Intel Skylake 新世代架構完全解析

本篇之資料來源主要取自 Intel 官方 IDF (Intel Developer Forum) 2015, San Franscisco 大會上揭示的投影片與 Intel 官方網站提供之資訊整理。

時序發展至今，Intel Core Microarchitecture 已經堂堂進入第六世代，在 Broadwell 的曇花一現 (台灣並未發售任何 Broadwell 架構的盒裝版桌上型電腦處理器) 之後，2015 – 2016 間 Intel 的主力架構－Skylake 已經有部分產品上市，本篇主要介紹 Skylake 架構與現有的主流－Haswell Refresh (例如 Xeon E3 v3、第四代 Core 等) 的差別。

處理器本身的改進

Intel 的處理器其實從 Sandy Bridge 之後就一直沒有甚麼很明顯的改變，例如 Ivy Bridge 只是 Sandy Bridge 的製程改進版、Haswell 相較於 Ivy Bridge 的差異只有 FIVR 設計和內建顯示強化的改變、Broadwell 也只是 Haswell 的製程改進版。

一如過去的經驗，Skylake 的改變相較於 Broadwell 與 Haswell 而言也不算太多，所以處理器本身的性能提升應該也是相當有限的，但架構上的變動與周邊設備的支援度改變則相當的多，比較明顯的變動站長在標題將使用紅色標示。

製造工藝提升

現有的主要產品－Haswell 基於 22nm 製造工藝製程，隨著 Tick-tock 規劃，於 2015 年中推出的 Broadwell 將製造工藝提升至 14nm 製程，隨後的 Skylake 架構處理器也延續 Broadwell 架構使用了相同的 14nm 製程。

(Intel 本次並未在發表時強調製程方面較 Broadwell 架構有任何改進。)

 

按：上圖中的 AVX3.2 只會在 Xeon 系列中出現，一般的消費性桌上型、筆記型電腦用 Skylake CPU 是不支援的，此外 PCIe4 也延期至 2017 年後，因此沒有在本世代出現。

指令執行前端性能的提升 (此部分專有名詞較多，若不想深入理解者建議跳過)

本次 Skylake 架構延續過去幾代的脈絡，在最高時脈上沒有明顯增長，核心架構的部分主要是朝 IPC (Instruction Per Clock，每個時脈執行的指令數) 提升、提升分支預測的命中率、更快速的預取 (Prefetch) 等方向進行。

主要的提升如下 (僅概述，詳情請看 Intel 官方的簡報圖)：

• 分區預測器的命中率強化、容量提升
• 更深的亂序執行緩衝區 (允許支援更寬的指令)
• 更快的預取 (Prefetch) 速度
• 資料載入、儲存的頻寬隨之提升
• 處理 L2 快取失誤、分頁失誤 (page miss) 的效率提升
• 用於提升快取管理性能的新指令
• 超執行緒 (Hyper-Threading，HT) 技術性能提升 (retirement 單元的寬度增加)
• AES-GCM 指令的效能提升 17%
• AES-CBC 指令的效能提升 33%

新增幾項內建的安全技術

Skylake 相較於 Broadwell 而言新增了以下兩項安全技術：

• Intel Software Guard Extensions (SGX)
• Intel Memory Protection Extensions (MPX)

核心部分的節能設計

近來 Intel 新架構很大程度著墨於「效率 (每瓦特的效能)」的提升，而在效能方面的提升反而很有限，Skylake 架構中針對 AVX2 指令集新增了電源閘的設計，當未使用到這部分電路時可以加以關閉以節省耗能，此外在 C1 State 與處理器閒置時的電源消耗也有所減少 (這部份對於筆記型電腦而言較為明顯)。

至於 TDP 的部分，Skylake 在桌上型電腦的部分目前可以看到的 TDP 配置，四核心系列的部分有： K 版不鎖頻系列的 91 W (略高於 Haswell Refresh 的 88 W)、一般型號的 65 W、低耗能型號的 35 W 三種配置，至於雙核心的部分則有：一般型號的 47 W、低耗能型號的 35 W 二種配置，除了 K 版不鎖蘋系列略高外，其餘均維持在 Broadwell 的水平。

