Intel第六代处理器 Skylake CPU、GPU、主板完全解析

vikey_zhu

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CPU 篇


时间过的很快，对于老玩家来说，今年已经迎接第六代 Intel 处理器，当然这还不算古早时期的 Intel 产品。第六代处理器架构命名为 Skylake，根据 Intel 的 Tick-Tock 策略，这次来到了更换架构的 Tock 时程。相较于更换工艺的 Tick，变换架构的 Tock 往往能带来更大的效能提升，以及新功能、新技术的实装，这次我们就来看看 Skylake 处理器，新增了哪 4 大特色。

特色 1：工艺、架构双重升级
等等，你是不是搞错了什么？为什么 Skylake 会是工艺与架构都升级，刚刚不是才说 Skylake 属于更新架构的 Tock 时程吗？从策略面来说，Skylake 的确是延续 Broadwell 的 14nm 工艺。对于消费者而言，Haswell 之后就是紧接着 Skylake，因此可说是工艺、架构全都升级。现实点的朋友可能会问，从 Haswell 到 Skylake 有什么改变？
过往工艺升级，最显而易见的优点就是 TDP 降低。TDP 降低意味着你可以用更小的散热风扇，TDP 虽不等于耗电量，但 TDP 基本上与功耗成正比。比较 Haswell 与 Skylake 的主流四核心处理器 TDP，可看到从 84W 降低到了 65W，省电又减少废热自然是很强势的优点。

                               
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▲根据 Tick-Tock 策略，Skylake 已经是第六代产品，由先至后依序为 Nehalem、Sandy Bridge、Ivy Bridge、Haswell、Broadwell。


14nm 工艺 FinFET 缩小到 78%
刚刚提到工艺升级的实际好处，那你可能会反过来问工艺上 Intel 做了哪些改变？Skylake 用的是第二代 FinFET 晶体管管技术，14nm 与 22nm 的工艺相比，Skylake 的晶体管缩小到原先的 78%、FinFET 鳍片间距缩减到 70%、SRAM 面积更缩小到 54%。数字一再显示，单位面积内，Skylake 的晶体管数量远高于 Haswell，晶体管密度更高。
工艺升级要解决的大问题是漏电，虽然 Intel 未明确公布 Skylake 漏电控制的数据，但 Intel 曾说明 14nm 的每瓦效能是 22nm 工艺的 2 倍，同为 14nm 工艺的 Skylake 可预期功耗表现会优于 Haswell 才是。

                               
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▲这是 Intel 的 22nm 工艺 FinFET 图片，第二代的设计密度比这更高。


特色 2：DDR3、DDR4 无缝接轨
虽然在先前推出的 Haswell-E 平台上，已经可以支持 DDR4 内存。然而 Haswell-E 毕竟是高阶平台，在消费级产品 Skylake 平台上搭载还是比较有指标意义。特别的是，这次 Skylake 平台并非完全向 DDR4 靠拢，而是 DDR3、DDR4 双规格并行，可让主板制造商自行选择要搭配 DDR3 或 DDR4。
双规并行对消费者的好处显而易见，若你是从 Haswell 升级的人，大可不必丢弃你的 DDR3 内存，买张支持 DDR3 的 Skylake 平台主机版即可。如果你是从 DDR2 平台升级，或是要组台新计算机，那直上 DDR4 对未来的支持度更高。将选择权交给消费者，这点设计倒是让人由衷喜欢。

                               
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▲图为 DDR4-2133 的 8GB 内存模块，DDR3 与 DDR4 的防呆插槽不同，不可混用。


DDR3、DDR4 选哪个好？
很多人一定会问，到底要选 DDR3 或 DDR4 比较好？个人认为，如果你没预算或平台负担，当然是选择 DDR4 比较好。DDR4 规范早在 2012 年 9 月就大致底定，因此不会碰到规格突然改变的问题。
DDR4 内存相较于前代，有着高频率、低功耗、高带宽与易于超频的特性。普遍来说，DDR4 都是 DDR4-2133 起跳，最高约 DDR4-4000，且多数为 8GB 的大容量模块，4GB 只是过渡产品。但若你只是要组个基本的平台，选 DDR4 的成本可预见会比较高，且内存较难实际感受出效能差异，这数百至千元的价差是否划算，就端看你的选择而定。

