Až 5GHz s vysokým IPC: Výrobní proces 10SF/10nm SuperFin
Intel odhalil nové 10nm procesory Tiger Lake. Ty jsou docela očekávané, jelikož první 10nm generace Ice Lake se zas tak nepovedla a od těchto následujících Core 11. generace se čekal reparát. A vypadá to, že Tiger Lake s novou architekturou CPU i novým GPU opravdu bude hodně zajímavé. Překvapivě je ale jeho tajnou zbraní právě 10nm proces. Intel totiž zdá se vyřešil jeho problémy, čímž dosáhne velmi vysokého výkonu.
Včera zveřejnil Intel prezentace procesoru Tiger Lake, jejich 10nm procesu a dalších technologií z tzv. Intel Architecture Day 2020. Samotné procesory ještě nejdou na trh, to však nastane brzy, uvedení by mělo být 2. září. Parametry jednotlivých modelů Intel oznámí asi až tehdy. Ovšem až na frekvence a TDP Intel popsal procesor a jeho technologie poměrně podrobně, takže se můžeme podívat, co Tiger Lake přinese.
Tiger Lake neboli Core 11. generace bude ve své verzi pro notebooky (Tiger Lake-U) čtyřjádro v provedení BGA pájeném na desku, údajně by mohlo mít modely s TDP 9–28 W, ale toto je neoficiální a Intelem ještě nepotvrzené. Desktopová verze pro LGA 1200 nebude (nahradilo ji Rocket Lake), ale příští rok by zřejmě měla vyjít osmijádrová verze Tiger Lake-H s TDP 45 W (teoreticky možná až 65 W, opět nepotvrzeno).
10nm proces SuperFin
Jak se ukazuje, asi nejzásadnější bude u těchto procesorů vylepšený 10nm proces, byť mají i novou architekturu. Vylepšení je totiž opravdu razantní a odpovídá spíš přechodu na úplně nový proces. Intel uvádí, že když tvořil vylepšené 14nm procesy s „plusy“ navíc, získával tím typicky 4–6 % výkonu navíc pro každé takové vylepšení. Ovšem nový vylepšený proces u Tiger Lake je proti 10nm technologii v předchozích procesorech Ice Lake údajně zlepšený o 17,5 % (toto procento by mělo udávat zvýšení výkonu/frekvence).
Intel ustoupil od přidávání plusů (v nichž se údajně občas nevyznali ani vlastní inženýři) a místo toho tato vylepšené verze 10nm procesu dostala označení SuperFin – zkráceně 10SF. Po ní bude následovat další zlepšení označené jako 10ESF (Enhanced SuperFin), ale to ještě není na pořadu dne – má být použito až příští rok u procesorů Alder Lake.
Intel zřejmě po velkých problémech u první verze procesu, která trpěla na nízké takty a špatnou výtěžnost, nasadil významné změny spočívající v nasazení nových pokročilých materiálů. Původní proces používal inovace v podobě použití kobaltu na některé kontakty a také techniky COAG (Contact Over Active Gate – jde o techniku, kdy je kontakt brány tranzistoru s vodičem přímo nad místem, kde brána překrývá kanál tranzistoru, místo aby musel být vedle – toto zvyšuje hustotu, ale je těžší na výrobu). Proces SuperFin toto zachovává a také stále používá self-aligned čtyřnásobnou expozici.
Výkonnější tranzistor, SuperMIM, tenké bariéry
Ovšem k tomuto společnému základu jsou přidané důležité změny. Pravděpodobně jich bude celkově vícero, ale Intel jmenuje tři konkrétní. První je použití výkonnějších tranzistorů, které mají větší rozteč tzv. finů (což je 3D struktura kanálu, obklopená branou, která tvoří tranzistor typu FinFET). Zvětšení rozteče snižuje hustotu tranzistorů, ovšem tyto efektivně větší tranzistory se používají jen na kritickou cestu, takže v měřítku celého čipu by nemuselo vyvstat nějaké významné zhoršení.
Důležité je, že tyto tranzistory se sníženou hustotou zvládají vyšší proudy a díky tomu dosahují vyšší výkon (frekvenci). Tomuto pomáhají také zlepšení procesu tvorby brány a elektrod tranzistoru.
