架构和制程的革命 揭秘22纳米和Haswell

 ◎第四代酷睿 架构和制程双向领先

　　英特尔的CPU研发战略是著名的“Tick-Tock”原则，其中的Tick代表制程、Tock代表架构，而“Tick-Tock”原则是以年为计算单位的，所以总结一下“Tick-Tock”就是每一年推出一代崭新制程的产品、下一年就在崭新制程的基础上推出崭新架构的产品。2013年是英特尔的TOCK年，所以这一代的Haswell核心就是一款建立在最新制程基础上的架构革新产品，当然我们也不能忘记这一点：Haswell的核心制程是22纳米，它所采用的是英特尔22纳米3-D三栅极晶体管技术，Haswell在架构和制程上都走在了世界的最前端。

　　Haswell核心采用的是22纳米3-D三栅极晶体管技术，在制程技术方面和上一代的Ivy Bridge是一样的，确实也是如此，因为Haswell是TOCK代的产物，所以在制程方面相比上一代不会有什么太大的变动，而架构方面的变动才是Haswell的主线。

英特尔近年处理器研发节奏和布局

　　还有一个重要的改变，就是Haswell的电路架构有了很大的变化，在Haswell处理器电路中设计有功耗单元，这是英特尔用来精确调整CPU核心供电的技术。目前的主板上一般都设计有CPU供电系统，我们在评价一款主板的时候往往会先看这款主板的供电“有多少相”，这就是主板的供电模块。为了提高对CPU的供电效率，主板厂商往往使用多相供电，技嘉的Z77X-UP7主板供电高达32相，显然英特尔需要精度更高的调压模块，所以Haswell就是英特尔的第一步：将VRM模块集成到CPU内，英特尔将其称为FIVR——全集成式电压调节模块，当然，也只有最新的22纳米制程才让英特尔能够有如此大的设计空间来将更多的功能整合到CPU芯片中。

◎22纳米3-D晶体管带来的改善

　　22纳米有多大？要搞明白这个问题，首先我们必须搞清楚纳米的概念是什么，让我们做一个简单的换算：1米=1000毫米，1毫米=1000微米，1微米=1000纳米，也就是说1纳米就等于把1毫米缩小100万倍。这是怎样的概念？也就是100万纳米才等于我们在尺子上所看到的最小刻度。用原子作为参照物来看，1纳米相当于原子半径的四倍，所以22纳米的大小，用肉眼是不可能观察到的。我们的计算机核心处理器正是由22纳米的晶体管构成的，在Haswell核心之中，14亿个晶体管才能构成我们所见到的Haswell酷睿处理器的单颗晶圆，这样的数字确实是惊人的。

3D晶体管的显微镜形态 各种立体感

　　3-D三栅极晶体管的电流控制是通过鳍状物三面的每个（栅极）通道，这样设计可以保证提供更多的电流控制通道，可以使晶体管在开启状态下通过更多的电流，在关闭的状态下尽可能让电流接近于零，而22纳米工艺明显能让单位面积中容纳更多的晶体管电路，这样一来就能实现降低功耗的同时提高性能的目的。

3D晶体管的模型

　　放到设计端来看，22纳米允许设计者将更复杂的电路缩小到跟原来同样的体积，而同样的，如果要实现跟原来等同的性能，那么只需要比此前小40%的电路面积就能实现，对于设计者来说，这无疑是给了他们很大的设计空间或余地。3-D三栅极晶体管的电流控制是通过鳍状物三面的每个（栅极）通道，这样设计可以保证提供更多的电流控制通道，可以使晶体管在开启状态下通过更多的电流，在关闭的状态下尽可能让电流接近于零，而22纳米工艺明显能让单位面积中容纳更多的晶体管电路，这样一来就能实现降低功耗的同时提高性能的目的。

