Si è da poco conclusa l’ultima edizione dell’Intel Developer Forum 2011 di San Francisco dalla quale sono emerse le novità che il più grosso chipmaker al mondo si appresta ad introdurre sul mercato, assieme a tutta una pletora di applicazioni sperimentali e tecnologie attualmente ancora nello stato embrionale. Fra gli argomenti di discussione, quelli legati ai prodotti che vedremo già fra qualche mese appaiono i più interessanti.
La prossima evoluzione dell’architettura delle CPU Intel, attesa entro la fine del primo trimestre o l’inizio del secondo trimestre 2012, si chiamerà Ivy Bridge e rappresenterà la migrazione dell’attuale architettura Sandy Bridge verso un processo produttivo più raffinato. Con Ivy Bridge Intel proporrà anche una serie di modifiche principalmente mirate a ridurre i consumi e migliorare le prestazioni della GPU integrata.
Ivy Bridge si colloca nella fase Tick della sequenza “Tick-Tock” che Intel sta seguendo ormai da 5 anni per cadenzare il rilascio delle sue CPU. La strategia sta dando i suoi frutti permettendo al produttore di limitare gli imprevisti e rispettare i tempi prestabiliti che prevedono il rilascio di un nuovo prodotto all’incirca ogni 12 mesi. Nella fase “Tock” Intel introduce una nuova architettura utilizzando un processo produttivo collaudato, nella fase “Tick” quella stessa architettura viene migrata verso un processo produttivo più evoluto.
Le fasi tick tock che hanno caratterizzato lo sviluppo delle CPU Intel
Con Ivy Bridge non sarebbe del tutto corretto parlare di “fase Tick” pura in quanto al nuovo processo produttivo, che tra l’altro costituisce già di per sé una novità nella novità, sono state aggiunte importanti modifiche all’architettura di base. Mooly Eden, vicepresidente di Intel, ha indicato questa fase come “Tick+”.
Le novità non hanno influito sullo schema a blocchi dell’architettura: come Sandy Bridge anche Ivy Bridge prevede una forte integrazione fra core della CPU x86, componenti System Agent (controller delle memorie, DMI, interfaccia PCI Express e uscite video) e GPU. Le proporzioni sono invece cambiate: il produttore ha concesso decisamente più spazio al core grafico integrato segno del recepimento della sfida da parte di AMD che ha gettato il guanto delle APU Llano.
Mappa del die di Ivy Bridge
Mappa del die di Sandy Bridge
Il numero di transistor che Intel ha utilizzato nella realizzazione di una CPU Ivy Bridge quad-core è pari a 1,4 miliardi contro gli 1,16 miliardi di Sandy Bridge con un incremento di circa il 20 per cento. Appare evidente come la maggior parte di questi transistor sia stata impiegata proprio nel modulo GPU. I core x86, come tutta la restante logica delle CPU Ivy Bridge, sono realizzati con processo produttivo Intel a 22nm e transistor tri-gate 3D . Questa caratteristica costituisce uno dei principali fattori di riduzione dei consumi e delle dimensioni complessive del die. Per la prima volta una CPU mobile quad-core avrà un TDP di appena 35W contro i 45W dei modelli più parsimoniosi della famiglia Sandy Bridge.
Per raggiungere un simile risultato il produttore ha lavorato su ulteriori aspetti come il miglioramento del power gating, la differente gestione del TDP ed il supporto per memorie a bassa tensione. La maggior parte delle caratteristiche non ha però subito alcuna modifica evidente.
Ivy Bridge e Sandy Bridge si assomigliano molto
Come accade per Sandy Bridge, all’interno dello stesso die Intel ha integrato i core x86, il chip grafico, il motore video, il controller delle memorie, quello PCI Express ed un sistema di cache condivisa. Tutti questi componenti continuano a dialogare tramite un’interconnessione ad anello. Una simile struttura permette di utilizzare schede madri meno complesse governate da un singolo chip il quale si occupa solo di gestire i tradizionali compiti di un southbridge, ovvero quelli di garantire la necessaria connettività. Ecco dunque che resta in piedi anche la struttura della piattaforma dual chip composta da CPU e PCH (Platform Controller Hub).
