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 聊聊 Intel Corporation NASDAQ: INTC 英特爾與Advanced Micro Devices, Inc. NASDAQ: AMD 的龜兔賽跑,誰是烏龜誰是兔子?

作者:半導體行業觀察   |   2020 / 11 / 24

文章來源:虎嗅網   |   圖片來源:股感知識庫

    英特爾與 AMD (Advanced Micro Devices, AMD ~US)的競爭是烏龜與野兔的競爭。但哪家公司是龜?哪家公司是兔?

在過去的幾個發布週期中,英特爾和 AMD 的粉絲之間的評論之戰一直很激烈,大家都在討論這些年來哪個公司有了顯著的改善,或者沒有明顯的改善。對於兩家公司最快處理器的原始性能,也不乏意見。我們認為,深入研究每個公司的最快桌面/ CPU 的存檔性能基準測試是很有趣的,這樣可以很好地了解這些年來每個公司的實際表現,甚至可以看看是否有一些模式需要收集,或者對未來進行一些押注。

在深入研究圖表之前,讓我們先從一些表開始——透過這種方式,您可以看到我們使用了哪些 CPU 作為每年的里程碑。在我們研究的過程中,數據中有一些不規則現象;我們也會討論這些,討論一些簡單圖表無法展示的東西。
二十年來的發燒商品計算

雖然英特爾和 AMD 每年都會針對不同的價位和目標市場推出大量的處理器,但我們每年都局限於速度最快的台式機或 “ 發燒 ” 處理器。這意味著沒有服務器處理器,也沒有高端台式機(HEDT)處理器——所以我們不會關注Threadrippers或最新型號XE系列英特爾零件。

即使是像我這樣整個時期都是作為一個系統構建者的人,組裝這樣的列表也是一個巨大的痛苦,更不用說匹配測試結果了。這在 AMD 方面尤其困難,因為 AMD 並沒有真正相當於英特爾的 Ark 提供單一的處理器列表,按代、類型和發布日期排序。如果你認為我選錯了一年中的 “ 頂級處理器 ” ,請在評論中告訴我。

我們應該解決圖表中出現的一些異常情況——首先,不, 2014 年、 2015 年和 2016 年 AMD 沒有推出新的高性能 CPU 並不是疏忽。 2013 年的 fx ~ 9590 被廣泛(並且是理所應當)批評了它驚人的 225W TDP和平庸的性能——在四年的運行中是Team Red最快的 CPU 。在此期間, AMD 推出了幾代低功耗、價格低廉的桌面設備,但沒有一款性能優於FX~ 9590 。

英特爾在 2013 年至 2017 年期間也經歷了幾次失誤,儘管沒有那麼嚴重或持續這麼長時間。第五代Core系列基本上死於 2014 年,儘管第四代Core i7 系列的更新確實提供了顯著的性能提升。兩年後,從技術上講又是另一種風潮~配備Core i7~7700K 的Kaby Lake直到 2017 年 1 月才真正啟動。我們稍加捏造,讓 Kaby Lake 進入 2016 年的行列,因為否則它會完全消失,同年晚些時候Coffee Lake和 i7~8700K 出現。
AMD Athlon的興衰:2001~2007 年

現在很難相信,但曾幾何時,多線程工作負載遠比單線程負載要punish的多。但這並不是很久以前。

在 2001~2005 年,Athlon XP和Athlon 64 vs Pentium 4~ AMD 的時代在雙線程工作負載上獨占鰲頭。 2006 年,英特爾的Penti um965 改變了這一平衡。即使在Athlon時代, AMD 也難以在單線程性能上趕上英特爾。它的Athlon 64 X2 處理器一度佔據領先地位,但英特爾( Intel )憑藉酷睿 2 Extreme QX9650 奪回領先地位。

這是我們許多人在 21 世紀初忘記的事情——多任務處理性能太差了。在上面的第一個圖表中,我們正在研究多線程和單線程Passm Ark CPU 基準測試分數之間的比率。對於 2001~2005 年份的 CPU ,單線程得分實際上高於多線程,這意味著您可以在給定的時間內在單線程上完成更多的計算工作,而不是分解為並行線程。