而筆記型電腦的部分，四核心系列有 45 W 的一般電壓版、15 W 的超低電壓版 (Skylake-U)，雙核心系列則有 35 W 一般電壓版與 15 W 的超低電壓版。

至於 Core M (用於平板電腦、二合一雙效裝置等，目前正在測試是否能搭載到手機上) 則 TDP 只有 4.5W。

快取記憶體方面的增強

Skylake 架構中，L3 快取 (Last Level Cache, LLC) miss handling 與內部互連的吞吐率 (throughput) 加倍，且內部互連吞吐量的加倍並沒有帶來任何耗電量的提升。

此外，預期在筆記型電腦平台上也會有更多的型號整合 eDRAM，對於整合了 eDRAM 的型號而言，eDRAM 的管理方式也與 Broadwell 有所不同，Skylake 中 eDRAM 的控制單元在架構上被挪到 System Agent 的部分，因此也不再需要耗費每個核心 512 KB 的空間來做為 L4 Tags 使用。

按：桌上型電腦系列將不會整合 eDRAM。

▼ 下圖是 Broadwell 架構中的快取階層設計。

 

▼ 下圖為 Skylake 架構的新設計，LLC 中不再需要切出一塊來當成 L4 Tags 使用。

供電設計的改變

Haswell 架構中，Intel 將對 CPU 供電的穩壓模組整合入處理器中，稱之為 FIVR (Fully Integrated Voltage Regulator)，在 FIVR 設計中，主機板廠商將不再需要設計那麼複雜的供電電路，外部 VRM (電壓調節模組，Voltage Regulator Module) 的線路變得非常簡單。

但在 Skylake 架構中，FIVR 的設計被取消 (據說是超低電壓版中 FIVR 的效率未達標，因此暫時取消，預計在後續的改版會加回)，回到了類似於以往 Ivy Bridge 與 Sandy Bridge 或更早期使用的 IMVP8 (Intel Mobile Voltage Positioning) 設計，所以可以看到本次推出的新主機板再次回到以往瘋狂撒料滿滿的 MOSFET 的樣子，各家主機板廠商再次打起了相位數大戰。

系列編成方面的調整

在 Skylake 架構中，Intel 久違的調整了各個系列配置的核心數目，雖然最高仍然是四核心八線程 (4C8T) 結構，但最主要有看點的地方是筆記型電腦的部分。

以下僅列出截至 2015/09/03 當下 Intel 已經公開的系列分界。

• Core i7 系列 (全系列搭載 HyperThreading)
  筆記型電腦一般電壓款依舊為 4C8T，快取有 6M、8M 兩類，搭配 HD 530 內建顯示。
  筆記型電腦超低電壓款依舊為 2C4T，快取均為 4M，搭配 HD 520 內建顯示。
  桌上型電腦系列則依舊全部為 4C8T，快取均為 8M，搭配 HD 530 內建顯示。
• Core i5 系列
  筆記型電腦一般電壓款升級為 4C4T，快取均為 6M，搭配 HD 530 內建顯示。
  筆記型電腦超低電壓款依舊為 2C4T，快取均為 3M，搭配 HD 520 內建顯示。
  桌上型電腦系列則依舊全部為 4C4T，快取均為 6M，搭配 HD 530 內建顯示。
• Core i3 系列
  筆記型電腦一般電壓款依舊為 2C4T，快取均為 3M，搭配 HD 530 內建顯示。
  筆記型電腦超低電壓款依舊為 2C4T，快取均為 3M，搭配 HD 520 內建顯示。
  桌上型電腦系列則依舊全部為 2C4T，快取有 4M、3M 兩類，搭配 HD 530 內建顯示。
• Pentium 系列
  全為 2C2T 型號，行動版快取為 2M，桌上型電腦版快取為 3M，低階型號搭配 HD 510 內建顯示，高階型號則搭配 HD 530 內建顯示。
  有一款平板、二合一裝置用版 (Y 版)，TDP 為 6 W。
• Xeon E3 系列
  首次新增筆記型電腦用型號，有一款降速版 TDP 為 25W。
  全為 4C8T 型號，搭配 HD P530 內建顯示，TDP 為 80W。
  自本世代起 Xeon E3 系列只能搭配 C200 系列晶片組使用，無法用於消費性平台的 100 系列晶片組主機板上。
• Core m 系列
  取代現有基於 Broadwell 架構的 Core M 系列，基本上定位和 Pentium 系列中的 Y 版相同，但位階高於 Pentium 系列中的 Y 版。
  自 Skylake 起區分為 m3/m5/m7 三個系列，均為 2C4T 型號，TDP 均為 4.5 W，不支援 DDR4 記憶體，搭配 HD 515 內建顯示。

