Обзор и тест процессора Intel Core i9-9920X: Skylake-X в массы27.12.2018 09:06

Вступление

Появление процессоров Skylake-X скорее вопрос маркетинга, чем здравого смысла. Нововведений в них почти нет, а все отличия от предыдущей линейки раскрываются несколькими словами: больше кэш-памяти, все новинки обеспечивают 44 линии PCI-e, выше тактовые частоты.

500x378 45 KB. Big one: 2500x1891 775 KB

За кадром остаются мелкие улучшения, в числе которых исправление главной ошибки Intel — применение обыкновенной термопасты под крышкой. Теперь там специальный состав, или по-простому — припой. А чтобы все процессоры с новыми частотами и большим объемом кэш-памяти укладывались в TDP, его привели к единому значению — 165 Вт.

Тонкости техпроцесса

Как и любое производство, корпорация Intel умеет считать деньги. Переход на нормы 10 нм сопровождают не только текущие расходы на перенос дизайна с 14 нм на 10 нм, но и закупка оборудования, пуско-наладочные процессы и многое другое.

Однако несправедливо списывать 14 нм техпроцесс раньше времени. Изначально критерием перехода на более тонкий процесс была экономическая обоснованность: меньше размер кристалла — больше можно сделать CPU. Но, с другой стороны, не любой тип размещения транзисторов можно сжимать без потери. А эти потери приводят к возрастающим токам утечки (лавинообразно растет тепловыделение), теряется способность работы процессора на высоких частотах, высок риск получить большой процент негодных образцов. Для борьбы с данным эффектом используют несколько инструментов, но во главе всегда стоит компоновка транзисторов, толщина диэлектрика, использование затвора-пустышки и многое другое.

Переход с 14 нм на 14+ нм, и далее на 14++ нм происходил с учетом накопления опыта и статистики производства. Для наглядности посмотрим на эволюцию техпроцессов и к чему она пришла, так как основная идея — донести до вас понимание, что не все заявленные 7–10 нм являются истиной. Вообще, технология FinFET ограничена токопроводящей высотой ребра. FinFET за счет использования трехмерного затвора транзистора в форме плавника повышает эффективную ширину затвора при сходной площади логической ячейки, что позволяет разместить большее число логических цепей. Беглый анализ плотности упаковки транзисторов показывает, что Intel несколько отстала от конкурентов, в том числе и основного. Поэтому компания внимательно отнеслась к анализу архитектуры Zen, но сейчас не об этом. Ведь пока на ее стороне более высокая частота эффективной работы ядер.

Привычный вид обозначений расстояний в транзисторах (High Power)

Увы, сравнить лоб в лоб размерную решетку транзистора Intel и AMD не получится. Данные по производству AMD слишком усидчиво скрывает. Хотя некоторые размеры все же просочились в сеть.

Например, беглое сравнение используемого 14 нм техпроцесса конкурентов дает следующие цифры:

	Intel	GF
Литография	193 нм	193 нм
Тип экспозиции	SADP	SADP
Размер вафли	300 мм	300 мм
Название	FinFet	FinFet
Напряжение	0.7 В	0.8 В
Fin Pitch (расстояние между эмиттером и коллектором транзистора)	42 нм	42 нм
Fin Width (толщина ребер от подложки в слое оксида)	8 нм	10 нм
Fin Hight (высота ребер)	45 нм	25 нм
Gate Length (длина затвора)	20 нм	26 нм
Metal Pitch (расстояние между двумя слоями металлизации)	52 нм	64 нм

14 нм техпроцесс Intel претерпел три стадии оптимизации. Да и сама компания чуть ли не первой освоила его для High Power микросхем.

Массовое производство первой итерации 14 нм было освоено на процессорах Broadwell и Skylake. Впоследствии вторая оптимизация заключалась в увеличении рабочих частот, повышение рабочих токов (на 12%), уменьшение энергопотребления. Она пришлась на процессоры Kaby Lake и Skylake SP/X. Третий апгрейд принес способность переварить токи на 24% выше второй итерации и еще раз снизить энергопотребление. А также увеличилось расстояние между эмиттером и коллектором транзистора.

14 нм техпроцесс AMD изначально разрабатывался инженерами IBM, и прицел был на большие и мощные чипы размером до 700 мм² и до 17 слоев металлизации. Разработка 7 нм техпроцесса была свернута вследствие высокой стоимости, и теперь AMD будет заказывать производство у Samsung либо TSMC. Обновление в виде 12 нм на архитектуре Zen+ ни что иное как »+» у Intel. Другими словами, сейчас GF находится на второй стадии оптимизации 14 нм техпроцесса.