Le principali novità di Ivy Bridge
Anche se lo strato più esterno resta esattamente lo stesso, qualche piccolo miglioramento è stato introdotto. Intel afferma che Ivy Bridge, a parità di frequenza di Sandy Bridge, è in grado di offrire performance leggermente superiori (si parla di valori massimi del 6 percento). In particolare le strutture che hanno subìto una rivisitazione sono quelle legate alla tecnologia Hyper Threading che ora possono trarre vantaggio da un’allocazione dinamica delle risorse condivise fra thread (in Sandy Bridge molti buffer e registri utilizzati dall’HT sono partizionati in maniera statica). Un’iniezione di potenza è arrivata anche per le unità di calcolo Integer e Floating Point: in particolare quest’ultima è in grado di fornire teoricamente un throughput doppio di quello di Sandy Bridge.
Intel ha introdotto ulteriori novità nel set di istruzioni. Un nuovo motore per la generazione di numeri random fornisce valori casuali di elevata qualità secondo gli standard ANSI X.92, NIST SP 800-90 e NIST FIPS 140-2/3 Level 2 con prestazioni fino a 3Gbps e di lunghezza pari a 16, 32 o 64-bit. Le applicazioni legate alla sicurezza possono trarre enormi benefici da questo modulo.
Sempre a vantaggio della sicurezza, Ivy Bridge prevede una modalità di esecuzione protetta (Supervisor Mode Execution Protection o SMEP) che offre una protezione hardware contro la possibilità di eseguire codice a livello privilegiato quando l’utente è di livello più basso (attacchi di tipo Escalation of Privilge o EoP).
Controller delle memorie, overclock e consumi
Ivy Bridge permette di spingersi oltre nel supporto all’overclock. Partendo ancora da una frequenza di riferimento di 100MHz, la nuova architettura mette a disposizione dell’utente un moltiplicatore massimo di 63x superando la limitazione di 57x di Sandy Bridge (cosa che farà sicuramente felici gli overclockers perché la massima frequenza di 5700MHz ottenuta dalla modifica del moltiplicatore si raggiunge facilmente in presenza di raffreddamenti estremi). Ovviamente tale parametro sarà completamente gestibile solo con i modelli della serie K . Aggiunti inoltre nuovi valori di moltiplicazione per le memorie per essere impostate in maniera più flessibile rispetto a Sandy Bridge e raggiungere frequenze più elevate (2,8GHz contro 2,33GHz).
Per i modelli mobile di Ivy Bridge, oltre alle memorie DDR3 standard, sono supportate quelle DDR3L che funzionano a tensione più bassa (1,35V invece di 1,5V).
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Ottimizzazioni per la riduzione dei consumi
La riduzione dei consumi passa anche per una più fine applicazione del concetto di power gating . Uno dei moduli che finora era rimasto fuori dalla politica di spegnimento di Sandy Bridge è quello dell’interfaccia con le memorie DDR3: con Ivy Bridge, quando non vi sono scambi dati attivi con le memorie esterne, l’interfaccia DDR3 può essere completamente spenta.
Altro aspetto interessante nella lotta alle inefficienze energetiche è quello che Intel indica come PAIR o Power Aware Interrupt Routing : gli interrupt che sopraggiungono da una periferica di I/O sono gestiti attualmente tutti dal Core 0. Se questo però è in modalità sleep viene costretto a risvegliarsi mentre magari il Core 2 era attivo e avrebbe potuto gestire la richiesta senza alcun problema. Grazie alla tecnologia PAIR questo è esattamente ciò che accade: gli interrupt vengono gestiti da uno dei core attivi in quel momento, non necessariamente dal Core 0.