您可能會認為這是因為它們仍然是單核心、單線程的 CPU ,但是您錯了。 Intel 在 2002 年引入了 1c / 2t Pentium 4 2.8GHz 的超線程,這對實際的多線程能力影響很小。 AMD 在 2005 年推出了第一個真正的雙核心桌面 CPU ——Athlon 64 X2 4800 +,但它也沒有太大的區別。

在英特爾 2006 年的Pentium Extreme 965(雙核心/四線程 CPU )之前,多線程的比率沒有突破 100% ——這意味著多線程任務比同等的單線程任務完成得更快。第二年, AMD 和英特爾都推出了真正的四核心桌面 CPU ,並永久地結束了高性能單線程處理器的時代。

即使在 AMD 的這個黃金時代,英特爾在單線程性能方面也擊敗了 AMD 。 Pentium 4 架構作為Pentium III的較弱後繼者而受到全面和應有的嘲諷,而PentiumIII往往會逐時勝過它。但是,Pentium III的時鐘頻率不能達到Pentium 4 的水平,而且,無論如何,該時代性能最高的工作負載都是單線程的,並且英特爾的Pentium 4 在性能上領先於 AMD 的 Athlon。儘管後者的 CPU 性能很弱。

對英特爾來說不幸的是,早在2001 年之前,整個世界就已經轉向了多任務操作系統,多線程的工作負載也隨之出現,這在Firefox前身Phoenix在2002 年採用選項卡式瀏覽中得到了證明。隨著 CPU 飽和,用戶逐漸習慣於全天打開許多程式的環境,多線程性能(而不是單線程)成為當務之急。

2007 年, AMD 和英特爾都推出了真正的四核心桌面 CPU 。兩家廠商的發燒級 CPU 的多線程性能都達到了頂峰——儘管雙方都獲得了巨大的收益,但英特爾的Core 2 Extreme QX9650 擊敗了 AMD 的新 Phenom X4 。

新的四核心 CPU 具有足夠的多任務性能,可以同時處理低優先級的後台任務和高優先級的前台任務,而不會使前台任務明顯受損,這就將焦點轉移到了單線程性能上。這對 AMD 來說尤其不幸,因為 Intel 不僅在多線程性能上有所改進, QX9650 在單線程性能上也取得了突破。

隨著近70% 的單線程性能優勢被英特爾的qx9650 所取代,以及焦點突然回到單線程性能的王者地位,至少在這些高端 CPU 中是這樣—— AMD 21 世紀的第一個黃金時代正式結束了。
英特爾反擊:2007~2013

與 2008 年的 i7~965 Extreme相比,英特爾 2009 年的 i7~975 Extreme並沒有太大的改進,但 2010 年的十六進制core i7~980X 則是一個大熔爐。與此同時, AMD 雖然年復一年地穩步前進,但仍然處於劣勢。

在整個 2007 年至 2013 年期間,英特爾都比 AMD 擁有單線程優勢,而且通常是相當多的優勢。就提高 CPU 性能和功能而言, 2007~2013 年是一個令人振奮的時代,但就英特爾與 AMD 之間的鬥爭而言,這是一個相當無聊的時代。英特爾從單線程和多線程性能的健康領先開始,一直保持領先地位。在整個 Phenom 和 Phenom II 架構的運行過程中, AMD 在多線程和單線程性能方面均取得了穩步的增長。這樣一來,它在單線程性能上幾乎可以趕上英特爾,但在多線程方面,它從未接近過。

兩家公司都於2010 年發布了他們的第一個六核心 CPU ,但是 AMD 的X6 1100T 與2009 年的X4 965 使用相同的K10 架構,英特爾的i7~980X 既實現了晶片縮減,又添加了一套新的AES指令。這使 Intel 的多線程性能幾乎飆升了兩倍,同時仍然保持了很小的單線程引導時間。

2011 年, AMD 憑藉其命運多舛的八核心 Bulldozer 架構全力投入多線程。儘管 Bulldozer 確實在多線程領域開始在 Intel 上取得重要地位,但這是有代價的。新的FX~ 8150 實際上在單線程性能上倒退了。