Предполагаемая дата освоения 10 нм процесса у Intel была сдвинута из-за проблем и совершенно точно всех подробностей мы не узнаем. Хотя некоторые данные все же находятся по характеристикам будущих транзисторов в кристаллах.

	Intel	TSMC
Литография	193 нм	193 нм
Тип экспозиции	SAQP	SAQP
Размер вафли	300 мм	300 мм
Название	FinFet	FinFet
Напряжение	0.7 В	0.7 В
Fin Pitch (расстояние между эмиттером и коллектором транзистора)	34 нм	36 нм
Fin Width (толщина ребер от подложки в слое оксида)	7 нм	10 нм
Fin Hight (высота ребер)	53 нм	25 нм
Gate Length (длина затвора)	?	?
Metal Pitch (расстояние между двумя слоями металлизации)	36 нм	44 нм

Вообще 10 нм для Intel будет важным шагом так как придется изменить многие принципы, хотя, казалось бы, сложностей должно быть не больше, чем переход от 20–22 нм на 16–14 нм. Но нас ждет так много интересного, что компания взяла паузу на полгода. А открытые нюансы совершенно точно указывают на целый ком проблем при освоении 10 нм. План перехода позволит увеличить в 2.7 раза плотность, представить третье поколение FinFET, использовать иную технологию в производстве (Self-Aligned Quad-Patterning), поместить точку контакта через активный затвор (COAG), внедрить кобальт.

Предполагаемые размеры транзистора Intel на 10 нм.

Предполагаемые размеры транзистора TSMC на 7 нм.

Предполагаемые размеры транзистора GF на 7 нм.

Таким образом 10 нм техпроцесс Intel не только сопоставим с 7 нм техпроцессом TSMC и GF, но даже превосходит их по многим параметрам. Каким он будет в деле, мы скорее всего узнаем только в 2019 году.

Эволюция процессорных ядер Intel

За годы архитектура процессоров Intel не претерпела существенных изменений. Наоборот, компания придерживается плана адаптации базовых принципов и улучшает, добавляет, расширяет определенные блоки в процессорах.

Там, где не хватает кэш-памяти — ее добавляют, узкие места стараются изменить. Планомерно ядро CPU усложняется и к чему это приведет ответить сложно. Для примера, Intel использует универсальный планировщик (Int/FP), AMD разделяет данные по типу, поэтому в ядре Zen 2 планировщика с общим кэшем. Вот на таких отличиях и выявляются разные подходы инженеров.

К тому же меняются и сами задачи. Сейчас толк от AVX 512 равен 0 или 0,001, но также говорили про MMX, SSE инструкции, а в итоге ими активно пользуются. Не за горами активное использование размещения разных кристаллов на 1 подложке через активный «Interposer».

Настройки материнских плат

Еще 3–4 года тому назад никто бы не сомневался, устанавливая процессор в материнскую плату, что он может работать неправильно. Но со временем производители материнских плат начали хитрить, устанавливая более долгий период повышенного энергопотребления.

Это привело к автоматическому разгону процессоров и лишней заботе пользователю, потому что отводить тепло не так-то просто, когда стандартный куллер рассчитан на 95–100 Вт, а у нас мини-печка на 160 Вт. И самое главное, что мысль производителей ясна — повысить быстродействие, но вот незадача, отыскать все пункты в меню BIOS и привести процессор к номинальному режиму теперь стало едва ли не сложнее, чем его разогнать.

Наш тестовый образец Intel Core i9 9920X с 3 обновлениями BIOS постоянно расходовал 180 с хвостиком ватт. Отчаянные поиски настроек BIOS привели меня к следующим открытиям.

Во-первых, главная настройка всегда спрятана в раскрывающимся меню.

Enhanced Turbo только отключает повышенный множитель для 100% загрузки всех ядер.

Остальные параметры внезапно отключены по-умолчанию. Это Adaptive Thermal Monitor, C-State, C1E Support, C State Limit, а настройки Long Duration Power Limit, Long Duration Maintained, Short Duration Power Limit имеют непонятное значение Auto. К тому же MSI предлагает самостоятельно высчитать CPU Current Limit.