Austerità anche per i componenti che fanno parte della sezione System Agent (memory controller, interfaccia PCI Express, DMI e uscite video) che hanno visto una riduzione della loro tensione di funzionamento ma solo per determinati modelli di Ivy Bridge, segno che Intel differenzierà i futuri processori anche sotto questo aspetto.
Curva delle tensioni di funzionamento
Intel ha inoltre raffinato la curva che caratterizza le tensioni di funzionamento in base alla frequenza attuale della CPU . Nonostante Sandy Bridge funzioni a numerose frequenze comprese fra un minimo ed un massimo, sono presenti solo tre valori di tensione relativi alle frequenze di funzionamento LFM (idle), nominale e turbo. Per tutte le frequenze intermedie sono applicati valori di tensione ricavati dall’interpolazione di questi tre punti. Con Ivy Bridge, per ogni valore di frequenza che la CPU può assumere (o comunque per un maggior numero di valori rispetto a Sandy Bridge), Intel ha calcolato la migliore tensione da applicare. La riduzione del valore di tensione rappresenta un’arma formidabile nel contenimento dei consumi in quanto fra le due grandezze esiste una relazione quadratica (W=V 2 /R).
TDP configurabile
Ivy Bridge, nelle sue declinazioni Ultra Low Voltage (ULV) ed Extreme Edition, offrirà la possibilità agli OEM di configurarne il valore di TDP . In questo modo un assemblatore può utilizzare la stessa CPU per ottenere maggiori prestazioni o minori consumi semplicemente agendo sul sistema di dissipazione e sullo chassis. I modelli di Ivy Bridge che saranno dotati di questa feature disporranno di tre possibili TDP: TDP Up , Nominal e TDP Down . Ivy Bridge Extreme Edition avrà TDP Up, Nominal e Down pari a 45W, 55W e 65W rispettivamente mentre per IB ULV i valori saranno pari a 13W, 17W e 33W. Un sistema Ultrabook che utilizza una simile CPU potrà offrire prestazioni superiori semplicemente utilizzando una docking station capace di migliorare il sistema di dissipazione. Viceversa, la stessa CPU potrà essere utilizzata per dispositivi con capacità di dissipazione più limitate, come un tablet, seppure con prestazioni ridotte.
Specifiche tecniche Ivy Bridge
Le principali novità in Ivy Bridge riguardano la GPU integrata. Le funzionalità hardware dedicate a questo componente sono state arricchite e notevolmente potenziale. Intel dichiara di aver apportato modifiche sostanziali capaci di garantire un livello prestazionale superiore fino al 60 per cento rispetto all’attuale generazione Sandy Bridge e di poter competere alla pari con le soluzioni Llano della rivale AMD.
Significative modifiche apportate alla iGPU
Il numero di EU, Execution Units (gli shaders dell’architettura Intel, quelli che AMD chiama Radeon Core e nVidia CUDA Cores), è salito da 12 (Sandy Bridge) a 16 (Ivy Bridge). Si tratta di in incremento del 34 per cento ma che in realtà si traduce in una potenza computazionale decisamente superiore, visto che adesso ogni singola unità è in grado di processare un numero doppio di istruzioni per clocks (IPC) .
Ottimizzazioni a vari livelli
Per creare un canale preferenziale di accesso alla memoria Intel ha inserito una cache L3 aggiuntiva dedicata alla sola GPU oltre a quella già presente anche in Sandy Bridge condivisa tra CPU e GPU. Questa soluzione. oltre a portare benefici prestazionali, permette di abbassare i consumi energetici in condizioni di IDLE grazie alla riduzione del traffico sul ring bus.
Cambiamenti strutturali alla microarchitettura
Potenziato anche il meccanismo di condivisione della memorie locale , adesso la GPU è in grado di effettuare un numero di operazioni di gather e scatter per clock 32 volte superiore rispetto a Sandy Bridge, mentre in ambito GPGPU si parla di incrementi prestazionali 20 volte superiori (in particolari condizioni).
