نگاهی به توانمندی‌های پردازشی پردازنده‌های اینتل سری Broadwell-U

همراه با آغاز نمایشگاه CES 2015 در ابتدای ژانویه و پس از رونمایی از پردازنده‌های سری Core M در سپتامبر 2014، اینتل طی مراسمی رسما فصلی دیگر از داستان 14 نانومتری خود را این‌بار با تیتر Broadwell-U منتشر کرد؛ مانند پردازنده‌های سری Haswell-U، تمرکز Broadwell-U روی چیپ‌ست‌های دو هسته‌ای با توان مصرفی 15 تا 28 وات بوده که از خانواده Celeron تا Core i7 را در برگرفته و در طراحی واحد پردازش گرافیکی خود، 12 تا 48 واحد اجرایی یا (EU (Execution Unit دارند. پردازنده‌های Broadwell-U از همان سوکت و معماری سری پیش‌تر از خود پشتیبانی کرده و با یک به‌روزرسانی Firmware، برای خدمت و پردازش امور روی سخت‌افزار فعلی آماده می‌شوند؛ مانند هر تغییری در فرآیند تولید، کاهش به 14 نانومتر مزایای غیرقابل‌انکار و ارزشمند خود را به همراه داشته که مواردی همچون ترانزیستورهای بیشتر در واحد سطح، توان مصرفی کمتر و پتانسیل افزایش توان پردازشی را شامل می‌شوند.

 نسلی نو از SKU ها

قبل از آنکه به بخش‌های مختلف پردازنده‌های جدید بپردازیم، بد نیست نگاهی به پردازنده‌های جدید و لیستی که اینتل از مشخصات فنی آنها منتشر کرده داشته باشیم. جدول یک انواع مختلف پردازنده‌های این سری و برخی از مشخصات فنی آنها را نمایش می‌دهد.

با نگاهی به جدول یک درمی‌یابیم که تمامی SKUها به‌جز مدل‌های متعلق به خانواده Pentium و Celeron از فناوری پردازش دو رشته‌ای برای هر هسته یا Hyper Threading سود می‌برند. همچنین دو خانواده یادشده، پردازنده گرافیکی کم‌توان‌تر HD (Broadwell) را با ساختاری متشکل از 24 واحد اجرایی به‌کار می‌گیرند که در عمل نصف واحدهایش غیرفعال شده است. نکته جالب اینکه باوجود حذف Hyper Threading و استفاده از واحد گرافیکی ضعیف شده، بازهم مصرف انرژی این پردازنده‌ها به حداکثر 15 وات (مقدار TDP که با TDP Down متفاوت است) می‌رسد و البته همین مساله به نوعی خیال ما را از تعلق آنها به رده ارزان‌قیمت آسوده می‌کند!مدل‌های15 واتی سری Core i3 ترکیب عجیبی از 23 واحد اجرایی را به‌جای 24 واحد در ساختار خود دارند (به این صورت که یک واحد غیرفعال شده است) که شاید دلیلش عبور مصرف و حرارت تولیدی آنها از مرز انرژی تعیین شده باشد. یکی از نکات مثبت در رابطه با پردازنده‌های گرافیکی سری 6×00، توانایی آنها در به‌کارگیری حافظه‌های LPDDR3 تا فرکانس 1866 مگاهرتز است. تست‌های عملی نشان داده‌اند که یک جهش کوچک در فرکانس RAM می‌تواند به شکل قابل‌توجهی توان پردازش گرافیکی را افزایش دهد، به‌ویژه زمانی که اختلاف سرعت میان پردازنده و حافظه RAM گلوگاه اصلی انتقال داده‌های گرافیکی باشد.مورد دیگر پردازنده i7-5650U با فرکانس پایه 2,2 گیگاهرتز و حداکثر فرکانس 3,1 تا 3,2 گیگاهرتز است که شاید زمانی که آن را در کنار پردازنده i7-5557U با فرکانس پایه 3,1 و حداکثر فرکانس 3,4 گیگاهرتز قرار می‌دهیم اندکی تعجب‌برانگیز باشد، زیرا هر دو قیمت یکسانی دارند. تفاوت در آنجاست که اولی با توان مصرفی 28 وات تاج قدرت پردازشی را بر سر می‌نهد، درحالی‌که مدل 15 واتی با مقادیری کاهش در توان پردازشی، امکان این را دارد که TDP خود را نزدیک به 50 درصد کاهش دهد.