內建顯示方面的改進

Skylake 架構延續了 Haswell 起的趨勢，對內建顯示核心的部分進行了再一次的強化，來到了第九世代，加入了 DirectX 12.0 的能力，執行單元 (EUs) 的數量也有所成長，再搭配前述針對 eDRAM 快取的改進等，性能上預期會有明顯的提升。

關於內建顯示方面的改進，之後站長會找時間另外寫一篇文章來探討。

記憶體方面的改進

DDR4 記憶體支援 (Y 系列及 Core m 系列除外)

Skylake 架構的處理器支援新的 DDR4 記憶體，同時也支援上一世代的 DDR3L 記憶體 (不過這並不代表現有的記憶體可以沿用，因為絕大多數人手上的是 DDR3 記憶體，電壓是 1.5V 而非 DDR3L 的 1.35V，在這次的變革之中理論上是不能繼續沿用的)。

不過依照過去的慣例會有廠商 (例如 ASRock) 想辦法讓 DDR3 1.5V 標準電壓的記憶體繼續相容於 Skylake 主機板，預算有限但想升級者，或許可以等等看。

超頻方面的改進

由於首波 Skylake 產品都是不鎖倍頻的 K 版，因此相信大家都會相當關注於 Skylake 世代的可超頻性，在 Skylake 中，Intel 也針對超頻方面做了一些改進。

倍頻上限拓增

倍頻的上限在過去二代的架構演進中都有成長，而這次 Skylake 則從 Haswell 的 80 倍微幅增加到 83 倍，此外這次的筆記型電腦版 Skylake 將會有 K 版無鎖倍頻的產品出現 (6820HK)。

外頻超頻重出江湖 (非 K 版的部分也開放能超外頻)

以往的 Haswell 架構 (如 i7-4790K) 的外頻僅能從預設的 100 MHz、125 MHz、167 MHz 中選擇，在進入 Skylake 世代後使用者將能重溫當年以 1 MHz 為單位的超頻設定，外頻的設定範圍放寬為 1 ~ 300 MHz。

此外，PEG 與 DMI 等部分的外頻將脫鉤，PEG 與 DMI 的頻率將固定為 100 MHz (不過主機板廠商可能會提供修改這部分的選項) 這意味著玩家不必再擔心 PCI Express 的部分無法跟上超頻的外頻，這將帶來更大的外頻超頻空間。

內建顯示超頻調整

從 Skylake 開始，只有搭配基於 Z170 晶片組的主機板才具有超頻內建顯示的能力，同時內建顯示的倍頻上限為 60 倍，每增加一倍頻率將增加 50 MHz，同時電壓也能接受調整。

記憶體超頻能力上升

隨著 DDR4 記憶體的基準頻率有所上升，以 i7-6700K 為例，最高記憶體將能支援到 DDR4-4133，而記憶體每段頻率的階差也由原先的 200 / 266 MHz 更加細分為 100 / 133 MHz，XMP 的部分則將升級至 2.0 版。