Další zlepšení je u nanokondenzátorů integrovaných v čipu. Intel použil údajně jako první nový typ kondenzátoru tvořeného opakujícími se vrstvičkami Hi-K materiálu, tvořícími tzv strukturu superlattice, jež má na vrhu navíc dvě vrstvy se zvýšeným výkonem.
Tomuto kondenzátoru říká Intel „SuperMIM“ (MIM = metal-insulator-metal) kondenzátor a údajně má při stejné ploše jako u jiných alternativních řešení 5× vyšší kapacitu. Je tedy mnohem účinnější. V čipu toto pomůže omezovat nežádoucí poklesy napětí „tzv. Vdroop“, které jsou hrozbou pro stabilitu. Díky SuperMIM kondenzátorům bude tedy čipy vyrobený procesem SuperFin schopen běžet při určitém napětí na vyšším taktu, jelikož nebude třeba tak velká rezerva.
Třetím zlepšením, které Intel vypíchl, je aplikace tzv. Thin Barriers. Jde o speciální konstrukci bariér okolo vodičů v kovových vrstvách čipu. Zřejmě jde o to, že speciální materiál snižuje tloušťku vrstvy, která je nutná pro izolování vodičů. Díky tomu je možné použít větší průřez u daného vodiče přímo pro jeho kovové jádro a dosáhnout menšího odporu. Ten je přitom se zmenšujícími se výrobními procesy u kovových vrstev velkým problémem.
Podle Intelu tyto tenké bariéry snižují odpor až o 30 %, což by mělo opět dovolit, aby procesor dosáhl vyšších výkonů. Toto číslo je konkrétně uvedeno pro snížení odporu tzv. via, což jsou vertikální propojení skrz patra kovových vrstev.
Výsledek: takty blížící se k frekvencím 14nm čipů
Tato zlepšení mají velký dopad. U procesorů Ice Lake totiž Intel přišel s výkonnou architekturou, jejíž jádro mělo v průměru o 18 % lepší IPC (výkon na 1 MHz). Ale pak tento zisk celý ztratil tím, že původní 10nm proces nedokázal dosáhnout taktů vyšších než cca 3,9 až 4,1 GHz. Jádro pak nebylo rychlejší než 14nm jádro Skylake běžící na 5 GHz. Díky před chvílí popisovaným zlepšovákům ale proces 10nm SuperFin tímto již netrpí a také dosáhne vysokých frekvencí. Tím pádem už IPC jádra není promarněno a výkon v jednovláknové zátěži by měl výrazně narůst.
Podle grafů Intelu by se měla dosažitelná frekvence posunout až někam k 5 GHz. Proces SuperFin je údajně čistým zlepšením charakteristik křemíku na všech frekvencích. Tranzistory mají jak nižší minimální napětí, tak vyšší to maximální. Na jakémkoli z použitelné škály napětí údajně tento proces dosahuje vyšší takt a také vyšší energetickou efektivitu. Díky vyššímu maximálnímu napětí bude možné použít vyšší voltáž při turbo boostu, toto je částečně důvod, proč se Tiger Lake dostane na mnohem vyšší takty.
Jak už bylo řečeno, takty zatím Intel neprozradil (až na předešlý graf naznačující, že strop se posunul někam k 5.0 GHz). Podle uniklých dat bude zřejmě nejvyšší frekvence jader CPU u procesorů Tiger lake 4,7 GHz v boostu (Core i7-1165G7), možná snad i 4,8 GHz (Core i7-1165G7, tento model ale není tak dobře doložený a potvrzený). Jednojádrový výkon by mohl být díky tomu skutečně rekordní, v GeekBench 5 zdá se procesor i7-1165G7 může dosáhnout jednovláknové skóre až 1550–1600 bodů. Ani vícevláknový výkon nebude špatný, udržitelná frekvence při zátěži všech jader by také měla jít nahoru o významné stovky MHz.
Intel příští měsíc vydá nové 10nm procesory Tiger Lake. Ty jsou docela očekávané, jelikož první 10nm generace Ice Lake se zas tak nepovedla a od těchto následujících Core 11. generace se čekal reparát. A vypadá to, že Tiger Lake s novou architekturou CPU i novým GPU opravdu bude hodně zajímavý. Překvapivě je ale jeho tajnou zbraní právě 10nm proces. Intel totiž zdá se vyřešil jeho problémy, čímž dosáhne velmi vysokého výkonu.