بردهای سیلیکونی

پردازنده‌های Broadwell-U در فرآیند تولید خود در دو سطح (Die) مختلف مشتق شده‌اند. مدل بزرگ‌تر 48 واحد اجرایی گرافیکی را در دو برش (Slice) و با چینش 6×8 کنار هم جای داده و با احتساب هسته‌های پردازش مرکزی و دیگر بخش‌ها، در مجموعه 1,9 میلیارد ترانزیستور روی سطحی به مساحت 133 میلی‌متر مربع دارد. سطح دیگر با 24 واحد اجرایی در یک برش و چینش 3×8، از 1,3 میلیارد ترانزیستور روی 82 میلی‌متر مربع ساخته‌شده است (تصویر 1).

 در ترکیب Die کوچک‌تر و برای برش 3×8، حدود 600 میلیون ترانزیستور در 49 میلی‌متر مربع چیده شده که با یک کسر ساده، 700 میلیون ترانزیستور دیگر (شامل هسته‌های پردازشی، حافظه نهان سطح سه (L3 Cache)، کنترلر حافظه و موارد دیگر) را در 33 میلی‌متر مربع باقیمانده خواهیم داشت. در مقایسه با Haswell-U و برای اینکه دید بهتری از پیشرفت حاصل‌شده داشته باشیم، اینتل عنوان کرده که آن دسته از چیپ‌ست‌های Broadwell-U که مجهز به پردازنده گرافیکی HD 5500 هستند، 240 میلیون ترانزیستور بیشتر از همتای Haswell-U خود با پردازنده گرافیکی HD 4400 دارند. در مدل‌های مجهز به پردازنده گرافیکی HD 6000 این عدد به 600 میلیون ترانزیستور در قیاس با پردازنده‌های نسل قبل با گرافیک HD 5000 می‌رسد. در رابطه با چینش اجزای روی سطح، اینتل مانند Broadwell-Y یا همان Core-M، پل جنوبی سابق (که اکنون به PCH یا Platform Controller Hub تغییر نام داده) را در کنار واحد پردازش مرکزی گذاشته است. در تصویر 2، سمت چپ مدل مجهز به 24 واحد اجرایی (ساختار 2+2) و در سمت راست نیز مدل مجهز به 48 واحد اجرایی (ساختار 2+3) مشاهده می‌شود.

توسعه گرافیکی

پردازنده‌های گرافیکی HD 5500، HD 6000 و Iris 6100 با ورود خود فصلی نو از قابلیت‌ها و کاربردهای تازه گشوده‌اند. در این سری، از رابط‌های DirectX 11. 2، OpenGL 4. 3 و OpenCL 2. 0 پشتیبانی شده است. در این میان OpenCL 2. 0 از اهمیت ویژه‌ای در پردازش‌های محاسباتی برخوردار بوده و قابلیت‌های تازه‌ای همچون یکپارچگی حافظه به اشتراک نهاده شده میان پردازنده مرکزی و پردازنده گرافیکی برای انتقال نوع خاصی از ساختار مرتبط با حافظه و در نتیجه آن آغاز محاسبات ناهمگن و مشترک میان این دو واحد پردازشی را به عرصه حیات می‌آورد. DirectX 12 هم خود مورد جالبی است، اگرچه به‌طور کامل و تمام و کمال در این سری از گرافیک‌ها پیاده‌سازی نشده، اما اینتل تا آنجایی که روابطش با مایکروسافت امکان می‌داده، ویژگی‌های این نسخه را پشتیبانی کرده و بر مجموعه آنها برچسب “DirectX 12 Ready” نهاده است. وضوح تصویر 4K نیز اکنون از طریق رابط HDMI 1. 4b پشتیبانی می‌شود، اگرچه فرکانس آن به 24 هرتز محدود شده است. در نهایت اینکه فرمت فشرده‌سازی ویدئویی HEVC به شکل هیبریدی یعنی با ترکیبی از سخت‌افزار و نرم‌افزار پیاده‌سازی شده است.