特色 3：取消 FIVR，设计交还主板
FIVR 的全名是 Full Integrated Voltage Regulator，全整合型电压调节模块。FIVR 从 Haswell 开始搭载，Broadwell 持续使用，直到 Skylake 处理器才被取消。Intel 满早就透露取消 FIVR 的消息，我们无法得知取消的主因，但大多猜测 FIVR 设计方向没错，但目前技术会导致部分效率不彰，因而 Intel 选择在 Skylake 上取消这设计，然而未来可能会重新使用。
说了这么多那 FIVR 是什么？在 Haswell 时期为了强化处理器供电效率，过往主板必须设计 Core VR、Graphics VR、PLL VR、System Agent VR 等供电模块，并透过这些供电模块提供不同的电压给处理器。Intel 当然会想，如果设计个全能的电压调节模块，并内建于处理器内，会不会让供电更有效率？这就是 FIVR 的设计起源。
事实上，FIVR 对于精确控制电压的确有其效用，并能提高供电效率，主板厂商也不用设计一堆供电模块，简化了设计复杂度。因此你可以看到 Haswell 平台上，主板供电相数 4 相就能用，中高阶版本也不过 8 至 12 相。过往 24 甚至 36 相的供电已经不存在，但取消 FIVR 后会不会再度复苏值得观察。

                               
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▲FIVR 是 Haswell 平台开始使用，图中可看出它整合了原先 Ivy Bridge 主板的大量供电模块。供电单一化之后，有助于提升供电效率，但也因为 FIVR 内建于处理器内，因此造成处理器的 TDP 因而提升。


FIVR 的隐忧与缺陷
然而 FIVR 会被取消肯定有其弊病，部分认为 FIVR 增加了处理器设计的复杂程度，毕竟必须将 FIVR 整合于处理器内。其次，主流的处理器 TDP（Thermal Design Power），从 Ivy Bridge 时期的 77W 提升到 84W，据称也是 FIVR 的影响。
此外，先前在 IDF 2015 大会上，有提到 FIVR 在 TDP 仅 4.5W 的 Skylake-Y 中表现不佳，因此可能是 Intel 决定整个架构删除 FIVR 的主因。

特色 4：BCLK 独立，超频更容易
先前 3 项特点对于部分玩家来说可能无感，但 Skylake 让 BCLK 独立，不会像过往与 PCI-E 频率连动，造成超频的瓶颈。虽然处理器倍频依然被锁，但 BCLK 可从 100MHz 超到 133MHz，相较于过去只有 5 至 10% 的超频幅度形成强烈对比。
Skylake 设计革新不仅于此
Skylake 除了上述比较容易理解的 4 项特点外，在 GPU、架构方面还有很多新的设计，举凡 EU 数量增加、供电设计更有效率、强化分支预测器等，都是 Skylake 的设计革新。但碍于篇幅有限，CPU 篇到此做个段落。
整体而言，Skylake 对我们而言不仅有架构上的改变，也有工艺上的提升，对于消费者来说，DDR3 与 DDR4 并存提供了更多的选择空间。对于玩家而言，BCLK 独立强化超频性，也是值得期待的特色。但新设计可能会带来额外的副作用，就如同当年的 FIVR 一般，新的设计会不会有其他问题，过阵子应该就会知道。但目前而言，Skylake 还是值得期待的新产品。

                               
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▲Skylake 的特色不仅只有上述 4 点，在 GPU、PCH 甚至是功能方面都有新功能或改进。个人认为，虽然近年处理器规格与效能进步幅度如挤牙膏般，但 Skylake 算是值得试试的产品。毕竟前面的 Haswell Refresh 与 Broadwell 太令人失望了，你说是不是？
GPU 篇

前文提到了Intel新处理器 Skylake 的 4 大特点，包括工艺提升、支持 DDR3 与 DDR4、取消 FIVR、BCLK 独立等功能。当然这仅止于处理器层面的变化，Skylake 平台还有绘图核心的改变，以及主板芯片组的改进。这次让我们来看看，Skylake 在绘图核心有哪些改变。

Intel 这几年处理器的效能增长如挤牙膏般一滴滴被压榨出来，而且绝大多数的增长都是显示核心层面，而非处理器本身的运算效能提升。从 HD Graphics 时代开始，Intel 显示核心的地位逐渐提升，近几年甚至能达到中低阶 NVIDIA 与 AMD 独立显卡的效能表现。
试想，当每颗处理器都有内建不亚于低阶独立显卡的显示效能，何必选择独立显卡呢？一方面可减少耗电量，再者也能释放计算机的可用空间。这次 Skylake 绘图核心主要在架构规模上提升，并且给了它个新的命名原则。