晶片組方面的改進

本次搭配 Skylake 平台的晶片組為 100 系列晶片組，包含有 H110、H170、Z170、B150、Q150、Q170 等型號，以下為規格比較表：

晶片組	H170	Z170	B150	H110	Q150	Q170
SATA3 (6Gbps)	4	6	6	4	6	6
USB 3.0 上限	8	10	6	4	8	10
USB 2.0 上限	14	14	12	10	14	14
USB 總數上限	14	14	12	10	14	14
記憶體通道數	2	2	2	2	2	2
記憶體總數上限	4	4	4	2	4	4
超頻	否	是	否	否	否	否
DMI	DMI3	DMI3	DMI3	DMI2	DMI3	DMI3
系統匯流排速度	8 GT/s	8 GT/s	8 GT/s	5 GT/s	8 GT/s	8 GT/s
PCI Express 版本	3.0	3.0	3.0	2.0	3.0	3.0
PCI Express 通道數	16	20	8	6	10	20
RAID 能力	0/1/5/10	0/1/5/10	否	否	否	0/1/5/10
能夠配置多顯示卡	1×16	至多三顯卡	1×16	1×16	1×16	至多三顯卡
vPro 技術	否	否	否	否	否	是
VT-d 技術	是	是	是	是	是	是
快速反應技術 (ISRT)	是	是	否	否	否	是
信任執行技術 (TXT)	否	否	否	否	否	是
PCI-E 儲存設備數上限	2	3	0	0	0	3

由上表可以發現本次 Intel 的晶片組選擇又回到 8 系列那種多樣化的方式了，Z170 依舊是大全配的組合，而本次最低階的晶片將是 H110 而非 B150，H110 的刪減幅度非常的大，理所當然會刪減的 PCI Express 通道數、不支援 PCI-E 儲存設備、單一通道只支援單條記憶體是很正常的，不過讓站長出乎意料的是居然連系統匯流排 DMI 的頻寬都低人一等，甚至 PCI-E 通道也只剩下上一代的 2.0 版本。

由於主要在市面上流通的是 H170 與 Z170 兩款，因此以下特別將此二款拉出來和上代平台的 H97 與 Z97 比較。

晶片組	Z97	Z170	H97	H170
記憶體 (通道數 / 總條數)	2/4	2/4	2/4	2/4
超頻能力	是	是	否	否
處理器架構	Haswell / Broadwell	Skylake	Haswell / Broadwell	Skylake
處理器插槽相容性	LGA1150	LGA1151	LGA1150	LGA1151
USB 2.0 上限	8	至多 14	8	至多 14
USB 3.0 上限	6	至多 10	6	至多 8
USB 總數上限	14	14	14	14
SATA3 端口數	6	6	6	4
DMI	DMI2	DMI3	DMI2	DMI3
系統匯流排速度	5 GT/s	8 GT/s	5 GT/s	8 GT/s
PCI Express 版本	2.0	3.0	2.0	3.0
PCI Express 通道數	8	20	8	16

由上表可以看出進入 Skylake 世代之後，在晶片組上的變化算是大的，由於以往 DMI2 的頻寬在 PCI-E SSD 等高速設備的採用下已經逐漸不足以應付需求，因此系統匯流排從 DMI2 升級為 DMI3，頻寬一口氣提高了 60%，同時 Skylake 世代在晶片組部分提供的 PCI-E 通道全部升級至 Gen3 ，除此之外，Flexible I/O 可用於彈性分配使用的數量更翻倍來到了 16 條，Z170 更是達到了 20 條之多，在 Skylake 世代中 Flexible I/O 的彈性幾乎可以說是大躍進了一番，但也帶來了通道不連續，難以湊出夠寬的單條 PCI-E 通道的問題。

按：實際上 100 系列晶片組的 HSIO Lane 至多有 26 個，大多會由 SATA、SATA Express、USB 3.0 等設備分掉，例如 USB 3.0 至少會佔去其中 6 個 Lane，這也就是 Z170 能彈性運用通道為 20 條的由來，因此相較於 HEDT 平台而言，PCI-E 通道仍是非常有限的。

不過比較可惜的地方是，進入 Skylake 世代之後的晶片組，尚未納入最新的 USB 3.1 規格的支援，絕大多數廠商將運用晶片組的 PCI-E 通道搭配第三方晶片來實作，以下為 Z170 的系統架構圖：

機構設計的變化

再次更換新腳位－LGA1151

一如過去幾代每隔兩代換一次腳位的傳統，Skylake 將搭配 LGA1151 腳位，與 Haswell、Broadwell 使用的 LGA1150 腳位並不相容，選購時請多加留意，此外本次 K 版不鎖倍頻系列型號將不再附贈原廠散熱器。

散熱器依舊不變

過去四代歷經 LGA1155、LGA1150 至今的散熱器將會繼續沿用，LGA1151 的散熱器孔位定義沒有任何變更。