英特尔Ivy Bridge处理器平台评测

　　Ivy Bridge最大的特点是采用了新的22nm Tri-Gate 3D晶体管制程工艺，并大幅度强化了核芯显卡。

　　根据英特尔的Tick-Tock钟摆策略，每年英特尔都会轮流更新一次处理器的微架构或制程工艺，交替进行，这避免了同时更新微架构或者制程工艺的风险，从而可以得到更为成熟的产品。2011年是这种策略的“Tock”年，英特尔带来了全新的Sandy Bridge微架构，而2012年的“Tock”年则带来了新的工艺制程，这就是采用了22nm工艺的Ivy Bridge处理器。除了22nm工艺之外，4月22日(美国时间)发布的Ivy Bridge还采用了Intel在更早些时期宣布的Tri-Gate 3D晶体管技术。

　　最新22nm 3D 晶体管工艺

　　在五年前首度使用HKMG(High-K Metal Gate)工艺制作商用处理器之后，英特尔新一代的Ivy Bridge处理器不仅仅采用了22nm制程，还采用了3D晶体管工艺。

　　被称为3D晶体管的英特尔Tri-Gate三栅极晶体管技术属于FinFET的一种变种，早在多年前就已经出现。在1999年，加州大学伯克利分校实验室内首先制造出了被称为FinFET的晶体管，其原理和现在的Tri-Gate很相像。但英特尔是首先将其商品化的公司，Ivy Bridge也是首款采用了这个工艺的处理器。

　　在传统平面型晶体管上，源漏极沟道与衬底平行，栅极覆盖于沟道之上，晶体管工作的电流通道只有栅极与源漏极互相接触的一部分。而英特尔采用Tri-Gate工艺结构的立体型晶体管制造了一个垂直突出于衬底的源漏极，由覆盖其上的栅极的三个面包围(这也是Tri-Gate三栅极的意思)，形成的沟道具有明显增大的接触面积，因此这种结构可以大为增强栅极对沟道的控制能力，从而提升了晶体管的电流驱动能力和省电性能。由于架构的重大变化，英特尔将其称为“重新发明了晶体管”。

　　与英特尔目前最好的32nm制程工艺比较，22nm制程的3D晶体管工作电压可以低至0.7V，普通平面型晶体管则很难达到这样的工作电压水准，一般为1.0V。与32nm制程工艺比较，在同样的电压下22nm 3D晶体管的性能可以提升37%，或者在提供同样的性能时，功耗降低50%以上，而代价是2%？3%的制造成本提升。

　　核芯显卡：晶体管数量剧增

　　采用新工艺的直接结果就是晶体管体积缩小，功耗降低，因此在外围条件不变的情况下集成更多的晶体管。在公布的官方资料中，主流的四核心桌面Ivy Bridge处理器大约集成了14亿个晶体管，核心面积为160mm2；相比较之下，四核心桌面Sandy Bridge处理器大约集成了9.95亿个晶体管，核心面积为216mm2；AMD的推土机系列集成了20亿个晶体管，核心面积315mm2。根据一些消息，不同步进(stepping)的Ivy Bridge处理器的晶体管数量和核心面积处于逐渐增大的趋势，最新的E1步进其核心面积应该达到了183mm2左右。本文中使用的Ivy Bridge晶圆图均为核心面积160mm2的官方版本。

　　可以说，Ivy Bridge的CPU微架构与Sandy Bridge是一模一样，这新增加的4亿多晶体管，有很大部分是用在了核芯显卡——GPU上。在上一代，GPU与CPU的面积比仅为0.33，到了Ivy Bridge，这个比率提升到了0.75，可以说，GPU部分具有非常大的变化，以至于英特尔使用“Tock+”来代表Ivy Bridge，额外的加号就是用来说明GPU的重大升级。

　　非常多的晶体管用来增加GPU的渲染管线，Sandy Bridge的内置GPU拥有12条EU(渲染管线)，按照官方资料，Ivy Bridge将其升级到了16条，增加了1/3，同时频率也提升到了1.15GHz，因此性能应该可以获得较大的提升。有消息表明，使用TEM隧道电子显微镜分解的结果是最新版本的Ivy Bridge GPU具有24条渲染管线，这也是其核心面积比早期版本提升的原因。

　　Sandy Bridge的GPU有两个版本：12条管线的HD3000和6条管线的HD2000。Ivy Bridge也引入了两个版本：16条管线的HD4000和6条管线的HD2500。

　　最后，从Ivy Bridge的GPU开始，英特尔首次支持DirectX11、OpenGL3.1、OpenCL1.1，上一代的Sandy Bridge仅支持DirectX 10.1，OpenGL以及OpenCL支持力度也很不足，与流行的GPU相比显得有些弱。新一代的Ivy Bridge GPU现在可以支持DirectCompute 11以及OpenCL 1.1这两种GPGPU计算，真正具有了与主流独立GPU抗衡的能力。