到 2012 年, AMD 的 Bulldozer 已成為Piledriver,並且在多線程方面幾乎趕上了 Intel ,但這僅僅是因為 Intel 在將其工藝縮減至 22nm 時將其核心心數量從 6 個減少到 4 個。這使 AMD 擁有 “ 幾乎一樣好 ” 的多線程性能,內核心數量是原來的兩倍,而單線程性能則比英特爾落後了三年。

2013 年,情況更糟的是, AMD 推出了最終的Piledriver CPU (可惡的FX~ 9590 )。儘管英特爾在工程技術上的領先優勢不斷提高,但該 CPU 仍代表了一種保持競爭力的Hail Mary方法——它主要與英特爾i7~4770K 保持同步,但僅透過時鐘頻率和電壓來實現,而時鐘頻率和電壓通常會留在 “ 極限超頻器 ” 領域。

與FX~ 8350 的 125W 和 i7~4770K 的 84W 相比,額定TDP為 225W ,FX~ 9590 是幾乎無法使用的 CPU 。在典型情況下,對其進行空氣冷卻是沒有挑戰性的,而且風扇的噪音和廢熱也令人討厭,即使是鐵桿 AMD 風扇也無法為其找藉口,尤其是在其競爭仍然輕鬆勝過它的時候。

FX~ 9590 是 AMD 四年來最後一個發燒級 CPU 。從 2014~2017 年開始,Red Team唯一的新 CPU 版本是預算 CPU 和APU,沒有一個比FX~ 9590 更好,更不用說競爭了。
命運的變化:2013~2020

事實上, AMD 在三年的低迷期中倖存下來,卻沒有發布一款新的 CPU ,這說明了市場的一小部分——以及每個廠商的利潤率——最大、最快的 CPU 才是真正的。在 2014~2017 年,Red團隊繼續推出了新的桌面 CPU ——但所有的新設計都瞄準了 “ 財政上更合理 ” 的市場細分,集中在便宜的APU上。

儘管 AMD 慘敗,但英特爾卻大為吃驚。值得稱讚的是,Blue Team確實繼續發布了新的性能 CPU ,並在這段時間內實現了單線程性能的增量提升,但單線程的提升並不多。在 2016 年,很難從 5 年的舊 CPU 上進行升級。

2017 年,一切都發生了改變, AMD 最終發布了一款代號為 Zen 的全新、熱情友好的架構。 Zen 架構將功率和熱效率恢復了一致,同時使原始多線程性能顯著高於英特爾的最佳性能。儘管 Zen 的單線程性能仍落後於英特爾,但它也實現了幾次大幅躍升,奪回了這一桂冠。

2018 年的 Zen +在多線程性能方面充其量僅是次要的改進,但與最初的 Zen 相比,它在 Intel 的單線程領先優勢中所佔的份額不大。英特爾的第一個可行的 i9 產品 i9~9900K 短暫地使Red Team奪回了多線程性能的桂冠,但領先優勢並沒有持續很長時間。

2019 年,英特爾在狂熱者這一領域大做文章——它最好的 CPU 是 i9~9900KS ,與 2018 年的 i9~9900K 相比幾乎沒有任何改進。與此同時, AMD 的Ry Zen 9 3950x 又實現了一次巨大的多線程飛躍和一次強大的單線程增長。 Ry Zen 9 3950x 是一款 16 核心/ 32 線程的巨形處理器,展示了其新 Zen 2 架構的最佳性能。 AMD 還沒有完全趕上英特爾的單線程領先地位,但它將 i9~9900KS 的多線程性能提高了一倍多。

這使我們到了今年。英特爾仍在為延遲10 奈米製程工藝而苦苦掙扎,於是發布了i9~10900K ,儘管它仍在與9900K 和9900KS 相同的體系結構上運行,但在單線程和多線程工作負載方面均取得了顯著改善。不幸的是,對於Blue Team而言, AMD 並沒有休息~ 2020 年的 Zen 3 架構大大改善了 Zen 2 的單線程性能。