И все бы хорошо, но компания Intel не делится с покупателями информацией о частотах, лимитах, токах и т.п. Поэтому вы как Жак Ив Кусто исследуете глубины разгона или выставляете номинальные значения просто тыкая пальцем в небо.

340x600 101 KB. Big one: 650x1145 267 KB

Оставляя эти значения на усмотрения материнской платы Core i9 9920X все равно превосходил заявленное энергопотребление на 20–25 ватт. Зато частоты стали похожи на нормальные и под 100% нагрузкой без AVX 512 процессор опускался до частоты 3600 МГц, а с AVX 512 — 3100 МГц.

Технические характеристики

Модель	Базовая частота, ГГц	Частота Turbo, ГГц	Объем кэша L3, Мбайт	Рекомендованная цена, $
Core i9–7900X → 9900X	3.3 → 3.5	4.3–4.5 → 4.4–4.5	13.75 → 19.25	989
Core i9–7920X → 9920X	2.9 → 3.5	4.3–4.4 → 4.4–4.5	16.50 → 19.25	1199 <- 1189
Core i9–7940X → 9940X	3.1 → 3.3	4.3–4.4 → 4.4–4.5	19.25	1399 <- 1387
Core i9–7960X → 9960X	2.8 → 3.1	4.2–4.4 → 4.4–4.5	22.00	1699 <- 1684
Core i9–7980XE → 9980XE	2.6 → 3.0	4.2–4.4 → 4.4–4.5	24.75	1999 <- 1979

В данной таблице отражены главные изменения в базовой частоте, Turbo режимах, рост кэш-памяти и незначительные снижения ценников.

Тестовый стенд

Тестовая конфигурация (Intel Skylake-X)

500x545 69 KB. Big one: 2500x2728 1680 KB

Материнская плата: MSI MEG X299 Creation (Intel X299, LGA 2066);
Система охлаждения: система водяного охлаждения;
Термоинтерфейс: Arctic Cooling МХ-2;
Оперативная память: DDR4, 4 модуля x 8 Гбайт;
Видеокарта: NVIDIA GeForce RTX 2080;
Накопители:
- SSD Intel Optane 905P 480 Гбайт;
- SSD Samsung 960 Evo, 500 Гбайт;
- SSHD Seagate Desktop 4 Тбайт;
Блок питания: Corsair AX1500i, 1500 Ватт;
Операционная система: Microsoft Windows 10×64 1809.

Процессоры и режимы их работы:

Core i9–7900×3.3 ГГц, Turbo Boost до 4.3 ГГц, число ядер 10, число потоков 20;
Core i9–9980XE 3.0 ГГц, Turbo Boost до 4.4 ГГц, число ядер 18, число потоков 36;
Core i9–7900X @4.5 ГГц, 45×100 МГц;
Core i7–9980XE @4.5 ГГц, 45×100 МГц.

Частота памяти и тайминги:

Intel Core i9–9980XE @4.5	3400 МГц, 16–16–16–36–2T
Intel Core i9–9920X @4.5	3400 МГц, 16–16–16–36–2T
Intel Core i9–7900X @4.5	3400 МГц, 16–16–16–36–2T
Intel Core i9–9980XE	2666 МГц, 17–18–18–36–2T
Intel Core i9–9920X	2666 МГц, 17–18–18–36–2T
Intel Core i9–7900X	2666 МГц, 17–18–18–36–2T

Тестовая конфигурация (Intel Coffee Lake)

500x600 65 KB. Big one: 2500x3010 1641 KB

Материнская плата: ASUS ROG Maximus X Formula (Intel Z370, LGA 1151);
Система охлаждения: система водяного охлаждения;
Термоинтерфейс: Arctic Cooling МХ-2;
Оперативная память: DDR4, 2 модуля x 8 Гбайт;
Видеокарта: NVIDIA GeForce GTX 1070;
Накопители:
- SSD Intel Optane 905P 480 Гбайт;
- SSD Samsung 960 Evo, 500 Гбайт;
- SSHD Seagate Desktop 4 Тбайт;
Блок питания: Corsair AX1500i, 1500 Ватт;
Операционная система: Microsoft Windows 10×64 1809.

Процессоры и режимы их работы:

Core i7–8700K 3.7 ГГц, Turbo Boost до 4.7 ГГц, число ядер 6, число потоков 12;
Core i7–8086K 4.0 ГГц, Turbo Boost до 5.0 ГГц, число ядер 6, число потоков 12;
Core i7–8700K @5.0 ГГц, 50×100 МГц;
Core i7–8086K @5.1 ГГц, 51×100 МГц.