                               
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▲Skylake 的处理器分配如上图，最左侧即为绘图核心。


GPU 特色 1：EU 规模暴增
EU 是什么？EU(Eexecution Uunit) 是 Intel 绘图核心基本的运算单位，地位等同于 NVIDIA 的 CUDA Core，以及 AMD 的 ALU(Arithmetic Logic Unit)。过去在 Haswell 上使用的架构为 Gen 7.5，是将 10 个 EU、Thread Dispatch(线程调度器)、Sampler(采样器) 等组件，共同组成 1 组 Subslice。
若将 2 组 Subslice、Fixed function units，加上 L3 Data Cache，就成了完整的运算单元 Slice。因此 Slice 内有 20 个 EU，这也是为什么在 Haswell 上，完整的绘图核心规格都是 20 或 40 个 EU，例如 Core i7-4770K 的 GT2 有 20 个 EU，Core i7-4770R 的 GT3e 是 40 个 EU。至于低阶产品，核心架构肯定是会删减，因此只有 1 组 Subslice 构成 Slice，像是低阶的绘图核心 GT1 就只有 10 个 EU。

                               
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▲EU 是基本的运算单位，即便如此，内部还是有许多次层级的组件。


Gen 9 架构换汤不换药
Broadwell 时代进化到了 Gen 8 架构，此时 Slice 内的架构设计略有变化，每组 Subslice 内仅存 8 个 EU。你可能会问，这样效能不就更差了吗？的确，若 Slice 内仅有 2 组 Subslice 的话确实会让效能降低，但 Intel 让 Slice 内增为 3 组 Subslice，让整体的运作效率提升。

                               
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▲Gen 7.5 架构内 Subslice 有 10 个 EU，后来到了 Gen 8 时期为了效率，删减为8 个 EU。


为何 Broadwell 重新排列组合后效率会增加？从架构图中我们可以看到，每组 Subslice 内只有 8 个 EU，也就是说每个 Thread Dispatch(线程调度器)、Sampler(采样器) 可以更有效率分配。而运算效能的部分，可以藉由堆栈更多的 Subslice 来达成(也就是更多的 EU)，让 Broadwell 运算效能更高。因而在 Broadwell 上，看到的 EU 数量大多是 24 或 48 等等 8 的倍数。

                               
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▲Gen 8 与 Gen 9 皆采用 8 个 EU 的配置，并且由增加 Subslice 的总数，来达到提升整体效能的目的。简单来说，就是靠一堆运算单位来堆出效能。


到了 Skylake 时期，绘图核心架构被称为 Gen 8.5 或 Gen 9，从已知的架构来看，设计与 Broadwell 的 Gen 8 相同，差别仅在于显示核心内 Slice 数量最多增加到 3 组，EU 从原本的 24、48 个，增加到最多 72 个。

                               
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▲Skylake 时期 Slice 内有 3 组 Subslice，每个绘图核心内又有 3 组 Slice，因此EU总计有 8x3x3=72 个。


GPU 特色 2：型号新命名原则
刚刚说过，EU 从原本的 24 增加到最多 72 个，因此绘图核心的型号增加最高的 GT4 等级，再往下依序是 GT3、GT2、GT1。当然这是给厂商以及内部使用的型号，对消费者 Intel 仍保留了 Iris Pro、Iris、HD Graphics 等品牌营销代号。
且为了精简型号代码，型号从原本的 4 码变更为3码，像是 Iris 540、HD Graphics 515 等型号。你可以从型号中得知绘图效能高低，Iris Pro 优于 Iris 优于 HD Graphics。内建 72 个 EU 最高级的 GT4e 就是 Iris Pro，48 个 EU 的 GT3 与 GT3e 就是 Iris，再往下就是 HD Graphics。
重生的 GPU 效能
过往 Intel 的绘图效能都只有被嘲笑的份，但从 HD Graphics 时代开始已经有明显的进步，到了近几年，Iris 系列更是能与中低阶独立显示适配器抗衡。内建就能有不错的效能，何必多花钱买独立显卡。但仍有许多消费者认为独立显示芯片还是比较好，这造成了部分笔电上，搭配的独立显示芯片，竟然比内建的 Intel 显示效能还要差的怪现象。目前最高级的 Iris Pro，也就是 GT4e 等级，约莫等同 GTX 740、HD 7750。

                               
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▲Skylake 基本的 Gen 9 架构配置如上，可视情况再增加 Slice 以提升效能。


