Tổng quan về Ivy Bridge - Phần 1: Công nghệ

Mặc dù có chút chậm trễ trong ngày công bố thế hệ tiếp theo của kiến trúc Sandy Bridge, thế nhưng điều đó chứng tỏ Intel đã chuẩn bị rất kỹ cho cuộc cách mạng mang tên Ivy Bridge. Một cuộc cách mạng với CPU 22 nanometer, GPU được cải tiến rất nhiều sẽ là sự bù đắp đáng giá giải thích cho việc chậm trễ sự ra mắt kiến ​​trúc Core thế hệ thứ ba.

• Intel chính thức trình làng bộ vi xử lý Ivy Bridge
  
• Thử nghiệm Ivy Bridge, hiệu suất về đồ hoạ gây ấn tượng
• Các mẫu laptop Ivy Bridge của Toshiba sẽ ra mắt trong Q3 2012

Kiến trúc Sandy Bridge 32nm hiện nay vẫn là bá vương cho mảng máy tính xách tay và các thiết bị di động (thậm chí cả máy tính để bàn) thế nhưng với Intel, họ không dừng lại ở đó. Thay vào đó, Ivy là cái tên mang lại những cải tiến vượt bậc về mặt tốc độ: kiến trúc Ivy Bridge mới được Intel đánh giá với cái tên “tick +”, nghĩa là sẽ chỉ có sự thay đổi to lớn so với những thiết kế hiện tại, nhưng chưa đủ để tạo nên một kiến trúc hoàn toàn mới (kiến trúc mới có thể sẽ là Haswell, dự kiến được ra mắt vào cuối năm nay)

Chúng tôi muốn có một cái nhìn chuyên sâu đối với những đổi mới của Ivy Bridge và làm sáng tỏ những gì mà cuộc cách mạng 22-nanometer mang lại. Phần sau của bài viết sẽ là những bài kiểm tra để đánh giá hiệu năng của toàn bộ hệ thống, trong khi sức mạnh của bộ xử lý đồ hoạ Intel GPU HD 4000 đã được chúng tôi đánh giá chi tiết ở một bài review trước đó.

Phần 1: Công nghệ

1. Quá trình sản xuất

Trong nhiều năm qua, Intel đã và đang dẫn đầu trong ngành công nghiệp sản xuất vi xử lý, với hàng loạt cái tên như Pentium, Atom, Core. 22-nm thế hệ mới là một trong những cải tiến đặc biệt quan trọng và thú vị.

Khoảng năm 2002, Intel bắt đầu đặt nền móng đầu tiên cho quá trình nghiên cứu nội bộ một thế hệ vi xử lý mới, với cái tên P1270. Những cải tiến đáng giá được tìm thấy ở cấp độ bóng bán dẫn. Lần đầu tiên, Intel sử dụng công nghệ Tri-Gate transitors - cấu trúc ba chiều. So với một bóng bán dẫn phẳng thông thường, Loại bóng bán dẫn mới này bổ sung được bổ xung một cổng, tăng lưu lượng truyền tải thực tế. Intel cũng cho hay, kể từ Ivy Bridge trở đi, nó sẽ được dùng để thay hoàn toàn cho loại bóng bán dẫn hai cổng truyền thống. Điều này giúp giảm thiểu tối đa năng lượng rò rỉ, giảm công suất tiêu thụ điện và quan trọng hơn là vẫn giúp Intel theo đuổi định luật Moore. Lợi ích của bóng bán dẫn 3 cổng mới của Intel đó là giảm lượng điện thất thoát gần như xuống bằng 0 khi cổng hoạt động (đóng/mở) với tốc độ hơn 100 tỉ lần mỗi giây. Tùy thuộc vào từng ứng dụng, nó sẽ tự động hiệu chỉnh tăng cường hoặc giảm lượng điện năng tiêu thụ để đem lại hiệu suất tối ưu cho hệ thống, nhất là các hệ thống di động.

Mức độ giảm thiểu năng lượng rò rỉ mà các bóng bán dẫn Tri-Gate này đem lại có thể so sánh với lợi ích mà chất liệu silicon cách điện mang lại. Trong khi với vật liệu này, chi phí sản xuất có thể cao hơn khoảng 10%, cách tiếp cận của Intel  với Tri-Gate chỉ làm chi phí sản xuất tăng khoảng 2-3%.

