Intel Core 2 Extreme QX9650

Vi har lagt Intels första 45nm processor på testbänken för att se vad den nya Yorkfield kärnan för med sig i form av prestanda och överklockningspotential. Extreme var ordet…

Tiden går fort. För snart två år sedan lanserade Intel sin första 65nm processor för desktop-marknaden. 3.46GHz var klockfrekvensen och just värmeutvecklingen var häpnadsväckande hög. Ett halvår senare kom Core-arkitekturen som också var tillverkad med 65nm-teknik. Core gjorde en helomvändning när det gällde effektutvecklingen och Intel visade skeptikerna att man hade full koll på 65nm-processen. Nu hade man en klar konkurrensfördel både när det gällde effektutveckling och prestanda. Så har produktevolutionen gått till och nu är det dags för nästa etapp på processormarknaden, nämligen en skalning av processteknologin ner till 45nm. I grunden är det samma Core-arkitektur som man har krympt, men man har även gjort ett antal justeringar och förbättringar. Dessa förändringar har samlats under utvecklingsnamnet Penryn.

En av dom mest markanta hårdvarumässiga förändringarna är att man har utökat mängden minne i processorn. Våra tidigare jämförelser mellan modeller inom 65nm-familjen av Core-kretsar har visat att detta påverkar prestandan avsevärt. Logikmässigt har man lagt till ett antal nya instruktioner under samlingsnamnet SSE4, där de flesta av dessa syftar till att hårdvaruaccelerera komprimering av ljud och bild. Med den nya 45nm-processen har man också jobbat hårt med att sänka strömläckaget i processorn för att helt enkelt få en svalare och mer effektiv processor. Men vad innebär en förminskning av processteknologin? Hur mycket mer prestanda ger den utökade cachen? I vilka sammanhang kan slutanvändare dra nytta av accelererade instruktioner? Penryn, Wolfdale, Yorkfield och alla andra utvecklingsnamn, vad betyder dom? Dessa frågor, och ett antal andra kommer vi att svara på i denna mer tekniskt inriktade artikel om Intels senaste revision av Core-arkitekturen.

Vi börjar uppifrån och reder ut ett antal kodnamn.

En sak som kan vara förvillande är att Intel dels har använt Penryn som övergripande utvecklingsnamn för den uppdaterade Core-kärnan, och dels som namnet på uppföljaren till den mobila processorn Merom. För att reda ut alla produktnamn inför den fortsatta artikeln gör vi en sammanställning i följande tabell.

Till vänster i tabellen är Intels nuvarande 65nm-modeller med dess kod- och produktnamn. I högra halvan av tabellen har vi motsvarande processorer för de olika segmenten och vad de kommer att heta med den uppdaterade kärnan och den nya 45nm-processen. Produktnamnen för dessa modeller är inte till 100% fastställda än och kan komma att ändras innan lanseringen. Vi går in lite mer i detalj på 45nm-processorerna och specifikt desktop-modellerna.

Först och främst ser vi att alla modeller har gått över till 333MHz systembuss, i likhet med de senaste modellerna i Core 2 Duo-serien. Vidare har Intel infört halva multiplar för att få in fler modeller i frekvensfönstret. Den nya kärnan har som vi ser fått mer L2-cache, upp till 6MB från tidigare maximala 4MB. Detta kommer med alla sannolikhet att variera i och med att nya modeller går sitt intåg. Minstingen bland de fyrkärniga processorerna har till exempel blivit bantad till endast 2 x 3MB. På kommande sidor kommer vi att prata lite mer om vad för strategi man kan tänkas ha när det kommer till mängden minne och hur det är relaterat till tillverkningskostnaden. En noggrannare studie av modellnamnen kan avslöja några intressanta saker. Den snabbaste fyrkärniga processorn heter QX9650, vilket kan tyda på att man anser att man har marginal med åtminstone tre snabbare modeller innan man får slut på produktnamn (QX9750, QX9850 och QX9950). Vi har redan läst om rykten som gör gällande att det finns QX9700-processorer i omlopp vilket stärker våra tankar som att Yorkfield har marginal frekvensmässigt. Samma analys på de dubbelkärniga processorerna avslöjjar också att man har förberett en rejäl marginal för framtida modeller.