برش‌های پردازشی

تصویر 3 نحوه پیاده‌سازی یک پردازنده گرافیکی HD 6000 را با هر 48 واحد اجرایی آن نشان می‌دهد، به‌گونه‌ای که تمامی واحدها در چیدمان 6×8 مرتب شده‌اند (در دو برش 24 واحد قرارگرفته و این 24 واحد نیز خود به زیرمجموعه‌های هشت‌تایی دسته‌بندی می‌شوند).

 هر واحد اجرایی قادر است هفت رشته داده 32 بیتی با فرمت 128xSIMD8 را به‌طور همزمان پردازش کند که توان پردازشی قابل‌ملاحظه‌ای برای یک واحد گرافیکی مجتمع محسوب می‌شود. اینتل برای Broadwell و در هر زیرمجموعه، تعداد واحدهای اجرایی را از 10 به 8 عدد کاهش داده که تغییر مهمی به شمار می‌آید. به‌این ترتیب فرآیند انتخاب و آماده‌سازی رشته‌های پردازشی ساده‌تر شده و هجوم اطلاعات به هر زیرمجموعه برای پردازش و در نتیجه فشار وارده به هر واحد اجرایی کاهش می‌یابد. هر برش یک حافظه نهان سطح 3 دارد که میزان آن از 384 کیلوبایت در نسل قبل به 576 کیلوبایت در این نسل (نسل هشتم) افزایش‌یافته است. هر زیرمجموعه یک قطعه 64 کیلوبایتی سهم می‌برد و 348 کیلوبایت مابقی نیز به ارتباطات درونی و میان زیرمجموعه‌ها تخصیص می‌یابد (تصویر 4).

 فلسفه و دلیل وجودی حافظه‌های نهان، فراهم کردن فضای ذخیره‌سازی پرسرعت (نسبت به حافظه RAM) است که البته به‌واسطه هزینه ساخت بالای آن، حجم بسیار محدودی دارند. این حافظه‌ها بر مبنای الگوریتمی کار می‌کنند که می‌تواند داده‌های مورد نیاز برای ادامه پردازش را پیش‌بینی و بازخوانی کند و همین پیش‌بینی است که در کنار سرعت پاسخ‌دهی بالای حافظه نهان، سرعت پردازش را افزایش می‌دهد. پردازنده‌های گرافیکی تشنه پهنای باند هستند و اینتل با طراحی چهار مرحله حافظه نهان (Cache) برای واحد گرافیکی و افزایش حجم حافظه نهان سطح سه، به این عطش بی‌پایان به‌خوبی پاسخ داده است.

همپوشانی با Core-M

گونه بسیارکم مصرف و 4,5 واتی Broadwell که به Core-M معروف شده، حدود سه ماه است که در قالب سیستم‌هایی چون Lenovo Yoga 3 Pro در بازار دیده می‌شود. اگرچه تنوع مدل و همچنین گستره و عرضه جهانی جمع‌وجوری داشته و دستگاه‌هایی هم که به همراهش عرضه شده‌اند غالبا مدل‌های گران‌قیمتی هستند. در مقابل Broadwell-U گستره وسیع‌تری داشته و با SKU های متعددی که برای نیازهای پردازشی مختلف عرضه می‌کند، از سیستم‌های خوش قیمت با پردازش معمول تا مدل‌های گران‌قیمت و خاص را پوشش می‌دهد (تصویر 5).