在這一點上, AMD 在單線程性能上處於領先地位。此外,連續第二年,它在多線程性能上遙遙領先,幾乎是英特爾所能提供的最好性能的兩倍。
長遠來看:2001~2020 年的一代一代的改進

看到英特爾在 2012 年出現反常現象嗎?該公司從六核心 CPU 降為四核心,而且沒有人在意,因為單線程性能得到了相應的提高。

AMD 最大的單線程spike對應的介紹,Athlon 64 X2 架構在 2005 年。 2007 年,英特爾推出了其核心心系列產品。乍一看,此圖表與純多線程之間沒有太大區別,但請注意, AMD 的趨勢線在 2016 年至 2020 年之間將保持一致。

如果我們想看看英特爾和 AMD 的工程流程如何進行,那麼從原始數據繼續進行,並觀察性能的代際提升是有啟發性的~這意味著,今年的情況要比去年好百分之幾。

這些圖表放大了兩家公司各自的架構變更和工程工作的影響,從而更容易發現重大變更。到目前為止,多線程性能是最大和最令人興奮的峰值~隨著 2007 年四核心 CPU 的推出,多線程性能也達到了最高性能。在單線程圖表上,幾乎看不到任何東西。

我們最喜歡的一代圖表版本是第三代,它將單線程和多線程改進平均到一條直線上,並賦予兩者相同的權重。儘管乍一看它看上去與純多線程圖表大致相似,但還是會彈出一些有趣的功能。

第一個跳出這裡的是英特爾在 2005 年的輝煌表現,在圖表上只有不到 100 %的點。低於 100 %的跌幅可能很小,足以使誤差造成波動~但是,即使Pentium 3.8GHz 並不比 2004 年的Pentium 4 3.6GHz 主動 惡化,但顯然沒有任何改善。

再看看 AMD 從 Zen 到 Zen +, Zen 2 和 Zen 3 的 2017~2020 年進展,這很有趣。儘管此處的總體形狀與我們在純多線程圖表上看到的相同發音M相同,但包含單線程性能清楚地表明,每個步驟都是超越最後一步的重要且持續的改進。
2021 年及以後

對於台式機上的英特爾來說,現在形勢嚴峻,而 AMD 的另一項重大架構改進( Zen 4 )則在 2021 年面世, AMD 稱其為 “ 按部就班 ” ,其工藝節點縮小至 5 奈米。

在英特爾方面,我們預計並不會像從 i9~9900K 到 i9~9900KS 那樣糟糕。但是,這並不意味著Blue Team充滿了光明。儘管 i9~10900K 確實比前幾代產品有了顯著且令人驚訝的改進,但它與 AMD 的興起沒有匹敵~它仍然代表著垂死的架構的最後一口氣。

英特爾的台式機 CPU 仍停留在 14 奈米製程上,明年的Rocket Lake也將保持 14 奈米製程。賽普拉斯Cove架構本質上是英特爾 10 奈米Sunny Cove筆記本電腦架構的一種變體,被反向移植到較早的 14 奈米製程。

儘管英特爾透過其最新的Sunny Cove筆記本電腦處理器(今年至今僅在原型設計中看到了今年的Tiger Lake)獲得了顯著的性能提升,但其內核心和線程數卻很少,而高性能似乎與更高的功耗相關。

現在說 10nm Sunny Cove在內核心數和功率效率方面的限制是否會轉變為 14nm Cypress Cove還為時過早。但是,似乎不太可能在 2021 年看到英特爾像 Zen 和它的繼任者那樣帶動並大幅地維持 AMD 的複興。

儘管如此,英特爾的壞消息很可能是性能愛好者的好消息。英特爾這個規模小得多的競爭對手,將需要不止一兩個主導週期來鞏固與大型OEM和系統製造商的關係和市場認知。這些業務關係——以及由此帶來的訂單、收入和利潤——將是保持 AMD 強大的研發力量的必要條件,以確保未來 AMD 能夠為消費者提供更高的性能和更好的價格。

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