GPU 特色 3：eDRAM 运作改变
eDRAM 是 Haswell 开始搭载的硬件设计，简单来说它的作用为 L4 Cache。会增加这功能，主要是因为 IGP(整合型绘图芯片) 经常面临内存带宽不足的问题，Intel 提供的解决方式就是在处理器内，有个独立的内存区块也就是 eDRAM，频率最高 1.6GHz。
之所以位于独立区块，原因是这区块工艺不同于其他区域，且独立的好处是能随市场增加或减少内存容量，操作弹性较高。有意思的是，这 eDRAM 并非完全隶属于 GPU，而是可随状况动态调整支持 CPU(处理核心) 或 GPU(绘图核心)。这意味着，当安装独显的时候，eDRAM 就会完全替 CPU 工作，因为此时 GPU 是关闭的。
在Skylake时期，绘图核心可与处理核心共享 LLC(L3快取)，但跟 Haswell 时期相比，差异在于 eDRAM 运作方式改变。现在 eDRAM 控制器位于 System Agent，此时 LLC 能空出 512KB 的空间，让 eDRAM 被视为 LLC 与系统主存储器之间的快取机制。
然而，并非所有 Skylake 处理器都有 eDRAM 设计，像是 Core i7-6700K 就没有 eDRAM。一般而言 eDRAM 容量约 64 至 128MB 不等，最高频率 1.6GHz，读写的总线采分离设计，各有 32byte 的传输量。

                               
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▲eDRAM 可动态服务 CPU 或 GPU，但并非所有产品都有配制 eDARM。


GPU 特色 4：设计小改效率提升
虽说 Gen 9 跟 Gen 8 的架构设计大同小异，但深层仍有些变动，在此一并解说差异。基本的运算单位 EU，现在可将当下执行的线程中断，改执行其他线程，也就是 EU 可支持多任务的运作。此外，支持列表还有 round-robin，以及执行途中不中断的 32bit 浮点数原子式操作。
先前说过 LLC 空出多余的空间，这让 Shared Virtual Memory 的写入效能提升。材质样本现在可支持 NV12 YUV 格式。
此外，单一 Slice 内 L3 Cache 容量从先前的 384 至 576KB，增加到 768KB。并有共享内存，用以存放各 EU 间互通的数据。Skylake 的绘图核心靠的是 Graphics Technology Interface 与其他硬件沟通，它位于架构图最底下的位置，即为绘图核心的沟通接口，意义上与 LLC 连接。
Gen 9 架构的规格、效能，大多与 Gen 8 相同，但靠着比较多的 EU 总数，效能面还是可以胜过自家前代产品。且靠着已经成熟的 Slice 架构配置，可增减需要的 Subslice 数量，藉此作出产品区隔与效能差异。

                               
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▲中央橘黄色即为 Intel 这几年很重视的 Ring，用以连接处理器内各原件的信息，简单来看可视为数据的交换、传输管道。


靠堆量取胜的小改款
整体而言，Skylake 的绘图核心设计与 Haswell 相比变化不大，这让我们看到了当年 AMD 与 NVIDIA 的影子。靠着堆栈与切割运算单位，藉此达到效能增减的效果。以 Intel 目前的架构规模来说，这方式仍可运作一段时间，但仍有几点值得关注。
第一，绘图核心规模增加后，是否会影响到处理核心原本的表现，像是 TDP 的问题。其二，处理器内，能够容纳的绘图核心有多大的区块，虽然工艺精进晶体管密度更高，但总会有物理极限的问题，以及 Die 可用面积有限。

Skylake 的 Gen 9 架构，没带给我们太多的惊喜，但效能差距摆在眼前，对于消费者来说，关心的永远不会是架构上的改变。而是效能增加的多少，价格又便宜了多少。以这点来说，Skylake 应该还算相当成功的产品。
主板篇

前面介绍了 Skylake 处理器架构，以及 Gen 9 的 GPU 特色，大家对于 Skylake 平台应该有了基本的了解。但计算机并非有处理器就能运作，还得搭配主板支持才行。Intel 针对 Skylake 平台，推出了 100 系列的芯片组 (PCH)。部分读者表示，对于这次芯片组实在不知道该怎么挑才好，接下来我们除了介绍芯片组特色外，还带大家了解 Z170、H170、B150、H110 等主板有什么以及少了什么。