　　Ivy Bridge GPU还有一个值得一提的地方是它可以支持3个独立的显示器，上一代仅支持两个。

　　I/O能力提升：PCIe 3.0

　　除了GPU性能提升之外，Ivy Bridge处理器一个明显的大改进就是它开始支持PCI Express 3.0总线，其信号速率从上一代的5GT/s提升到了8GT/s，并且其编码方式从原有的8/10b更改为更有效率的128/130b编码，因此实现了接近一倍的带宽提升，对于一些需要高速IO设备的用户来说非常实用。PCIe 3.0可以完美地向后兼容PCIe 2.0/1.0，用户无需进行任何特别的操作。

　　PCI Express 3.0只有在i5和i7系列中得到支持，i3系列并不提供PCI Express 3.0特性。

　　上面指出的三点都是Ivy Bridge处理器最值得一提的特点。除此之外，Ivy Bridge处理器还具有一些微小的升级，一个是指令集的提升，包括加入了新的字符串处理指令以及提升AES加密指令集的效能，另一方面引入了一个硬件随机数字产生器，可以获得比软件实现的伪随机数字产生器具有更好的随机性。

　　7系芯片组：变化不大

　　处理器需要搭配相应的芯片组才能得到应用。Ivy Bridge处理器搭配原有的6系列如Z68、 H61等芯片组也能使用，然而英特尔为Ivy Bridge准备了一套新的芯片组，也就是7系芯片组。代号为Panther Point的7系芯片组的发布比Ivy Bridge处理器要早一些，主要包含了Z77、Z75、H77三个消费级芯片组。7系列芯片组最大的特征就是开始提供英特尔的原生USB 3.0控制器，而不再像6系列芯片组那样，需要采用第三方控制器芯片，应用上就显得方便多了。7系芯片组提供了最多4个英特尔原生USB 3.0端口，USB 3.0的接口速率为5Gbps，因为采用了8/10b编码，因此其数据速率是4.5Gb/s，约为上一代480Mbps的9倍多。值得一提的是，从7系列开始英特尔的USB控制器采用了Rate Matching Hub架构，可以更好地管理多种不同速率的设备，以实现更好的节电效果。7系列芯片组最多可以提供14个USB 2.0接口。

　　还有一个值得一提的特性是在功能和性能最强的Z77芯片组的支持下，Ivy Bridge可以实现x8+x4+x4的PCIe信道划分形式，比上一代的x8+x8要灵活一点，在使用PCI Express 3.0设备的情况下，这种方式可以更好地利用处理器的I/O能力。Z77也是首款支持Thunderbolt雷电光纤接口的主板，其支持x8+x4+x4的PCI Express分配方式也很适合雷电接口使用。Z77芯片组还继承了Z68芯片组上的Smart Response Technology(智能响应技术，一种SSD Caching技术)。

　　7系列芯片组还提供了两种新技术，一种是加快系统开机速度的快速启动(Rapid Start)技术，一种是让机器在关机状态下也能更新邮件、社交信息的智能连接(Smart Connect)技术，此外，英特尔也把WiDi(Wireless Display)技术正式打包引入了7系列芯片组之中。

　　测试平台与测试方法

　　我们继续使用了在Sandy Bridge系统上使用过的SPEC CPU 2006 v1.1测试软件与SiSoftware Sandra 2012测试软件。硬件系统则是Core i7 3770K处理器和英特尔DZ77GA-70K主板。Core i7 3770K处理器是目前英特尔最高端的Ivy Bridge处理器，4核心8线程，默认频率为3.5GHz，四核心Turbo Boost可以达到3.7GHz，单核心Turbo Boost可以达到3.9GHz，可以看出，其规格比上一代32nm Sandy Bridge处理器的四核心最强版本要高上100MHz，并不算多。预计下一次推出的增强版本才会实现默认工作频率4GHz。

　　Turbo Boost技术会对性能分析带来影响，我们以往的测试当中都会选择给出打开/关闭Turbo Boost技术后的性能成绩。然而，我们收到的DZ77GA-70K主板属于工程样品，其BIOS存在着问题，它无法关闭Turbo Boost功能，因此少了很多可以用来跟上一代对比的数据。此外，在英特尔的处理器微架构当中，如TLB、ROB、RS等资源是两个硬件线程共享的，超线程实际上会导致单线程运行资源的减少，因此我们分别测试了打开和关闭超线程下的表现。

　　内存子系统也是SPEC CPU测试的重要因素，我们为测试系统准备了16GB的内存(4×4GB)。规格是DDR3-1600，Ivy Bridge处理器还支持DDR3L——1.35V的低工作电压内存。尽管笔者也想测试英特尔HD4000显卡的性能，然而由于主板(仅提供一个HDMI接口)、BIOS的限制，内置显卡工作有些问题，因此相关的测试没有进行。测试使用了一块NVIDIA GeForce GTX560Ti显卡。SPEC CPU几乎不受CPU和内存之外部件的影响。为了将磁盘的影响最小化，我们使用了6个Intel X25-V SSD组建一个RAID 0阵列来作为存储系统。