 جالب اینکه مدل‌هایی که TDP قابل پیکربندی یا cTDP آنها به 7,5 وات می‌رسد، از نظر‌ قیمت همپوشانی جالبی با Core-M پیدا می‌کنند. پردازنده‌های Celeron و Pentium به ترتیب با قیمت 100 و 160 دلار می‌آیند و پس از آن قیمت Broadwell-U با یک پرش اساسی روبه‌رو می‌شود. خانواده Core i3 و Core i5 با توانی میان 15 تا 28 وات فضای میان 275 تا 315 دلار را پر می‌کنند و خانواده قدرتمند Core i7 نیز قیمتی بین 393 تا 426 دلار دارد.

عرض اندام Broadwell-U

سخن گفتن از Broadwell-U بی‌آنکه اشاره‌ای به عملکرد واقعی آن داشته باشیم کار بیهوده‌ای است. با وجودی که امکان تست عملی آن را در حال حاضر نداریم، اما می‌توانیم به آنچه اینتل منتشر کرده است بسنده کنیم. تا به اینجا از تعداد ترانزیستورها و توان مصرفی سخن گفتیم و حال زمان آن رسیده به سراغ اعداد و ارقام کارآیی برویم. در مقایسه با Haswell-U، از آنجا که معماری پردازنده تغییری نکرده و صرفا فناوری ساخت بهبودیافته، در کاربردهای روزمره و معمول جهش توان محاسباتی آن‌چنانی نخواهد بود و صرفا به چهار درصد می‌رسد که آن‌هم با تغییراتی همچون (TLB (Transaction Lookaside Buffer سطح دو با حجم بزرگ‌تر و عملکرد بهتر، Floating Point Multiplier سریع‌تر و برخی موارد دیگر حاصل‌شده است. حرکت به‌سوی فرآیند ساخت فشرده‌تر و ترانزیستورهای کوچک‌تر، اثر خود را به‌خوبی در میزان توان مصرفی به ازای کارآیی مشابه نشان می‌دهد، چرا که ولتاژ مورد نیاز ترانزیستورها و اتلاف انرژی، با کم شدن مسافت میان اجزا کاهش می‌یابد. به‌هرحال، بزرگ‌ترین تغییرات در بخش گرافیک روی می‌دهد. اینتل اعلام کرده قدرت پردازنده گرافیکی HD 5500 در نرم‌افزار تست 3DMARK نسبت به HD 4400 تا 22 درصد بیشتر بوده و همچنین در تبدیل فرمت‌های ویدئویی و به روایت برنامه Cyberlink MediaEspresso افزایش سرعت فشرده‌سازی به 50 درصد می‌رسد (تصویر 6).

 اینتل برای آن دسته از کاربرانی که پس از مدت‌زمان طولانی قصد به‌روزرسانی لپ‌تاپ قدیمی خود را دارند نیز جهش کارآیی و توان پردازشی در امور مختلف را به تصویر کشیده تا به آنها دید و انگیزه خوبی برای مهاجرت به‌سوی نسل جدید بدهد. برای اینکه مقایسه مناسبی داشته باشیم، اینتل پردازنده i5-5300U را با پردازنده i5-520UM (که در میانه سال 2010 رونمایی شده) مقایسه کرده است (تصویر 7).

