新調整每個 SUB-SLICE 內的 EU 數量,由 HASWELL的 10EU 調整到 8EU,而兩代 Y 等級處理器的相比較之下,使用 GT2 組態的 Haswell-Y 具有 2 x 10 = 20 個 EU,但在 Broadwell-Y 內將會具有 3 x 8 = 24 個 EU。除了 EU 整體總量的提升以外,也提升內部 Sampler 吞吐量達 25%,以及其他 ROP、L3 Port、Z fill-rate 等升級。

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雖然 Intel 並沒有細說整體升級會達到怎樣的程度,但相信有可能會跨階級來到了 Haswell GT3 的程度,同時拿了 14nm 的好處下修 GPU 功耗。不過 Intel 縮減功耗也不是只有靠下修製程這一招,Intel 將會引入 DUTY CYCLE CONTROL 工作週期控制,由於電晶體需要一定的電壓才能開啟,也就是說 Idle 時的電壓下降調整幅度是有下限的,這也影響到了功耗下限,因此 Intel 使用了控制 DUTY CYCLE 這種少見的方法,有點像 PWM 般,會有週期性的開關,最低可以到 12.5%。透過硬體線路的顯示控制器與 Clock Domain 分離,加上驅動的配合讓使用者不會感覺到 GPU 開關行為的存在。根據目前的資料來看,DCC 確定會出現在低耗電的 Broadwell-Y,會不會出現在其他組別的 BDW 內倒是沒有明講,但非超低功耗訴求的組別似乎也是不太需要。

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其他的顯示提升,INTEL 也提到了 QuickSync、Video Quality Engine 的改進,也將支援 H.264 編碼。I/O 部分將會支援 HDMI 1.4、DP 1.2/eDP 1.3a,代表可以支援 4K 顯示能力。雖然 Haswell 早就已經可以支援 4K,但是在 Y 級內並沒有辦法達成,因此在 BDW-Y 可以進行 4K 顯示算是級距內的大躍進。不過以現況來看,別期待在 4K 下的圖形性能會有多強大的表現,但影片播放類型的應用基本上還是可以滿足的。

在架構以外,從整體來看 Core M 處理器,Intel 一開始就是要將它打造為適合 Fanless 的產品,更精確地來說,是一款 5 瓦以下,可以讓一台 10 吋以及 10 mm 厚度以下的 Tablet 順暢的被動散熱。

我們前面所知的種種作為以外,Broadwell-Y 的 14nm 製程是特別針對低功耗目的進行優化,電容、操作電壓都比常規的 14nm 還要再低 10%,另外在 Broadwell-Y 上面的 Tjmax 也限制在較低的範圍,這樣一來操作溫度範圍下降也就可以間接縮小因為熱而增加的漏電流。

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Broadwell-Y 搭配的 PCH 與處理在在同一包裝上,由於 PCH 並不算是主要的功耗來源,加上成本考量,其實還是以 32nm 打造。在 BDW-Y 這樣嚴格限制功耗條件的產品上,PCH 當然也有所改良,搭配的 Broadwell PCH-LP,同樣進行了優化,待機功耗縮減了 25%、工作功耗減少 20%,同時比起前代的 HASWELL PCH-LP 相比,加入了更精準的硬體監控,以及更省電但性能更佳的音效 DSP。

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內部供電部分,FIVR 整合穩壓來到了第二代,針對了低電壓工作進行優化以外,實做了非線性 Vdroop 來防止在這種相當低耗電下切換回一般工作時所帶來的電壓過衝(overshoot)間接產生的浪費。比較有趣的是 Gen 2 FIVR 可以進入另一種狀態 LVR,在低耗電/待機模式下,可以將一部份的 FIVR 關掉來進一步節省電源。另一個有趣的部分,BDW-Y 引入了 3DL 模組,也就是將 VRM 所許的電感小型化,直接埋在處理器基板的下方,增加了效率也縮小了整體設計上的的厚度。

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電源優化的最後一部分當然就是在 Power State 的優化,Broadwell-Y 加入了第三個 STATE PL3,能夠允許處理器運作在更高頻率上,增加效能讓工作更快完成後可以更早進入低功耗工作,不過為了保護電池與處理器本身,工作時間是有限制的,大約只在 ms 等級,換另外一個方面來說 PL3 其實就是電池的安全輸出上限,多定義 PL3 可以讓 PL2 就位於電池輸出的安全值,長期來看對於電池壽命是有幫助的。

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整體看起來 Core M 不管在性能與耗電、尺寸上都有著顯著的提升。對於 Intel 來說是挺重要的產品,目前在 ARM based 所擁有的平板、變形平板等裝置有逐漸侵蝕 intel 稱霸的筆電市場的勢頭,雖然說筆電市場不會因此終結,但若要維持領先,以及足夠的出貨量,能在這種跨界市場端出有足夠性能與耗電表現的的牛肉來吸引消費者,正是 Core M 發揮長才的地方。

下半年的 Intel 應該會有相當多可看之處,除了高階的 X99 以外,IDF 我們或許能進一步看到更多 Broadwell 的樣貌。另外接下來的美國假期期間,我們應該就能看到採用 BDW-Y 的相關行動商品出現。至於更高效能表現的 Broadwell 處理器,請等到 2015 再看看吧!

 

(本文由 VR-Zone 授權轉載)

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