◎新架构和新制程带来更强的性能

　　从芯片晶圆微观示意图中我们能够看到Haswell在核芯显卡上拥有着比IVB核心核芯显卡更多的流处理器，可以看到英特尔方面在核芯显卡上的努力。我们手上的两颗Haswell处理器分别是Core i5-4670K和Core i7-4770K，这两款都是K系列的超频版处理器，并且都采用了HD4600的核芯显卡。

Haswell核心架构 Graphics的架构有不少变化

新的锐炬系列核芯显卡

　　实际上这次Haswell的酷睿i5和i7系列最低都采用了HD4600的核芯显卡，这和之前并不一样。那么可能有人会问一个问题：目前的桌面级酷睿中，HD4600是最顶级的核芯显卡型号吗？答案是否定的。HD4600不是最顶级的核芯显卡型号，在其上还有更高的核芯显卡型号。这次英特尔发布的新核芯显卡品牌，名字就叫锐炬（Iris），而更高级别的核芯显卡则被注册为锐炬Pro商标（Iris Pro），而在首批发布的酷睿处理器中，目前只有Core i7-4770R采用了锐炬Pro的核芯显卡。

◎核芯显卡的提升到底有多少？

　　用测试来说明性能的提升是我们常用的方法，事实上我们所进行的测试项目也比较正规和线性化，这次我们的测试处理器中甚至有些还并不能将3Dmark 11完全跑下来，这是因为它们并未提供对DX11的支持。事实上我们恰恰可以从这里看到英特尔在这三年中的技术进步——从一开始的不支持到完全支持DX11接口，英特尔只用了两年多的时间，进步速度不可谓不快。

　　接下来就是3Dmark 11的测试对比了，我们收集了这三年以来的三种不同核心处理器放在一起进行测试，我们可以清晰地看到英特尔从无到有、从较低性能到强大性能的改进。

3DMark 11测试场景

　　上面是Core i7-4770K处理器及其核芯显卡在3DMark 11测试中的表现，从成绩中我们看到Core i7-4770K处理器的总分达到了1447分，而上一代的同频率产品Core i7-3770K则只有770分，Core i7-4770K处理器相比上一代的提升直接翻倍了。

◎当然 我们不能忘记功耗的进步

　　采用最新22纳米3-D三栅极晶体管工艺制造的第四代智能英特尔酷睿处理器在功耗方面显然也会获得极大的改善，记得上一代的IVB核心产品就已经让我们看到了英特尔在功耗方面的努力。那么这一代Haswell核心的智能酷睿Core i7-4770K处理器的功耗是多少呢？我们还是实际测试一下来看一看。当然我们也需要提醒一下，我们采用的是电源直接接入功耗测试仪的方法，所以这里的功耗数值其实是整体平台的功耗，包括了内存、主板、硬盘等等组件，这并不完全是CPU功耗的数字。

待机空载功耗

　　在待机空载的状态下，我们的测试平台整体功耗仅为33.82瓦，其中不包括显示器功耗、包含了电源损耗、硬盘功耗、内存功耗、键鼠功耗和主板功耗，实际上处理器这边的功耗会比这个值还要低不少。

CPU核心满载

　　在运行负载软件并确保Core i7-4770K处理器的所有8线程都满载时，我们发现平台整体的功耗会有比较大的增长，从上图中我们就可以看到功耗数值已经跳到了120瓦，比空载时增加了86瓦，这是CPU完全满载的情况下我们得到的结果。

3DMark 11运行状态

　　当然Core i7-4770K处理器的内部并不仅仅只有CPU核心，于是我们在关闭了CPU负载软件之后又打开了3Dmark 11这款3D效能测试软件，在第二场景中得到的相对平衡功率是115瓦，此时GPU负载较大、CPU有部分负载。3DMark 11应该是比较能够代表主流的游戏状态了，换句话说，即使是在游戏状态下，我们手中的这套Core i7-4770K顶级平台也并不会超过120瓦的功耗，其实整体的功耗情况已经非常不错了。