Vi går vidare med att kika på vad övergången i processteknologi innebär och diskuterar hårdvarumässiga aspekter av detta.

Det finns ett antal anledningar till att man som tillverkare av integrerade kretsar vill migrera till en mindre processteknik. Dessa kan i huvudsak sammanfattas till mindre kiselåtgång, högre klockfrekvenser och lägre strömförbrukning. Först kan det vara läge att prata om vad 65nm och 45nm står för. 45nm står för 45 nanometer, vilket är 0.000045mm. Alltså en 20 000-dels millimeter. Detta avstånd definierar den minsta längden på en gate i en transistor. Om vi nu med detta i åtanke pratar om de olika fördelarna med att krympa detta avstånd.

Kiselåtgång

En direkt och lättförståelig effekt av en minskning av processtekniken är att varje transistor tar upp mindre plats. Teoretiskt sett är en 45nm transistor 30% smalare än en motsvarande 65nm. En transistor krymps dessutom både på längden och på bredden, vilket gör att en 45nm transistor enligt samma resonemang blir mindre än hälften så stor. Man kan ju fråga sig varför detta skulle innebär någon som helst roll, någon nanometer hit eller dit. Svaret är att detta faktiskt betyder enorm mycket. När en processor väl är designad så ska den tillverkas i kisel och det är inte helt orimligt att en viss typ av processor kan komma att tillverkas i kvantiteter om flera hundra miljoner. Kan man halvera kiselkostnaden till hälften har man också stort sett minskat produktionskostnaderna till hälften.

På grund av fysiska begränsningar så är en ideal skalning dessvärre inte möjlig. Exakta siffror är inte officiella, men kvalitativa uppskattning gör gällande att det är frågan om en 40%-ig minskning för en transistor. En annan viktig aspekt relaterad till detta är det man kallar yield, som är hur många fungerande kretsar man kan få ut från en kiselplatta. Eftersom kiselplattorna man använder sig av är runda och processorkärnor är rektangulära så kan man inte utnyttja exakt all yta. Ju mindre processorn är desto fler processorer kan man få plats med på en platta.

Bilderna ovan är principskisser av en kiselplatta och hur de rektangulära processorkärnorna är utplacerade på dessa. Proportionerna är inte korrekta utan bilderna ska illustrera vilka vinster man kan göra rent tillverkningsmässigt med ny tillverkningsteknik. I den vänstra bilden är det endast 8 st processorkärnor som är hela, till skillnad mot 30st i den högra bilden. De mindre rektanglarna är i detta fallet ca 36% mindre, vilket innebär nästan 4 gånger så många hela kärnor.

För att göra det hela mer realistiskt så inför vi några punktvisa defekter. I båda fallen får vi tre stycken defekta kärnor, vilket gör att antalet fullt funktionella kärnor endast är 5 st i det vänstra fallet till skillnad mot 27 st i det högra. Dessa siffror är överdrivna för att dels visa effekten av en finare tillverkningsteknik, och dels vilka effekter högkvalitativt kisel och storleken på kiselplattorna innebär för dessa företag.

Till prestandakretsarna har man valt att utnyttja en del av fördelen med att kärnan tar mindre plats till att lägga till mer minne. Till vänster har vi en kraftigt uppförstorad bild på nya Penryn med 6MB L2-cache och till höger Conroe med 4MB L2-cache. L2-cachen är de stora områdena till vänster i bilderna. Dessa utgör idag en avsevärd del av processorns totala kiselyta, men trots 50% mer cache är Penryn mindre än Conroe. Här nedan är en jämförelse mellan olika modeller och hur stor inverkan L2-cachen har på storleken av kretsen.