Một yếu tố cực kỳ quan trọng đảm bảo cho hệ thống ổn định khi diện tích các bóng bán dẫn bị thu hẹp đó là sự gia tăng về mật độ thành phần. Trong khi một con chip lõi tứ của Sandy Bridge có khoảng 1,16 tỷ bóng bán dẫn trên một diện tích khoảng 212 mm², Ivy Bridge có thể chứa tới 1,4 tỷ bóng bán dẫn trên diện tích chỉ 160 mm² - tăng khoảng 60% mỗi mm². Thậm chí mật độ này có thể tăng gấp đôi trong một số khu vực nhất định của CPU.

Intel hiện đã triển khai công nghệ này tại 3 nhà máy trung tâm của mình đó là D1D (Oregon), Fab 32 (Arizona), Fab 28 (Israel ) và sắp tới sẽ triển khai trên toàn bộ nhà máy của Intel trên khắp thế giới. Ngoài Ivy Bridge, những sản phẩm sử dụng công nghệ 22-nanometer dự kiến sẽ được sản xuất trong thời gian sắp tới, ví dụ như như Valley View – thế hệ tiếp theo của dòng chip Atom. Intel cũng đang lên kế hoạch sản xuất con chip 14 nanomet đầu tiên trên thế giới, sớm nhất là vào cuối năm 2013. Tới năm 2015, con số này sẽ là 10nm, tức bằng với khoảng cách từ Sandy Bridge xuống Ivy Bridge (32nm với 22nm).

2. Kiến trúc chip

Giống như Sandy Bridge, Ivy Bridge có tối đa 4 lõi xử lý, được hợp nhất với một con chip xử lý đồ hoạ, bộ nhớ 8 MB ​​L3 cache, và tích hợp các hệ thống kết nối khác (ví dụ như các cổng kết nối màn hình, DMI, các thiết bị vào ra I/O). Vòng bus 256-bit có nhiệm vụ kết nối tất cả các thành phần với nhau. Tổng quan về các thông số kỹ thuật quan trọng nhất:

• Xử lý Tri-Gate 22-nanometer
• 1,4 tỷ bóng bán dẫn
• Mật độ 160 mm²
• 32 + 32 KB L1 cache cho xử lý dữ liệu và kết nối (mỗi lõi)
• 256 Kbyte L2 cache (mỗi lõi)
• 8 MB L3 cache (sử dụng cho các lõi và GPU)
• Bộ xử lý đồ hoạ Intel HD 4000 (GT2, DirectX 11, 16 EUs)
• DDR3 (L) điều khiển bộ nhớ lên đến 800 MHz (PC3-12800)
• PCIe 3.0 với 16 luồng dữ lieuej
• Hỗ trợ MMX, SSE, (1, 2, 3, 3S, 4.1, 4.2), AVX, AES-NI
• Điện năng tiêu thụ  35, 45 hoặc 55 watt.

3. Bộ vi xử lý

Bộ vi xử lý của Ivy Bridge về cơ bản dựa trên người tiền nhiệm Sandy Bridge, do đó nó bao gồm các tính năng đã được biết đến như Hyper Threading và Turbo Boost 2.0. Vì vậy, các bạn có thể tham khảo thêm những tính năng mà Sandy Bridge có, để biết chi tiết và chính xác về những tính năng này. Tuy nhiên, ở Ivy Bridge, Intel đã tối ưu hoá các công nghệ này, kết quả là tăng khoảng 5% cho IPC.

Tiến trình mới cho phép tăng chỉ 4-6% năng lực xử lý khi xét trên 2 CPU Ivy và Sandy cùng xung nhịp và cùng dòng sản phẩm (clock to clock). Thật sự thì mức tăng này là rất nhỏ nhưng Intel cũng phải thực hiện rất khá nhiều thay đổi trong kiến trúc để đạt con số đó. Hơn nữa, do Ivy có xung nhịp cao hơn mà hiệu năng tổng thể của CPU tăng lên khoảng 10%.

Vì vậy với mô hình MOV - nơi mà các nội dung của thanh ghi được sao chép, giải quyết hiệu quả hơn so với các thanh ghi dữ liệu vật lý (PRF) được giới thiệu trên Sandy Bridge, cho phép chỉ lưu trữ đối với những dữ liệu được đăng kí trước - điều này sẽ làm giảm tải cho các đơn vị xử lý dữ liệu khác.

Một thay đổi đáng giá khác liên quan đến đơn vị phân chia (có tác dụng làm tăng thông lượng), các tập lệnh AVX và SSE được tăng cường nhờ việc bổ xung6 thanh ghi chia và tải dữ liệu. Intel cũng đã sửa đổi các dữ liệu trong bộ nhớ cache được điều chỉnh tự động và ưu tiên cho các ứng dụng cần băng thông lớn, khai thác bộ nhớ cache hiệu quả hơn, đặc biệt là trong các nhiệm vụ đa luồng.

