Реализация P-ядер и E-ядер в современных операционных системах Intel 12 поколения

Реализация P-ядр и E-ядр в современных операционных системах Intel 12 поколения

В конце октября компания Intel представила 12-ое поколение процессоров Intel Core. Главной особенностью новых чипов является архитектура Alder Lake, благодаря которой стало возможным размещение двух типов ядер в процессоре. Intel называет эти ядра P — Performance (производительные) и E — Efficiency (эффективные). Действительно ли переход на архитектуру Alder Lake является революционным для десктопоного сегмента, либо же это маркетинг чистой воды и «овчинка не стоит выделки»? Попробуем разобраться.

Начать стоит с небольшого введения в понятие «больших» и «малых» ядер. В 12-м поколении процессоров Intel применила подход big.LITTLE — подобная компоновка ядер в процессоре широко применяется в мобильном сегменте. Так, почти все чипы для мобильных устройств включают в себя производительные и энергоэффективные ядра. Например, мобильный флагманский чип Snapdragon 888 имеет одно «сверхпроизводительное» ядро ARM Cortex-X1, три производительных («больших») ядра ARM Cortex-A78 и четыре энергоэффективных («малых») ядра ARM Cortex-A55.

Вычислительная архитектура big.LITTLE была разработана компанией ARM, чтобы ускорить смартфоны и повысить их автономность за счет экономии энергии процессором. Однако по какой-то причине до текущего года не существовало коммерчески успешных проектов big.LITTLE для архитектуры x86. А ведь размах для «творчества» есть.

Именно в этом направлении решила работать компания Intel, чтобы отправить заезженную вдоль и поперек архитектуру Skylake на заслуженную пенсию. В этом году Intel реализовала сразу обе части старой стратегии «Тик-Так» — перевела процессоры на техпроцесс Intel 7 (или 10-нм SuperFin), что соответствует «Тик», а также ввела новую архитектуру Alder Lake — «Так».

Итак, теперь стало понятно, что Intel применила подход big.LITTLE, но какие ядра используются в Alder Lake? На этот вопрос компания ответила еще в августе, представив ядра Golden Cove и Gracemont.

Golden Cove — это новые высокопроизводительные ядра, которые пришли на смену Cypress Cove (Rocket Lake). По заверению компании, Golden Cove обеспечивают прирост IPC (количество исполняемых инструкций за такт) на 19 % в сравнении с Cypress Cove. Кроме того, уменьшаются задержки в малопоточных нагрузках.

Существенным изменениям подверглась и компоновка ядра. Одно ядро Golden Cove включает в себя увеличенный кэш третьего уровня (1,25 МБ на ядро), 12 исполнительных блоков, пять декодеров, новый планировщик потоков и предсказатель переходов. Кроме того, была уменьшена латентность кэша L1 и оптимизирована пропускная способность кэша второго уровня.

Gracemont — это эффективное ядро, которое наследует идеологию Intel Atom. Gracemont по своему составу проще, чем Golden Cove и имеет всего один поток на ядро. Однако такая простота исполнения позволяет размещать ядра кластерами по четыре штуки на той же площади, какую занимает одно ядро Golden Cove.

Отсюда вытекает количество ядер/потоков в декстопных Alder Lake-S, например, Core i7-12700K имеет 12 ядер — восемь Golden Cove и один кластер с четырьмя ядрами Gracemont.

Ядра Gracemont — это самые энергоэффективные ядра Intel. Согласно данным компании, их однопоточная производительность на ватт на 40 % выше, чем у Skylake, что достигается благодаря целому ряду изменений в архитектуре.

В частности, ядра Gracemont получили кэш инструкций на 64 КБ и кэш данных объемом 32 КБ. Максимальный объем кэша второго уровня для кластера составляет 4 МБ. Ядро Gracemont оперирует 17 исполнительными портами и двумя блоками с шестью декодерами для независимых ветвей кода. Несмотря на все улучшения, ядра Gracemont не могут исполнять более пяти инструкций за такт, что в теории может отрицательно сказаться на их производительности при выполнении фоновых задач.

Ядра Gracemont, в основном, предназначены для процессов, которые при обычном использовании ПК «висят» в фоне, например, мессенджеры, браузеры, антивирусы и т.д. Также на ядра Gracemont «перекидывается» большинство задач, когда на ядрах Golden Cove начинается исполнение нового процесса. В качестве примера можно привести рендеринг и игры: если пользователь начнет рендерить видео, то процесс будет исполняться на Golden Cove, но, если во время рендеринга запустить видеоигру, то бывшая приоритетная задача перескочит на ядра Gracemont, из-за чего время рендеринга увеличится, хотя видеоигра, как основной процесс, будет работать стабильно. И вот здесь начинается магия взаимодействия аппаратной и программной части или результат сотрудничества Microsoft и Intel — Windows 11 и технология Thread Director.