Kiselytan är normerad mot Conroe och beräkningarna utgår ifrån att Penryns kärna till hälften utgörs av cache. Detta ger en uppskattad mängd transistorer för logiken, som är samma inom 65nm- och 45nm-modellerna. Med andra ord har alla 65nm-kretsar samma logik och på samma sätt för alla 45nm-kretsar. Vidare bygger resonemanget på att man faktiskt gör 3 olika modeller av varje processor. I vissa fall kan det vara ekonomiskt fördelaktigt att göra färre modeller, fast i efterhand avaktivera olika mängder cache. Faktum kvarstår att Wolfdale endast utgör 67% av Conroes yta, trots större cache. Om vi spekulerar vidare ser vi att en eventuell framtida 1MB-modell av Wolfdale skulle vara mindre än hälften så stor som dagens Conroe.

Dessa effekter påverkar uppenbart priset på processorerna, men det finns fler fördelar med finare processteknologi.

Högre klockfrekvenser

Det finns ett antal aspekter som påverkar hur snabbt en transistor kan växla mellan på och av, vilket blir den faktiska gränsen för hur hög klockfrekvens en processor kan arbeta i. Tack vare att transistorn blir fysiskt mindre så krävs det inte lika mycket ström för att transistorn ska växla läge. En annan viktig aspekt är störningar mellan ledningsbanor inne i processorn. Mindre ledningsbanor ger mindre area mot omgivningen som i sin tur ger mindre kapacitiv belastning. När dessa störningar minskar så minskar också belastningen på transistorerna, som leder till snabbare växlingar. Resonemanget bygger på att man inte förändrar spänningen mellan de olika processteknikerna, vilket sällan är fallet. Matningsspänningen har stor betydelse för hur hög klockfrekvens processorn kan arbeta i men också effektförbrukningen. Därför väljer man oftast en kompromiss av dessa; lite snabbare och lite effektsnålare.

Lägre strömförbrukning

Som nämndes ovan har man alltså möjlighet att sänka processorns matningsspänning i samband med finare processteknik. Formeln ovan visar sambandet mellan frekvens, spänning och dynamisk kapacitans, och hur dessa påverkar effektutvecklingen i en processor. Den dynamiska kapacitancen beror dels på tillverkningsprocessen och dels på processorns arkitektur. När en processor väl är tillverkad går denna parameter inte att ändra på. Spänningen påverkar effektförbrukningen i kvadrat vilket gör den till den absolut viktigaste faktorn när det kommer till att minska effektutvecklingen. Om vi halverar spänningen så blir effektutvecklingen endast en fjärdedel, medans ifall spänningen dubblas så blir effektutvecklingen fyra gånger så stor. Frekvensen skalar linjärt med effektutvecklingen vilket innebär att en fördubbling av frekvensen fördubblar effekten.

Just denna kompromiss mellan klockfrekvens och matningsspänning har fungerat tillfredsställande i tidigare generationer. Behövdes högre klockfrekvenser ökade man matningsspänningen och behövdes en lågeffektsprocessor så sänkte man densamma. Numera börjar dock avståndet mellan prestandaprocessorer och lågeffektsprocessorer bli väldigt stort och Intel erkänner att man tittar närmare på att alternera tillverkningsprocessen för olika typer av modeller, för att på så vis tillverka processorer mer specifikt till dess slutgiltiga användningsområde.

En stor del av minskningen i effektförbrukning kan härledas till de nya tekniker man har använt för att tillverka transistorns gate. För att ta en snabbkurs i hur en CMOS-transistor fungerar kan man säga att Gaten styr om det ska passera ström från Drain (D) till Source (S). Gaten är alltså som en strömbrytare. Det Intel har gjort är att man har gått från att använda kisel i olika dopade former till en kombination av metall och dielektrikum. Av konkurrensmässiga skäl avslöjjar man inte vad för typ av metall som används, och inte mer än att dielektrikumet är baserat grundämnet Hafnium. Vi kommer att titta noggrannare på processorns effektutveckling senare i artikeln och se om dessa förändringar har gjort någon skillnad.

Vi går vidare och kikar på vad för nyheter man har lagt till i arkitekturen.

