Jedním z klíčových cílů při vývoji Čtvrté generace procesorů Intel Core byla úspora energie, architektura se také může pochlubit řadou technologických prvenství a nově definuje to, co uživatelé běžně od procesorů čekají. Základní architektura čipu je velmi škálovatelná a produkty tak lze použít ve skutečně širokém spektru zařízení, my se ale nyní zaměříme na inovace procesoru Intel Core čtvrté generace právě v oblasti spotřeby.
Intel vyvinul v poslední době skutečně zajímavé portfolio architektonických funkcí a inovací technologického procesu za účelem snížení spotřeby. Například v segmentu ultrabooků nabízejí procesory Intel Core oproti předchozí generaci řádově nižší spotřebu v pohotovostním režimu. Navíc tato úspora energie nejde na úkor výkonu. Díky tomu mohou zařízení s těmito novými procesory nabízet „tvorbu obsahu” při úrovni spotřeby, kterou jsme si zvykli spojovat se zařízeními na „konzumaci obsahu”.
Zlepšení sahají od SoC a technologií na úrovni platformy až po špičkovou výrobní technologii. Pro zákazníky, kteří si kupují osobní počítače a jiná zařízení, to znamená, že produkty čtvrté generace Intel Core jim nabídnou nejvyšší nárůst kapacity baterie v dějinách Intelu, nové formáty zařízení typu 2 v 1, nejtenčí a nejflexibilnější dotyková zařízení i zcela přelomovou úroveň grafického výkonu v ultra tenkých počítačích.
Za scénou: architektura
Tento článek se bude předně věnovat pokroku učiněnému v oblasti SoC a architektury napájení platforem.
Existují dva různé režimy napájení CPU — aktivní režim a režim, kdy je procesor ve stavu nečinnosti. U napájení při aktivní činnosti procesor spotřebovává elektrickou energii, když uživatel zařízení „aktivně” používá — například když na něm sleduje nějaký film nebo pracuje s Photoshopem. Napájení ve stavu nečinnosti se děje v době, když je zařízení v pohotovostním režimu.
Stejně jako u předchozích generací CPU i teď společnost Intel výrazně zlepšila aktivní napájení agresivním využitím nízko napěťových okruhů a dalších technologií. Skutečný architektonický průlom však nastal v napájení ve stavu nečinnosti, kde procesory Intel Core čtvrté generace nabízejí v pohotovostním režimu (např. Win 8 Idle) dvoj až trojnásobnou výdrž baterie oproti předchozí generaci Ivy Bridge. Intel dosáhl tohoto revolučního průlomu vytvořením ultra nízkonapěťových stavů procesoru, kdy CPU spotřebovává pouhý zlomek energie oproti svým předchůdcům.
Hodně zajímavou funkcí je přidání na čip nového napájecího vedení, které v pohotovostním režimu umožňuje uzavřít většinu tranzistorů procesoru. Inženýři ooužili také zcela nové energeticky úspornější propojení mezi CPU a čipovou sadou s vysokou propustností a nízkou latencí.
Došlo rovněž k významným změnám v distribuci a správě energie na úrovni platformy. První změna vychází z potřeby integrovat veškeré regulátory napětí na vlastní procesor. Mechanismus se nazývá FIVR (Fully Integrated Voltage Regulator čili Plně integrovaný regulátor napětí). Jde o vůbec první takovou technologii v celém odvětví.
Výhody takové integrace jsou značné a významné. Za prvé díky FIVR je řada regulátorů napětí pro platformu — někdy je jich až sedm — sloučena do jednoho jediného. To má za výsledek nejen úsporu nákladů, ale rovněž se uspořila i plocha na základní desce, takže je možné vytvářet menší a tenčí přístroje. FIVR rovněž umožňuje kontrolovat dodávky energie pro subsystémy SOC, jako je grafika, CPU, paměť a další podstatně efektivnějším způsobem. Tato schopnost rychle přesměrovávat energii na různé subsystémy podle pracovní zátěže výrazně zvyšuje odezvu celého systému.
Intel rovněž nabídl nástroj pro správu energie nazvaný „Power Optimizer.” Jeho účelem je pomoci navrhnout agresivní úsporu energie napříč celou platformou a komponenty, aniž by došlo k omezení odezvy platformy. Podle měření společnosti Intel bylo právě díky této technologii dosaženo dvacetinásobné snížení spotřeby energie v nečinnosti oproti platformě z roku 2011.