Частота памяти и тайминги:

Intel Core i7–8086K @5.1	3400 МГц, 16–16–16–36–1T
Intel Core i7–8700K @5.0	3400 МГц, 16–16–16–36–1T
Intel Core i7–8086K	2666 МГц, 17–18–18–36–1T
Intel Core i7–8700K	2666 МГц, 17–18–18–36–1T

Тестовая конфигурация (Intel Coffee Lake Refresh)

500x600 65 KB. Big one: 2500x3008 1396 KB

Материнская плата: ASUS ROG Strix Z390-E Gaming (Intel Z390, LGA 1151);
Система охлаждения: система водяного охлаждения;
Термоинтерфейс: Arctic Cooling МХ-2;
Оперативная память: DDR4, 2 модуля x 8 Гбайт*;
Видеокарта: NVIDIA GeForce GTX 1070;
Накопители:
- SSD Intel Optane 905P 480 Гбайт;
- SSD Samsung 960 Evo, 500 Гбайт;
- SSHD Seagate Desktop 4 Тбайт;
Блок питания: Corsair AX1500i, 1500 Ватт;
Операционная система: Microsoft Windows 10×64 1809.

Процессоры и режимы их работы:

Core i9–9900K 3.6 ГГц, Turbo Boost до 5.0 ГГц, число ядер 8, число потоков 16;
Core i7–9700K 3.6 ГГц, Turbo Boost до 4.9 ГГц, число ядер 8, число потоков 8;
Core i9–9900K@ 5.0 ГГц, 50×100 МГц;
Core i7–9700K@ 5.0 ГГц, 50×100 МГц.

Частота памяти и тайминги:

Intel Core-i9 9900K @5.0	3400 МГц, 16–16–16–36–1T
Intel Core-i7 9700K @5.0	3400 МГц, 16–16–16–36–1T
Intel Core-i9 9900K	2666 МГц, 17–18–18–36–1T
Intel Core-i7 9700K	2666 МГц, 17–18–18–36–1T

Разгон

Разгон процессоров линейки Skylake-X предполагает несколько этапов, поскольку ограничителями внутри служат целых три составляющих: базовая частота при простых математических операциях, с использованием команд AVX 2 и наиболее трудоемкая задача — обработка AVX 512.

Разгон Core i9–9920X без AVX 512 очень напоминает день сурка. Все процессоры Skylake-X без ограничения по току в среднем разгоняются до 4.4–4.6 ГГц. Да, Core i9–9920X содержит только 12 ядер, в то время как у протестированного ранее Core i9–9980XE их 18, поэтому номинальное значение TDP пусть и одинаково выглядит на бумаге, на деле сильно различается.

316x600 185 KB. Big one: 1048x1990 166 KB

Нормальная теплопередача — залог уверенного разгона. Отметка 4.5 ГГц стала стеной для нашего экземпляра. На частоте 4.6 ГГц наблюдалось нестабильное поведение, а поднять напряжение еще на 0.025 В не позволял нагрев.

Стресс-нагрузка с AVX 512.

Новые инструкции серьезно нагружают вычислительные блоки, при этом тепловыделение при всех идентичных настройках для AVX 512 на 15–20°C выше. Даже при напряжении всего 1.25 В и частоте 3.5 ГГц процессор близок к перегреву.

316x600 206 KB. Big one: 1050x1993 204 KB

Энергопотребление любого процессора, предназначенного для платформы LGA 2066, отпугнет потенциального покупателя. Для разгона понадобится действительно эффективная система охлаждения. Но, позвольте, тогда почему Intel рекомендует СО номиналом 165 Вт?

Итак, существует несколько позиций PL (Power Level). Одни поддерживают работу на высокой частоте продолжительное время, а другие — только на короткий промежуток. Время задержки ядра на измененной частоте называется Tau. Эти параметры производители материнских плат называют как угодно, только не в соответствии с описанием Intel, дабы лишний раз не гневить синего гиганта.

Манипулируя продолжительностью, мы можем полностью изменить качество разгона. А приводимое типичное энергопотребление для Socket 2066 процессоров Intel декларирует номинальное требование к системе охлаждения — отнюдь не максимальное энергопотребление процессора. Поэтому 165 Вт относится к базовой характеристике системы охлаждения, которая должна отводить 165 Вт тепла. Сам же CPU на коротких промежутках и в пиках потребляет гораздо больше.