Arkitekturmässigt är det inte mycket som skiljer Penryn från första generationen av Core 2, men man har passat på att göra några förfiningar. Några av de mest markanta nyheterna presenterar vi nedan.

Fast Radix-16 divider och Super Shuffle Engine

Fast Radix-16 divider är en förbättring av den generella divisionsinstruktionen. Med tidigare teknik behandlade man två bitar i taget medans processorn nu har möjlighet att behandla 4 bitar åt gången, vilket ger upphov till dubbla prestandan vid divisioner. En markant fördel med förändringar av grundläggande instruktioner är att dessa påverkar redan existerande program som använder division, till skillnad från specialinstruktioner som kräver att program endera kompileras om i en uppdaterat kompilator eller uppdateras manuellt. Super Shuffle Engine är också en funktion som arbetar på lägre nivå och ger prestandavinster överlag. Super Shuffle-enheten har till uppgift att strukturera om bitar i SSE-instruktioner, som typiskt används för bild och videoredigering. Nu har denna enhet blivit bredare för att matcha de 128 bitar långa SSE-instruktionerna. Hur dessa båda förbättringar påverkar prestandan går inte att svara på i generella termer då de kraftigt beror på vilka typer av beräkningar som utförs och vilken typ av data som behandlas.

Advanced Digital Media Boost

Advanced Digital Media Boost är egentligen inget mer än ett annat namn för SSE, som består av en mängd instruktioner som utför avancerade funktioner och beräknar speciella algoritmer. I samband med Penryn har man nu lagt till ett antal nya instruktioner som bildar SSE4.1. Flertalet av dessa är till just för att behandla media som bilder, ljud och video, därav namnet Digital Media Boost. För att dra nytta av prestandan i dessa instruktioner krävs som sagt att programmen kompileras om eller optimeras manuellt. Äldre program som inte använder sig av dessa kommer alltså inte att visa upp någon prestandavinst som kan härledas till SSE4.

Innan vi går vidare till de olika testprogrammen redovisar vi testsystemet.

Testsystem
Hårdvara
Moderkort	Asus P5K-E
Processorer	Intel Core 2 Extreme QX9650 (2x6MB) Intel Core 2 Extreme QX6850 (2x4MB)
Minne	Corsair 8500C5D Dominator (2048MB)
Grafikkort	nvidia GeForce 8800GTX
Nätaggregat	Silverstone Zeus 850W
Mjukvara
Operativsystem	Windows XP (SP2)
Drivrutiner	Intel Chipet Driver 8.3.1.1009 nvidia Forceware 158.22
Testprogram	EVEREST Ultimate Edition 4.20.1170 SuperPi 1.5 wPrime 1.52 Cinebench 9.5 Cinebench 10 Lame 3.97 WinRAR 3.70 3DMark2001 3.3.0 3DMark03 3.6.0 3DMark05 1.2.0 3DMark06 1.0.2 PCMark05 1.1.0 FarCry 1.33 Doom 3 Quake 4

Vi börjar med att jämföra effektutvecklingen mellan 65nm och 45nm kretarna.

För att få en verklighetsanknytning till effektutvecklingen i processorerna så presenterar vi våra egna mätningar nedan. Mätningarna utfördes med en ampere-meter kopplad i serie med +12V matningen till processorns spänningsdel för att få strömmen till moderkortet. Spänningen uppmättes till 12.04V precis vid kontakten på moderkortet. För det första är det värt att notera att dessa siffror anger vad för effekt moderkortet drar från denna kontakt, vilket inkluderar processorns värmeutveckling och värmeutvecklingen i själva spänningsdelen till följd av förluster från spänningsomvandlingen. För det andra kan ytterligare ström tas från denna kontakt, till t.ex. nordbryggan, vilket också påverkar resultaten. Alla mätningar är utförda med högkvalitativa instrument. Som nämdes ovan har processorns matningsspänning stor inverkan på effektutvecklingen i processorn. I BIOS valdes processorernas spänning till AUTO i båda fallen, vilket resulterade i 1.280V för Kentsfield och 1.177V för Yorkfield. Dessa var uppmätta under load efter att processorns temperatur hade stabiliserat sig.