 کاربردهای روزمره همچون مرور وب، کار با مجموعه آفیس، ارسال و دریافت ایمیل و مشابه آن سربار پردازشی زیادی نداشته و به پردازنده‌های قدرتمند نیازی ندارند. برای همین این بخش تنها 2,5 برابر افزایش سرعت را تجربه می‌کند. بیشترین افزایش کارآیی سهم پردازش سه‌بعدی و بازی‌هاست که منابع سیستم زیادی نیاز دارند و جهش12 برابری آن در این نسل کاملا وسوسه‌انگیز است. مورد جالب بعدی به بیدار شدن سیستم از حالت Standby مربوط می‌شود که به گفته اینتل نسبت به چهار سال پیش، سیستم 9 بار سریع‌تر از حالت Standby به حالت آماده فعالیت وارد می‌شود.کمترین میزان رشد هم به عمر باتری می‌رسد که البته مورد تازه‌ای نیست، چرا که سرعت لاک‌پشتی رشد فناوری باتری‌ها در کنار جهش فضایی فناوری پردازشی همواره محل بحث‌های بسیاری بوده و ما هم قصد نداریم بیش از این به آن بپردازیم. البته کاهش چشمگیر توان مصرفی پردازنده‌ها و یکپارچه‌سازی بخش‌های مختلف روی سطح سیلیکونی (که منتهی به شکل‌گیری SoC می‌شود) این نقصان را تا حد بسیاری جبران می‌کند. در مورد Broadwell-U نیز دو برابر شدن عمر باتری چیزی نیست که بشود به‌سادگی از آن گذشت؛ زیرا این مساله به‌ویژه برای کاربرانی که به‌واسطه نوع فعالیت‌شان، جابه‌جایی مستمر داشته و دسترسی به پریز برق ندارند، بسیار مهم خواهد بود.

امکانات صوتی و باتری

فارغ از کامپیوترهای All-In-One و mini-desktop ها که در کاربری‌شان جابه‌جایی خاصی تعریف نشده، مابقی سناریوها و دستگاه‌های پیشنهادی اینتل برای Broadwell-U همگی کاربرد موبایل دارند و در نتیجه مدیریت انرژی و مصرف باتری یکی از اصلی‌ترین فاکتورهای سنجش ارزش آنهاست. از گذشته تا به امروز دو پارامتری که برای ارزیابی این مساله به آن رجوع شده، میزان کارآیی واقعی به ازای وات مصرفی و Time-to-Sleep است. عبارت Time-to-Sleep زمانی است که پس از طی شدن آن، اجزای بیکار سیستم به حالت کم مصرف رفته یا کاملا خاموش می‌شوند. اینتل برای سنجش عمر باتری دو شرایط مختلف را در نظر گرفته است. حالت بیکاری که در آن کامپیوتر روشن بوده و کاربر کار خاصی با سیستم انجام نمی‌دهد (صفحه‌نمایش روشن باقی می‌ماند) و حالت دیگر زمانی که سیستم یک فایل ویدئویی HD را پخش می‌کند. در هر دو حالت روشنایی صفحه‌نمایش روی 100 nit تنظیم‌شده و سیستم عامل مورد استفاده نیز ویندوز 8,1 است (تصویر 8).

در حالت بیکاری و در مقایسه با Haswell-U، باتری 60 دقیقه بیشتر دوام می‌آورد که معادل افزایشی 11 درصدی است. بیشتر این رشد را مدیون روش‌های بهینه‌سازی انرژی است که توسط پردازنده به‌کاررفته است. البته مصرف انرژی بسیاری بخش‌ها ازجمله PCH نیز به نصف کاهش‌یافته که همین خود مورد موثر دیگری به‌شمار می‌آید. برای نمایش فایل ویدئویی HD افزایش 20,8 درصدی را می‌بینیم که به 90 دقیقه زمان پخش بیشتر منتهی می‌شود.عمده چنین جهشی به‌واسطه پردازنده صوتی یا DSP (Digital Signal Processor) قدرتمند و جدیدی است که اینتل در درون PCH جای‌داده است. به این ترتیب راهکارهای غیرحرفه‌ای (و نه گونه‌های حرفه‌ای) شرکت‌هایی چون Realtek برای پردازش صدا از سطح مادربرد جمع‌آوری شده و اینتل با ارائه راهکار خود، مدیریت انرژی و راندمان خروجی را به شکل بهتر و بهینه‌تری در دست می‌گیرد. البته میزان مصرف انرژی DSP رابطه مستقیم باکیفیت محتوای صوتی دارد که جهت پردازش به سمت آن فرستاده می‌شود، به‌این معنا که فایل‌هایی باکیفیت و نرخ داده بالاتر انرژی بیشتری را طلب می‌کنند.

پل جنوبی قدیم!