Architektura Willow Cove
Zdá se, že právě frekvence zvýšená z 3,9 až 4,1 GHz na 4,7–4,8 GHz bude hlavní ingrediencí dobrého výkonu Tiger Lake. Architektura CPU je totiž změněná proti architektuře Sunny Cove v procesorech Ice Lake, ale IPC nestouplo zdaleka tak dramaticky. K 18% zlepšení v Sunny Cove by mělo Tiger Lake přidávat zlepšení zřejmě o 4–6 %, takže IPC bude dejme tomu o 25 % vyšší než u Skylake. Velmi orientačně by to znamenalo, že jádro Tiger Lake na 4,7 GHz by mělo mít průměrně výkon jako Skylake na taktu 5,875 GHz.
Willow Cove víceméně staví na Sunny Cove – počty výpočetních jednotek ani hloubky out-of-order bufferů zdá se nebyly změněné, není ani známo, že by byly nějak významně aktualizované prefetchery a prediktory větvení. Do těchto částí jádra zřejmě Intel moc nesahal (ovšem asi na ně byly použity ony výkonnější tranzistory, aby se dosáhlo vyššího taktu).
O 50 % větší L3 cache a o 150 % větší L2 cache, neinkluzivní
Hlavní změnou v jádře, která se na zvýšení IPC podílí, je změna v mezipamětech cache. V průmeru má asi relativně malý přínos (pár procent), ale obnáší celkem velká zvýšení kapacity, takže ve vybraných úlohách, kde byla kapacita dosud limitací, by se výkon mohl zlepšit víc.
L1 cache zůstaly stejné, ale L2 cache doznala značného rozšíření. Skylake mělo 256KB L2 cache, Ice Lake to zvýšilo na 512 KB, ale Tiger Lake učinilo další zvýšení rovnou na 1,25 MB, tedy o 150 %. Neznáme latenci, ta možná trochu stoupla proti 12 cyklům u Skylake a 13 u Ice Lake, ale vzrostla asociativita z 8-way na 20-way, úměrně kapacitě.
L3 cache pak byla rozšířena také, tentokrát o 50 %. Dosavadní proceosory Intelu s prstencovou sběrnicí (tedy ne Xeony a Skylake-X/Cascade Lake-X) měly L2 cache s kapacitou 2 MB na každé jádro. U Tiger Lake Intel přidal a na každé jádro přísluší 3 MB. Zde nicméně klesla asociativita, místo 16-way je jen 12-way (24-way by už možná bylo buďto zbytečně moc, nebo by to příliš zvyšovalo spotřebu či plochu čipu).
Opět neznáme latenci, ale zřejmě by se mohla zvýšit efektivní propustnost, kterou by L3 cache poskytovala. Intel totiž posílil interní sběrnici, která bloky L3 cache (a k nim příslušná) jádra propojuje s paměťovým řadičem, integrovanou grafikou a tak dále. Sběrnice dokáže duplexně předávat 32 bajtů za cyklus, ale Tiger Lake má paralelně přidanou druhou, takže tento duální ringbus zvládá 2×32 bajtů za cyklus.
Jak L2, tak L3 cache byly až do Ice Lake u Intelu inkluzivní, což znamená, že vždy obsahovaly kopii dat z nižší úrovně. Toto bylo u Tiger Lake opuštěno, takže v L2 už není zrcadlená L1 a v L3 už není obsah L2. Toto by mohlo trošku zvýšit výkon, protože je k dispozici vyšší efektivní kapacita.
LPDDR5
Kromě cache bude určité zrychlení moci poskytnout také rychlejší paměť. DDR4 podporuje Tiger Lake pořád jen na 3200 MHz, ale LPDDR4X na až 4266 MHz efektivně a nově je také podporovaná LPDDR5 (jde o první procesor pro PC který ji umí). Konkrétně LPDDR5-5400, což by mělo dávat propustnost až 86,4 GB/s.