Intel hävdade tidigt att man hade gjort stora framsteg när det kom till strömläckage i sin 45nm-process. Efter att ha dubbelkollat våra mätningar med ett flertal mätinstrument är det uppenbart att man har lyckats bra med detta. Utan belastning drar Yorkfield nästan 60% mindre ström än Kentsfield. Ungefär 15 procentenheter av dessa kan härledas till den lägra spänningen.

Som full belastning valde vi att använda wPrime och dess 1024M beräkning. Mätdata samlades in när spänning, ström och temperatur i processorn hade stabiliserats. Även under belastning har Yorkfield ett stort försprång till sin föregångare. Återigen ska en del av detta tillskrivas den lägre spänningen, men tillverkningsprocessen har fortfarande den största inverkan.

Dags att se hur Penryn presterar i våra vanliga prestandaprogram.

Inga problem för den nya modellen att hålla dess föregångare bakom sig.

Vi går vidare till SuperPi och wPrime.

SuperPi vet vi sen tidigare är väldigt beroende av mängden cache, så dessa resultat är föga förvånande. wPrime brukar vara mer kräsen med att visa någon skillnad beroende på cache eller FSB men här ser vi att finslipningar av arkitekturen har gett resultat.

Vi går vidare till Cinebench.

Vi har använt oss av samma skala för resultaten inom respektive program för att förmedla vad för prestandavinster man kan göra med fyrkärniga modeller gentemot enkelkärniga. Oavsett om enkel- eller flertrådade testen körs så presterar QX9650 bättre än QX6850.

Härnäst testar vi Lame och WinRAR.

Lame är också ett testprogram som brukar vara kräset när det gäller finesser som cache och FSB. QX9650 visar att det går att prestera bättre i denna benchmark vid samma klockfrekvens tack vare dess förbättringar i arkitekturen. WinRAR brukar tvärtom vara väldigt känslig för förändringar i cache och minnesprestanda. Den större cachen har onekligen inverkan här och QX9650 presterar nästan 10% bättre än QX6850.

Vi tittar lite närmare på Futuremarks olika testprogram.

3DMark 2001 återspeglar i stor utsträckning ökad systemprestanda och det är också i denna serie tester som Yorkfield distanserar sig från Kentsfield. De andra 3DMark-versionerna är mer begränsade av grafikprestandan i systemet och visar således inte samma prestandaskillnad mellan processorerna.

Vi tittar mer i detalj på 3DMark06 och dess CPU-test samt PCMark05.

Yorkfield presterar runt 5% bättre i 3DMark06s CPU-test medans det är betydligt jämnare i PCMark05. Stort sett samma resultat i dess CPU-test och några enstaka procents skillnad i minnestestet.

Till slut kör vi ett antal speltester.

Vi har tidigare sett prov på att mängden cache kan göra stor inverkan i spel, och QX9650 är definitivt ett bevis på detta. I våra speltester har ser vi mellan 4% och 7% prestandaökningar vilket till stor del kan härledas till den större cachen.

Dags för överklockning!

QX9650 är knappast en processor som kommer att införskaffas för endast ordbehandling… De som kommer att köpa denna processorn kommer med stor sannolikhet att överklocka den, så långt det bara är möjligt. Vi har tidigare publicerat en artikel där vi enbart använde oss av kylanordningar i dess extremaste form så vi ska börja med att presentera vad denna processor klarar på luftkylning.