　　测试使用的操作系统平台是Windows Server 2008 R2 SP1以支持AVX指令集(不带SP1的版本不支持AVX)。和以往的测试完全一样，测试使用了老的SPEC CPU 2006 v1.1代码，基于一年多前的Intel Compiler 11.0，基于SSE4.2优化，不支持Sandy Bridge的AVX指令集，这可以体现出Sandy Bridge在运行老的代码时相对上一代处理器架构的变化。实际上，笔者也进行了基于较新的Intel Compiler 12.0.1编译器、基于AVX优化的代码。

　　SPEC CPU测试会给出大量的数据。例如，可以分为测试单线程运行效能的speed测试和测试多线程运行效能/测试整个处理器运算吞吐量的rate测试，或者分为测试通常优化性能的base测试和极致优化性能的peak测试，此外，每个测试同时包含了整数的int测试和浮点的fp测试，总共会得出8个测试数据表，每个表包括一个总分和若干个子项目得分，由于不同的子项目代表不同的应用，因此我们给出了具体的子项目成绩。限于篇幅，这里不给出具体子项目的成绩。

　　除了SPEC CPU2006测试之外，进行的还有Sandra 2012测试，它的测试比较接近于理论性能测试，并且可以给出如加密等在内的多组性能，其测试时间很短，可以进行方便的比较，可惜的是不同的版本之间往往无法直接对比成绩。最新的Sandra 2012版本对超线程和AVX技术的支持都非常好。

　　性能分析：同频毫无提升

　　我们先来看测试单线程运行效能的speed测试，包含了SPECint_base2006和SPECfp_base2006两个项目，它可以体现出处理器在将所有资源都供给给一个测试实例下的运行效能，如图6所示。由于无法关闭Turbo Boost，并且BIOS不稳定的缘故，图上仅给出了4.6GHz频率下的成绩。可以看出，微架构没有什么变化的Sandy Bridge(Core i7 3960K)和Ivy Bridge(Core i7 3770K)相比成绩没有什么不同，根据以往的测试，3.3GHz的默认频率下的Core i7 3960K拥有6核心12线程、达15MB的L3缓存以及四个内存通道，其速度测试性能也仅比3.4GHz默认频率的Core i7 2600K高1%(整数)/10%(浮点)，可以认为，同频性能上，Ivy Bridge和Sandy Bridge相比没有什么变化。

　　测试多线程运行效能/测试整个处理器运算吞吐量的称为rate测试，它包含了SPECint_rate_base2006和SPECfp_rate_base2006两个项目，它体现的是处理器全力运转的运算吞吐量和数据吞吐量，虽然其中的单个测试线程性能会受到影响，然而处理器的资源得到了最大程度的利用。由于测试平台的不稳定性，4C4T(四核心四线程)下的SPECfp_rate_base2006值没有顺利得到，在稍微降低了100MHz(也就是4.5GHz)下测试到的成绩是123，和4C8T在4.6GHz的成绩非常接近。可以看出，尽管提升到了较高的频率，Ivy Bridge仍然不敌Sandy Bridge-E(Core i7 3960X)。从结果分析，同频率情况下，Ivy Bridge相对Sandy Bridge几乎没有提升。

　　笔者也进行了使用ICL 12.0.1下AVX编译代码的测试，结果和SSE4.2相比并没有太明显的提升，这可能跟使用的操作系统有关，或许Linux下会有不同的变化，艰难的测试仍然在进行当中。

　　Sandra的性能测试结果和SPEC CPU2006类似，在同频条件下，Ivy Bridge没有什么提升，少数测试可以提供超过5%的增强。

　　总 结

　　性能略升 功耗降低

　　从处理器性能上看，Ivy Bridge基本上和上一代相比没有什么变化，某些测试可能会有些微弱的提升，然而大多数情况下没有明显区别。很遗憾，由于主板的问题，Ivy Bridge最大的卖点——HD4000核芯显卡的性能无法测试。不过我们认为，其提升会比较明显。Ivy Bridge最大的特点是采用了新的22nm Tri-Gate 3D晶体管制程工艺，因此在核心明显缩小的同时集成了更多的晶体管。更多的晶体管将会带来更好的图形性能，Ivy Bridge同时还得到了更好的默认功耗表现。Core i7 3770K的TDP(热设计功耗)仅为77W，比上一代对应档次处理器要少18W，这是在处理器性能维持不变、图形性能提升的前提下。目前来看，Ivy Bridge处理器的价格也比以往更加便宜，因此新装机用户还是值得考虑的。

　　计算机世界实验室 盘骏