特色 1：插槽换新不相容
这次 100 系列有 Z170、Q170、H170、Q150、B150、H110 多种 PCH 型号，皆采用 Skylake 专属的 LGA 1151 插槽，虽然与 Haswell 相比只差了1个针脚，但很可惜地并未能向下兼容。更换脚位已经是 Intel 与 AMD 近年常用的手法，可促使消费者转移至新平台，且现在 2 年才换脚位，已经比之前好了一些。

                               
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▲虽然只差了 1 根针脚，但 Skylake 与 Haswell 平台并不相容。图片来源：legitreviews


特色 2：支持 DDR4 内存
在 CPU 篇我们曾经提到 Skylake 可支持 DDR3 或 DDR4 内存，Intel这次终于在主流平台上导入 DDR4。如果你有很大量的 DDR3 内存，那么你可以选择 100 系列支持 DDR3 内存的主板，但个人还是建议，DDR4 拥有高速、低功耗等优势，若没内存包袱还是直上新内存比较好。
如果你跟笔者一样三心二意，没关系！因处理器支持 DDR3 与 DDR4 控制器，在实务上的确可以做出Combo 也就是同时支持 DDR3 与 DDR4 内存的主板，让你保留未来的内存升级空间。

                               
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▲有不少厂商推出 DDR3、DDR4 双栖的主板，仔细看可发现内存插槽的防呆位置不同。



特色 3：DMI 3.0 带宽、速度暴增
Intel 在处理器与 PCH 之间沟通使用的是 DMI 通道，先前 DMI 2.0 通道仅有 PCI-E 2.0 x 4，带宽为双向 4GB/s，这次 100 系列主板将 DMI 升级为 3.0 版本，通道变为 PCI-E 3.0 x 4，带宽提升为 8GB/s。以往南桥芯片只提供 8 条的 PCI-E 通道，这次南桥竟然让规格提升到 PCI-E 3.0，且最多有 20 条可供使用。
PCH 需要运用大量的 PCI-E 通道给显示适配器、M.2 等第三方 SATA控制芯片，过去在 Z97 上经常会出现捉襟见肘的状况。100 系列主板提供大量高速的 PCI-E 3.0 通道，可望解除外接装置的限制，也让主板制造商能有更多的选择性。不再需要像过去安装大量高速装置，需要共享 PCI-E 带宽。现在USB 3.1 Gen 1 数量从 6 个变 10 个，也是大带宽带来的优势。

                               
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▲归功于 DMI 3.0 的大带宽，得以让主板拥有更快且更多的界面。



特色 4：Flexible I/O 最多 26 埠
Flexible I/O 是 Intel 为了弹性调配接口种类的设计，简单来说，100 系列上有 26 个埠位可供使用，像第一个就是给 USB 3.0 使用，第十二个就是给 PCI-E 使用，这些是固定只能定义给这类接口使用。但像是第十五个埠位，主板厂商就能选择要用于 PCI-E、Lan 或是 SATA，增加了调动的弹性，而不是Intel 说了算。
然而并非所有 100 系列主板都有 26 个埠位可供使用，会依照芯片等级进行屏蔽。高阶的 Z170 等主板自然有较多的埠位，而 H110 这类低阶产品，自然就只剩几个可用。因此 Flexible I/O 主要是针对中高阶产品而生，毕竟低阶产品都被屏蔽光了，自然也就相对少用到这功能。

                               
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▲Flexible I/O 可让厂商调配接口的种类，不再受限于Intel的接口配制设定。



主板到底差在哪？
以 Intel 公板设计来说，各 PCH 的最大差别在于接口的多寡，从规格比较表中，不难看出各主板间的差别在哪。对于一般消费者来说，挑张 B150 甚至 H110 就够用了，给你再多的界面你不去用它也只是浪费。
除 PCH 功能外，主板制造商常在中高阶主板上多些特殊功能，像是特殊的网卡、第三方控制器等硬件设计，或是更炫的外观。在这薄利时代，高阶产品已经不能代表用料用的好，碰到有良心的厂商大多会用相对好的用料。但低阶产品方面，常为了价格竞争在一些看不到的地方偷工减料，已经是很常见的状况。
对笔者来说，会宁愿挑张中低阶的主板当免洗的用，就算坏了也不心疼。毕竟高阶主板的价位常常高达中低阶产品的数倍以上，但事实上提供的功能设计，似乎不值得花这么大的价差去取得。至于这样买对不对，就真的是见仁见智了。

                               
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▲主板差在哪？从表格中应该不难看出就是接口的排列组合差异。

zheshiwo

多多学习！

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