В таблице отражены числа максимального пикового энергопотребления, вследствие чего данные, конечно же, расходятся со спецификациями. Эти значения должна обеспечить система питания материнской платы.

А когда речь заходит об AVX 512, то более 300 Вт процессор потребляет на частотах до 3 ГГц! Зато сам разгон не прекратился и после 3.3 ГГц. Что же это было с Core i9–9980XE? Почему он отказался разгоняться?

На поиски проблемы ушло несколько дней, включая смену материнской платы, перебор настроек BIOS и многое другое. В результате причина оказалась в LinX 9.2, точнее не в самой оболочке, а в скомпилированных библиотеках Intel. Тот же Prime 95 с поддержкой AVX 512 прекрасно крутился часами на частотах вплоть до 4 ГГц и приемлемых напряжениях.

Поэтому финальные частоты нужно приводить в виде постоянной частоты/AVX 2/AVX 512.

500x252 111 KB. Big one: 1015x513 233 KB

Представленный образец Core i9–9920X разогнался до 4.5/4.5/4.2 ГГц. Заодно исправим финальный результат по старшему брату — Core i9–9980 XE разогнался до 4.5/4.5/4.0 ГГц.

Инструментарий и методика тестирования 2D

Стоит немного рассказать о применяемых в тестировании программах и причинах их выбора.

CPU-Z — встроенный бенчмарк производительности. Среднее значение однопоточного и многопоточного тестов.

XnView — распространенная программа для просмотра фотоматериала. Она бесплатна и легка в использовании. Дополнительно в нее встроены простые функции для переконвертирования форматов, внесения изменений и прочего. Нас интересует время, за которое программа внесет изменения и сохранит тридцать пять файлов NEF формата. Предъявляются типичные требования фотолюбителя: изменение баланса цвета, смена температуры, выравнивание горизонта, убирание выпуклости, добавление резкости, изменение размера до 1900 пикселей по большей стороне. Сам тест рассчитан всего на пару ядер, но новые инструкции очень хорошо сказываются в работе программы. Иными словами, чем свежее архитектура и выше частота ядер, тем быстрее тест выполняется.

Adobe Photoshop CС 2017. Результат тестирования — это время наложения фильтров на одну картинку объемом 50 Мпикс. Применяются стандартные фильтры и операции: изменение размера, настройки гаммы и прочее. Вполне типичный набор для программы. В отличие от видеокодирования, Photoshop так и не стал многопоточным, скорее его можно назвать умеренно загружающей ядра процессора программой. Встроенное видеоядро отключено.

Cinebench R15. Распространенный тест процессора в рендере.

Adobe Media Encoder CC 2017 — видеоконвертер, позволяющий работать с 4К видео. Задача — перекодировать 4К видео в формат готового пресета HVEC 265 1080P 29.97. Входной формат видео: MPEG-4, профиль формата Base Media / Version 2, размер файла 1.68 Гбайт, битрейт постоянный 125 Мбит/с, профиль формата High@L5.1, разрешение видео 3840×2160 пикселей, число кадров 29.970.

X265 1.5+448 8bpp X64 — тестирование скорости транскодирования видео в перспективный формат H.265/HEVC.

Adobe InDesign СС 2017 — вывод 56-страничного сверстанного материала с фотографиями в формате NEF в формат PDF 1.7 полиграфического качества.

Hexus PiFast — тест, аналогичный SuperPI. Суть работы — подсчет числа «пи» до определенного знака.

Corona 1.3 Benchmark — это система рендеринга, разработанная одним энтузиастом. Сейчас находится в стадии бета-тестирования. Бенчмарк использует неизменяемый набор настроек.

SVPmark — тест производительности системы при работе с пакетом SmoothVideo Project (SVP), использующий для теста реальные алгоритмы и параметры, применяющиеся в SVP 3.0.

Geekbench 4 — кросс-платформенный тест для измерения быстродействия процессора и подсистемы памяти компьютера.

HEVC — HEVC Decode Benchmark (Corba) V 1.6.1 с библиотеками 4К.

Теперь перейдем к результатам тестирования.

Результаты тестов

CPU-Z

Настройки:

Встроенный тест производительности;
Многопоточность.

CPU-Z

Баллы
Больше — лучше