USB4, PCI Express 4.0, Thunderbolt 4, AV1
Zajímavé bude Tiger Lake i v ostatní výbavě. Procesor je první, který bude mít podporu pro Thunderbolt 4 (čtyři 40Gb/s porty) a také USB4. Řadič je integrovaný přímo v CPU.
Současně také Tiger Lake je první procesor Intelu, který dostal řadič PCI Express 4.0. Zatím nevíme, kolik má linek, ale u řady U by to mohlo být osm linek (×4 pro SSD, ×4 pro mobilní GPU). Budoucí Tiger Lake-H by mohlo mít plných ×16 pro GPU. Zatímco předchozí procesory řady U měly řadič PCIe ve svém externím čipsetu, zde je řadič PCIe 4.0 přímo v CPU, což podle Intelu dodá až o 100 ns lepší latenci.
GPU se 768 shadery výkonnější než APU Ryzenů 4000
Tiger Lake má výkonné integrované GPU. To používá novou architekturu Intel Xe LP s přepracovanými výpočetními jednotkami a vyšší frekvencí (podle úniků by mohla dosahovat až na nějakých 1650 MHz). Současně Intel grafice přidělil velkou část čipu – má 96 EU (768 shaderů). Díky tomu Intel uvádí, že bude až 2× rychlejší proti výkonu integrovaného GPU Gen11 v procesorech Ice Lake, což už samo o sobě nebylo špatná GPU.
Tiger Lake by díky tomuto mělo porážet v grafickém výkonu APU Renoir od AMD (Ryzen 4000U/H), a to asi přesvědčivě, pokud ho nějak vyloženě nezradí ovladače. Je zajímavé, že Intel nyní klade prioritu na výkon grafiky, což bývala parketa AMD, zatímco to zase u Renoiru snížilo počet jednotek z 11 CU na 8 CU (512 shaderů) a ač výkon stoupl díky vyšším frekvencím, jako by už GPU nepřikládalo takovou důležitost.
Naopak Renoir vsadil na osm jader CPU, zatímco Tiger Lake zůstává na čtyřech. Mobilní osmijádra AMD by patrně měla celkem výrazně vést v mnohovláknovém výkonu, Tiger Lake zase bude vést v tom jednovláknovém, ale i ve výkonu integrované grafiky.
Kromě samotné 3D části grafiky také Intel u Tiger Lake aktualizoval enkodéry videa, které mají mít až dvojnásobný výkon, případně lepší kvalitu při kompresi do HEVC. Zajímavá novinka je také podpora přehrávání 8K videa a pozor, hardwarový dekodér pro video ve formátu AV1. Tiger Lake je první procesor nebo GPU pro osobní počítače, který tento formát umí hardwarově přehrávat (i když 1080p a možná 4K by podobně jako Renoir asi mělo zvládnout i softwarově).
Tiger Lake bude jinak 8K (7680 × 4320 bodů) podporovat i jako rozlišení na externího monitoru (připojeného přes DisplayPort). GPU zvládá až čtyři výstupy najednou, kromě DP také USB-C, Thunderbolt 4 a HDMI 2.0. Podporuje podobně jako grafika v Ice Lake adaptivní obnovování FreeSync na DisplayPortu a při nižších rozlišeních (1080p) má zvládnout zobrazovat na až 360Hz herních LCD (což pochopitelně neznamená, že bude na takové FPS mít dost grafického výkonu).
Tiger Lake vypdá hodně povedeně
Každopádně je tedy Tiger Lake zajímavý procesor a vypadá to, že se s ním Intel vyhrabal z celkem hluboké krize, kterou mu problémy 10nm procesu způsobily (otázka je, zda to není pozdě a zda zase nestojí před další na 7 nm). Samozřejmě až recenze ukáží, jak dobře bude čip fungovat v reálných noteboocích, ale minimálně by asi měl být hodně solidní. Zatím není jasné, jak moc masově bude na trhu nasazen, protože Intel by mohl dál značnou část poptávky pokrývat 14nm čipy. Nicméně pokud budete mašinu s Tiger Lake chtít, nějaké určitě koupit půjdou a výběr by měl být větší, než u notebooků s Ice Lake, Intel už před časem oznámil, že Tiger Lake získalo více „design winů“.