Som testprogram valde vi 3DMark06s CPU-test, som är det mest stressande testet för processorn av de olika deltesten. Med en inte allt för hälsosam spänning på 1.700V lyckades vi nå tidigare helt ofattbara 4.5GHz på luftkylning. Detta med alla fyra kärnor full belastade. Som luftkylare användes en Thermalright Ultra 120 eXtreme tillsammans med en 120x38mm Sunon fläkt och en rumstemperatur på runt 18C. Med en mer alldaglig spänning på 1.35V körde vi Orthos och 3DMark06 loopandes under en hel dag i 3.8GHz. Detta utfördes även med en betydligt tystare 120x25mm fläkt som trots det lyckades hålla temperaturerna i schack. Nedan är en temperaturlogg under de två första looparna av 3DMark06. Anledningen till de högre temperaturerna på kärna 1 och 2 belastas av Orthos.

När vi var hos Intel i Stockholm körde vi endast 3DMark06, så nu tillbaka på hemmaplan passade vi på att köra några andra tester med extrem kyla. Här är SuperPi 1M, 2M, 4M, 8M och wPrime 32M och 1024M körda i över 5350MHz.

Som vi berättade om i vår Stockholmsartikel så körde vi 3DMark06 i så högt som 5450MHz och anledningen till att vi inte har kört dessa tester högre är på grund av att moderkortet vid testtillfället inte tillät högre multipel än 11, och att den maximala spänningen även efter en spänningsmodifikation är 1.87V. Vi kommer att återkomma med en mer komplett överklockningsartikel om Yorkfield när vi har ordnat ett annat moderkort.

Vi tar och sammanfattar våra erfarenheter av Penryn i slutledningen.

Prestanda

Det är alltid positivt när vi ser att hårdvara ger större prestandaökningar i vanliga program och spel än i syntetiska tester, vilket definitivt är fallet med Yorkfield. I de program vi har testat presterar QX9650 bättre än QX6850 och vi kan inte se några fall där Penryn skulle kunna prestera sämre än Kentsfield. Med tanke på hur överklockningspotential är så kan vi helt klart konstatera att det finns mer att ge ifall Intel vill. Som vi diskuterade tidigare finns det redan konkreta planer på snabbare modeller vilka vi redan kan se på serversidan.

Överklockning

Överklockningspotentialen hos QX9650 är helt klart imponerande och vår bedömning är att vi kommer att se flertalet alldagliga frekvenser över 4GHz med bara luftkylning. Processorn skalar väl med ökad spänning och det är lätt att glömma bort att man har att göra med en finare tillverkningsprocess som kan vara känsligare för höga spänningar i längden. När frekvenserna börjar närma sig 5GHz på enbart luftkylning förväntar man sig troligen liknande ökningar med extrem kylning, vilket i dagsläget inte riktigt verkar vara fallet. Överklockningspotentialen och toleransen för kyla varierar rätt markant, vilket inte är helt konstigt med hänseende till den nya processteknologin. Intel har meddelat att man har en nyare stepping på väg, vilket troligen är den vi kommer att se i butikerna, som vi ser fram emot att se överklockningspotentialen i.

Produktvärde

Entusiastmodellerna av processorer har en historisk tendens att vara minst sagt dyra. QX9650 är inget undantag från denna regel och just pris/prestanda är sällan något försäljningsargument för dessa processorer. Det lägsta pris som någon svensk butik har listat processorn för är drygt 8500kr. Som våra hypotetiska beräkningar av tillverkningskostnaden visar bör vi med stor sannolikhet se ett antal mycket prisvärde fyrkärniga modeller när dessa lanseras.

Sammanfattning

Intel core 2 Extreme QX9650 bjuder på ett välkommet prestandatillskott i samtliga av våra testapplikationer och framför allt i program och spel som användaren faktiskt använder. Tack vare Intels nya 45nm transistorteknik har effektutvecklingen stort sett halverats jämfört med motsvarande modell tillverkad med 65nm teknik. Överklockningspotentialen är imponerande och entusiaster kommer att passera 4.5GHz utan några större svårigheter och med en ny stepping på ingående kommer 5GHz med all sannolikhet att realiseras – på luftkylning!

Intel Core 2 Extreme QX9650

Positivt + Prestandaökning i de flesta applikationer + Minskad effektutveckling + Överklockningspotential Negativt – Dyr

Vi vill tacka Intel för att ha skickat processorn för utvärdering.