Еще до официальной презентации Alder Lake Intel активно рекламировала технологию Thread Director, которая, по всей видимости, была создана в сотрудничестве с Microsoft. Thread Director — это такой аппаратный планировщик, который распределяет процессы по потокам. Подробнее об этой технологии можно почитать здесь. Если не хочется переходить по ссылке, демонстрацию работы Thread Director можно посмотреть в видео ниже:

Однако главная особенность Thread Director — это то, что технология работает только с Windows 11. Таким образом, Intel как бы говорит пользователям: «Хочешь полностью раскрыть производительность процессора — переходи на Windows 11». Однако действительно ли Thread Director является «рывком и прорывом» или же это маркетинг?

Дело в том, что Windows уже давно научилась сама распределять процессы по ядрам и потокам. Однако еще никогда софт не работал с двумя типами ядер, потому что таких процессоров попросту не было. Казалось бы, здесь и должен пригодиться Thread Director, как технология, созданная под новый тип процессора. На деле все оказалось проще.

В большом видеообзоре Core i9-12900K от канала Pro Hi-Tech есть показательный момент с тестированием процессора при одновременной нагрузке Adobe Premiere и «Компас 3D». Рендеринг был запущен в фоне, а инженерная софтина работала в активном режиме. По итогу оказалось, что и в Windows 11, и в Windows 10 рендеринг выполнялся на эффективных ядрах, а «Компас 3D» работал на производительных ядрах. Результаты этого теста оказались практически одинаковыми для обеих систем. Таким образом, Thread Director — это либо очередная маркетинговая «замануха», либо технология на перспективу.

Однако все же есть причина, по которой стоит использовать Alder Lake с ОС Windows 11 — задержки памяти. В Windows 11 эти задержки снижаются более чем на 20 %. По крайней мере, Pro Hi-Tech добился именно таких результатов при разогнанных модулях DDR5-5600 с таймингами 40-39-39-72. К слову, на время выполнения задач и FPS в играх сниженные задержки памяти почти никак не повлияли.

Intel, безусловно, сделала новый продукт для рынка настольных ПК. Однако не все программное обеспечение оказалось готово к архитектуре big.LITTLE. Так, сразу после выхода Alder Lake на рынок пользователи заметили, что некоторые игры не запускаются на системах с новыми процессорами.

Дело оказалось в том, что энергоэффективные ядра мешали запуску игр с защитой DRM Denuvo, вызывая различные сбои — об этом сообщила Intel в своем блоге. К счастью, проблема быстро разрешилась усилиями Denuvo.

Другие известные проблемы не столь критичны, и, если они возникают, быстро исправляются разработчиками ПО. Например, в синтетических тестах Cinebench R15 Core i9-12900K показывал аномально низкий результат многопоточной производительности в Windows 10 — 1223 балла. Тогда как нормальные значения в этом тесте на уровне 4000 балло

Итак, пора подвести краткий итог по линейке Alder Lake. Да, Intel сделала интересный продукт с необычной для декстопа архитектурой. Однако ряд проблем, включая «сырость» архитектуры, DDR5 с высокими задержками и местами неоптимизированный софт могут омрачить впечатление от использования новых процессоров. Кроме того, не стоит забывать о соотношении «цена-производительность». Учитывая цену на DDR5, материнские платы Z690 и сами процессоры Alder Lake, покупка подобной системы сейчас может быть не совсем оправдана.

Однако, если не обращать внимания на все эти факторы, то процессоры линейки Alder Lake — безусловные лидеры по производительности каждый в своем сегменте, а Core i9-12900K практически во всех современных играх и приложениях является наиболее производительным процессором.

Рекомендовать систему на базе Alder Lake и DDR5 можно только тем, кто не боится стать бета-тестером нового стандарта памяти и настольной архитектуры big.LITTLE. Кроме того, для Alder Lake все-таки желательно работать под Windows 11, так как даже с Thread Director (пусть и бутафорским) видно, что Intel целиком и полностью отдает предпочтение новой ОС. Вероятнее всего, в будущем будут выпущены патчи, которые дополнительно оптимизируют работу Alder Lake и DDR5 под Windows 11.

А если становиться бета-тестером за свои деньги не по душе, то можно обратить внимание на другие актуальные процессоры из линеек Intel Core 10^th/11^th Gen и Ryzen 3000/5000.

Что до того, было ли это верным решением, разделять ядра в десктопном процессоре, сейчас сказать трудно. Intel сделала свой продукт уникальным, как когда-то поступила AMD, представив Ryzen с чиплетной архитектурой и большим количеством ядер для того времени. Новая архитектура Intel определенно даст свои плоды, если не в этом поколении, то в будущих.