تصمیم اینتل برای یکی کردن واحد پردازش مرکزی و PCH روی یک برد به سازندگان امکان می‌دهد تا طراحی خود را در ابعاد و فضایی کمتر از گذشته انجام داده و با داشتن امکان کنترل بهتر انرژی مصرفی، جابه‌جایی میان کارآیی بالاتر یا مصرف انرژی بهینه‌تر را به‌سادگی ممکن سازد. البته سازندگان همچنان می‌توانند با قرار دادن قابلیت‌های ارتباطی و مرتبط با IO خاص و متفاوت، میان خود و دیگر سازندگان تمایز قائل شوند (تصویر 9).

 در ساختار نسل تازه PCH این سری توجه به مدیریت انرژی در اولویت بوده و مسیرهای انتقال داده و بخش‌های بیکار بهتر از قبل غیرفعال شده و جریان انرژی آنها قطع می‌شود. فعال شدن سیستم و خروج از حالت Sleep باقابلیت Wake on Voice و با مصرف انرژی بسیار اندک نیز ویژگی جذاب دیگری است که می‌تواند واقعا کاربردی باشد. چیپ‌ست PCH نسل پنجم از چهار پورت SATA نسل سه با سرعت شش گیگابیت بر ثانیه، چهار پورت USB 3. 0، هشت پورت USB 2. 0، یک رابط PCIe 2. 0 با سرعت 4X و 12مسیر انتقال داده PCIe 2. 0 که می‌توانند در قالب شش پورت مختلف تعریف شوند پشتیبانی می‌کند. همچنین Broadwell-U حداکثر 16 گیگابایت حافظه RAM با استاندارد DDR3L و LPDDR3 را شناسایی می‌کند. در بحث رابط‌های تصویری البته هنوز خبری از HDMI 2. 0 نبوده و باید به HDMI 1. 4b و قابلیت‌هایش رضایت دهیم!

Wireless Display 5. 1

فناوری انحصاری ارتباط رسانه‌ای اینتل به نسخه 5,1 به‌روزرسانی شده و کاربران می‌توانند از انتقال محتوای صوتی و تصویری با وضوح 4K نهایت لذت را ببرند. یکی از نقاط ضعف بزرگ WiDi در نسل‌های پیشین بحث امنیت آن برای کاربردهای تجاری بود. به همین دلیل در این نسخه توجه بیشتری به حفظ امنیت، حریم شخصی و امکانات کنترلی ضروری برای کاربردهای حرفه‌ای شده است. خوشبختانه برای استفاده از ویژگی‌های نو نیازی به تغییر آداپتور WiDi نبوده و یک به‌روزرسانی ساده درایور مشکلات را حل‌وفصل می‌کند.

بهبود اتصال بی‌سیم

آخرین موردی که به آن می‌پردازیم، دومین نسل از آداپتورهای شبکه Wi-Fi 802. 11ac اینتل است که با مهندسی انجام‌شده روی آنها انتظار می‌رود سریع‌تر، پایدارتر، کم‌حجم‌تر (به لحاظ ابعادی روی برد اصلی) و کم‌مصرف‌تر از نسل پیشین خود باشد. این آداپتور که به‌نام AC 7265 شناخته می‌شود، به‌روزرسانی AC 7260 به‌کاررفته در Haswell بوده و از سیستم‌های موبایل گرفته تا دسکتاپ را در برمی‌گیرد. ابعاد آن 16×12 میلی‌متر بوده و در حالت بیکاری تا 50 درصد و در زمان استفاده ممتد تا 30 درصد انرژی کمتری را نسبت به برادر بزرگ‌تر خود طلب می‌کند. این در حالی است که کیفت انتقال داده آن در مقایسه با نسل قبل15درصد بهبودیافته است. البته شرکت‌های سازنده الزامی برای وارد کردن راهکار اینتل به طراحی خود ندارند و می‌توانند به میل خود از آداپتور شبکه دیگر تولیدکنندگان در دست‌پخت نهایی‌شان استفاده کنند.