Lần đầu tiên, Intel sử dụng thuật toán điền số ngẫu nhiên ((Digital Random Number Generator, DRNG) cho phép tăng cường hiệu suất tính toán và xử lý các thuật toán mã hoá lên tới 2-3Gbit/s.

Với những công nghệ bảo mật hiện có, chẳng hạn như NX- bit, còn được gọi là cơ chế giám sát các tiến trình mở rộng (Supervisor Mode Execution Protection - SMEP) , bảo vệ các khu vực quan trọng của hệ thống, chống lại các phần mềm độc hại với những cờ đặc biệt.

4. Bộ xử lý đồ hoạ

Có rất nhiều sự thay đổi thú vị cho GPU ở Ivy Bridge, điều mà có lẽ là lý do quan trọng nhất để Intel trao tặng dạnh hiệu “Tick +” cho Ivy Bridge.

Một trong những sáng kiến quan trọng nhất là có thể nhìn thấy đó là việc hỗ trợ DirectX 11, Shader Model 5.0 (Sandy Bridge: DirectX 10.1 / SM 4.1), bên cạnh đó là việc hỗ trợ OpenGL 3.1 và OpenCL 1,1. Trước kia, chip đồ họa của Intel thường chậm hơn 1 thế hệ so với CPU (CPU tiến trình 32nm thì GPU mới chỉ 45nm). Sandy Bridge đã hợp nhất 2 con chip này trên một đế, chế tạo chung ở tiến trình 32nm và giờ đây Ivy Bridge tiếp tục làm điều đó ở tiến trình 22nm, Tuy vậy, có vẻ như lần này Intel cũng quyết tâm đầu tư khá nhiều vào GPU, nâng số EU (execution units) từ 12 lên 16 để nâng cao hiệu năng xử lý. Do vậy, có thể kích thước đế Ivy cũng sẽ không thay đổi nhiều vì CPU nhỏ hơn như GPU lại to hơn. Với 16 EU, Ivy đã có thể hỗ trợ 3 màn hình thay vì chỉ tối đa 2 màn hình như trước đây, và độ phân giải tối đa hỗ trợ lên tới 4K.

3D là những gì mà Ivy chứng tỏ chúng mạnh mẽ hơn Sandy. Intel chia chip đồ họa trên Ivy thành 2 phiên bản khác nhau, 1 phiên bản GT2 chứa 16EU trong khi GT1 có thể chỉ là 8EU. Năm ngoái, con số này trên Sandy là 12 và 6 EU. Ngoài ra, phiên bản GT2 cũng đồng thời hỗ trợ 2 bộ lấy mẫu còn GT1 chỉ có 1. Nâng cao sức mạnh cũng chẳng để làm gì nếu không hỗ trợ các thư viện đồ họa như DirectX hay OpenGL, CL.

Nói gì thì nói, chúng ta cần 1 con số để biết Ivy mạnh hơn Sandy thế nào. Mỗi 1 EU trên Ivy mạnh gần gấp đôi 1 EU trên Sandy, tức là năng lực xử lý GFLOPS sẽ tăng gần gấp đôi trên mỗi EU. Tính trung bình thì GPU của Ivy mạnh hơn Sandy khoảng 60% xét về tổng thể, một số thử nghiệm đổ bóng kết hợp của CPU và GPU thì nó còn mạnh hơn khoảng 32 lần!

5. Các hệ thống kết nối

Bên cạnh những cải tiến về bộ vi xử lý, bộ xử lý đồ hoạ, các bộ nhớ Cache, các hệ thống kết nối cũng chiếm một vai trò khá quan trọng trong cuộc cách mạng mang tên Ivy Bridge.

Bộ nhớ cũng được hỗ trợ lên mức  DDR3 1600MHz  (800 MHz I / O) - tăng từ 1333MHz trên Sandy Bridge. Bên cạnh đó, nó cũng hỗ trợ công nghệ DDR3L-DIMM chỉ tiêu tốn 1,35 volt, trong khi chuẩn DDR3 tiêu tốn khoảng 1,5 volt. Việc tiêu thụ điện năng thấp hơn có tầm quan trọng cực lớn đối với các thiết bị di động, ví dụ như ultrabooks. Một điểm mới nữa đó là việc hỗ trợ cơ chế tự điều khiển luồng điện vào ra, giúp gia tăng thời lượng pin cho máy, khiến lượng điện tiêu thụ trong lúc nhàn rỗi chỉ dừng lại ở mức 100mW.