Druhá změna leží v již mnohokráte tolik veřejně probírané proměně výrobní technologie. Bez nadsázky celé odvětví očekává při jejím zavedení zlepšení spotřeby i hustoty napříč všemi generacemi vyráběnými novým výrobním procesem. Nicméně v případě Intel Core čtvrté generace došlo k více než lineárnímu zlepšení.
Pohled do zákulisí: 22nm proces
Procesory Intel Core čtvrté generace byly vyvíjeny s vizí, že tranzistory 3D Tri-Gate nabídnou vynikající výkon při podstatně nižší spotřebě. Konstruktéři pracující na vývoji nové výrobní technologie chtěli snížit zbytkový proud tranzistorů dvakrát až třikrát oproti verzím používaným na Ivy Bridge, což by se promítlo do nižší spotřeby v pohotovostním režimu. Rovněž šlo o to snížit minimální provozní napětí obvodů tak, aby se snížil dynamický příkon. Spotřeba energie se stala hlavním cílem jak pro tým pracující na výrobní technologii, tak pro tým pracující na návrhu čipu.
Za normálních okolností při snížení úniku energie z tranzistoru dochází ke dvěma negativním vedlejším účinkům — sníží se výkon tranzistoru a zvýší se minimální napětí, při jakém může obvod fungovat.
Tyto dva vedlejší účinky musely být překonány, aby mohla být čtvrtá generace procesorů Core úspěšná. Práce byla značně interaktivní, mezi zmíněnými týmy docházelo k častým diskusím. Jejich cílem bylo určit, který z nich může nabídnout lepší řešení konkrétních problémů.
Co se týče technologie výroby, zbytkový proud tranzistorů se snížil dvakrát až třikrát, aniž by to nějak ovlivnilo výkon. Operační frekvence přitom byla stejná jako verze používaná při představení Ivy Bridge.
Dalším úkolem bylo udržet minimální funkční provozní napětí tak, aby nedošlo ke ztrátě něčeho, čehož bylo dosaženo úsporou energie. To je velmi důležitý ohled, protože podle fyzikálních zákonů když dojde ke snížení napětí o jisté množství, je dosaženo násobného snížení spotřeby. Napětí se projeví ve druhé mocnině a i kapacita poklesne. [P = CV2f]. Kde P je aktivní energie potřebná pro přepnutí transistoru, C celková přepínaná kapacita, V operační napětí a f přepínací frekvence. A to je velmi výhodné.
Právě zde sehrálo svou roli kouzlo 3D tranzistorů. Konstruktéři Intelu pracující na výrobní technologii dokázali snížit zbytkový proud, aniž by došlo k jevu, který bývá označován jako tranzistorový nesoulad, takže minimální napětí se prakticky nezměnilo.
Intel rovněž změnil svou výrobní technologii tak, aby pro procesory Intel Core čtvrté generace bylo možné dosáhnout snížení spotřeby energie. Konstruktéři spolupracovali s týmem navrhujícím čip, optimalizovali tranzistory i design obvodů, aby bylo dosaženo ještě nižšího funkčního napětí než u Ivy Bridge.
V mnoha ohledech je obtížné práci na výrobní technologii a na čipu samotném oddělit. Oba týmy velice úzce spolupracovaly a společně se podílely na vytvoření čtvrté generace procesorů Core, které nabídnou skvělý výkon a nízkou spotřebu energie. Právě to, že v rámci jedné společnosti je zastoupena jak výrobní technologie, tak design produktů, představuje obrovskou výhodu v oblasti flexibility – změny je možné provádět rychle a dosahovat optimálních výsledků.
Sci-fi už není zase takové sci-fi
Technické vymoženosti jsou určitě velkým úspěchem, ale skutečným vítězem je spotřebitel. Dostáváme se do věku, kdy vzhled výpočetního zařízení nebude definován potřebami jeho výpočetních částí, ty se naopak plně podřídí představám výrobce, potažmo požadavkům jeho zákazníků. Ten totiž na požádání dostane výkon a funkčnost plnohodnotného PC s tvarem a velikostí, kterou si řekne. Výsledkem jsou tenké a flexibilní výpočetní přístroje s dotykovými funkcemi, podstatně delší životností baterie a rovněž jsou to zařízení, která jsou vždy v pohotovostním stavu. Tolik jen pro zatím, technologie ze sci-fi snímků z přelomu tisíciletí již také klepou na dveře.