Miglioramenti anche in ambito GPGPU
Dal punto di vista delle features Intel si è adeguata ad AMD inserendo finalmente il supporto a DirectX 11, OpenCL 1.1 e OpenGL 3.1 (a tal proposito è stata mostrata, durante l’IDF, l’esecuzione del gioco HAWX 2 con tesselletion abilitata). La GPU integrata in Ivy Bridge è in grado di pilotare 3 display indipendenti (contro i 2 di Sandy Bridge) ed offre la compatibilità con 3D stereoscopico ed HDMI 1.4. Migliorata decisamente anche la qualità del filtro anisotropico: Tom Piazza, Mobility Group Director di Intel per il settore della grafica integrata, ha affermato: “For those people who have been looking at our anisotropic angle thing, we now draw circles instead of flower petals”, riferendosi chiaramente alle figure del software AF tester la cui gestione è ora più efficace.
DirectX 11 finalmente
Una delle novità più interessanti introdotte con Sandy Bridge è stata sicuramente la tecnologia Quick Sync che permette di accelerare le operazioni di decodifica video via GPU. Con Ivy Bridge questa tecnologia subisce un ulteriore step evolutivo offrendo migliori performance in conversione e nuove features da applicare direttamente nello streaming video come lo scaling avanzato ed i filtri per il contrasto ed il colore. Inoltre, il nuovo motore Quick Sync sarà compatibile con lo standard MVC (Multiview Video Coding) necessario per la codifica dei Blu-ray 3D e probabilmente anche con un parco software più ampio.
Quick Sync
Dopo tutti i cambiamenti di socket che si sono susseguiti nelle architetture degli ultimi anni, Intel ha finalmente deciso di utilizzare, per Ivy Bridge, la stessa piedinatura di Sandy Bridge. Nella sua presentazione all’IDF 2011, Mooly Eden ha specificato che le due CPU saranno “pin-to-pin compatible”.
Ma questo è sufficiente a garantirne il funzionamento sulle attuali schede madri socket LGA 1155? Lo abbiamo chiesto direttamente ai maggiori produttori di piattaforme che già offrono soluzioni basate sui chipset H67, P67 e Z68 per Sandy Bridge. Le risposte sono state abbastanza confortanti anche se non si esclude qualche piccolo problema : ad esempio ASUS afferma che forse sarà necessario un aggiornamento bios così come ASRock; MSI ci conferma invece piena compatibilità con i modelli Z68 GEN3 seppure non dovrebbero esserci problemi di sorta con i modelli precedenti. Gigabyte non ha invece sollevato alcuna obiezione mentre Sapphire dice di essere ancora in fase di test, in attesa della nuova revisione degli Engeneering Sample delle future CPU.
Insomma, un quadro abbastanza variegato ma che esclude quasi completamente la necessità di una nuova piattaforma. O almeno se non si è interessati alle nuove feature che Ivy Bridge porterà in dote con sé. Con i futuri processori Intel introdurrà anche i nuovi chipset della serie 7 , modelli Z77, Z75 e H77, e di conseguenza saranno rilasciate nuove schede madri che garantiranno il supporto a PCI Express 3.0 e connettività USB 3.0 nativa.
Chipset per Ivy Bridge
La nuova piattaforma per Ivy Bridge introduce il supporto nativo allo standard USB 3.0, cosa che con le piattaforme AMD accade ormai dai chipset della famiglia 8xx. Vera novità è invece rappresentata dal supporto per lo standard PCI Express 3.0 a garanzia di una banda dati doppia rispetto alla versione attuale dello stesso standard. Il supporto per la terza generazione di PCI Express potrebbe essere disponibile anche con le schede madri LGA 1155 attuali ma la cosa è da verificare modello per modello.
A cura di Dino Fratelli e Michele Carasia
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19 set 2011