Sau khi có thông báo về việc PCI Express 3.0 không được hỗ trợ trên các sản phẩm Sandy Bridge E platform gây ra nhiều thất vọng cho người dùng thì Ivy Bridge ngay từ đầu đã hỗ trợ điều đó. Tốc độ truyền tải có thể đạt từ 5 đến 8 GT /s, khả năng mã hoá có thể lên tới 128-130b, băng thông cho mỗi liên kết được tăng gấp đôi lên gần 1 GB /s. Tổng cộng có 16 luồng xử lý khác nhau.

Trái ngược với nhiều người mong đợi, bộ điều khiển màn hình và giải mã video Quick Sync không nằm trên GPU, mà nằm trên các hệ thống kết nối. Trong khi Sandy Bridge chỉ có thể xuất dữ liệu ra 2 màn hình với độ phân giải tối đa là 2560 x 1600 pixels thì bây giờ lên đến 3 màn hình và độ phân giải 4K (thông qua HDMI 1.4a hoặc DisplayPort 1.1). Các bộ xử lý, giải mã video cũng được cải tiến, mang tới tốc độ xử lý nhanh hơn nhiều so với Sandy Bridge. Intel Wireless Display (WiDi) 3.0 giờ đây cũng truyền tải video 1080p với tốc độ 60 fps.

6. Chipset

Khoảng hai tuần trước khi tung ra Ivy Bridge, Intel đã công bố chipset mới - Series 7 với 5 cải tiến đáng giá cho các thiết bị máy tính xách tay. Phiên bản thứ 6 – QS76 là một cái tiến cực kỳ quan trọng đối với các ultrabooks so với chipset QM77 trước đó.

Intel cho biết Ivy Bridge sẽ tương thích ngược với các mainboard LGA-1155. Tuy vậy, họ cũng sẽ ra mắt những chipset mới tối ưu cho Ivy và chắc chắn dòng chipset này sẽ hỗ trợ nhưng tính năng mới như PCI Express 3.0, USB 3.0.... Chipset mới của Ivy Bridge hỗ trợ 4 cổng USB 3.0 trực tiếp trên bo mạch chủ và có thể mở rộng để hỗ trợ nhiều cổng kết nối khác nữa.  Không có nhiều cải tiến cho chuẩn kết nối SATA III.

Tất nhiên, chipset cho Ivy sẽ thuộc dòng 7-series do dòng 6 là của Sandy rồi, hiện tại thì các mẫu Z77, Z75, H77, Q77, W75 và B75 đã được Intel xác nhận.

7. Công suất tiêu thụ

Nếu muốn tìm 1 con chip tiết kiệm điện thì Ivy Bridge chính là dòng chip mà bạn nên chờ đợi. Như đã nói ở trên, cùng mức xung nhịp xử lý thì Ivy Bridge mạnh hơn Sandy khoảng 4-6% đồng thời chỉ sử dụng khoảng 75-80% lượng năng lượng mà Sandy tiêu thụ. Tuy vậy, đây vẫn chưa phải là phần thú vị nhất về khả năng tiêu thụ điện năng của Ivy, bên cạnh việc tối ưu hóa hơn các giải pháp đã xuất hiện trên Sandy như System Agent Voltages hay Power Aware Interrupt Routing, Intel đưa ra 1 giải pháp mới là TDP có thể cấu hình (Configurable TDP-cTDP)

Đây là một bước tiến mới của Intel nhằm giúp các nhà sản xuất giới thiệu nhiều giải pháp linh hoạt hơn cho khách hàng. Tất cả các bộ xử lý hiện tại đều đòi hỏi phải sử dụng các hệ thống tản nhiệt khác nhau để làm mát nó và người ta đo nó bằng TDP (thermal design point). Hệ thống nào có TDP cao hơn thì sẽ đòi hỏi tản nhiệt tốt hơn, TDP thấp thì tỏa nhiệt ít hơn. Trước đây, Intel đã tận dụng TDP cao trong thời gian ngắn nhằm kích hoạt tính năng Turbo Boost nhưng hiện tại thì cTDP là một giải pháp xuất sắc hơn nữa

Cùng đón chờ phần 2 của bài viết với những bài kiểm tra đánh giá hiệu năng chi tiết và cụ thể của dòng chip Ivy Brigde!