До чего дошел прогресс — Xeon E5450 vs. Core i3-8100 в современных приложениях и играх

Введение

Несмотря на неумолимый ход технического прогресса, рост вычислительной мощности компьютерных комплектующих на короткой дистанции (длиной в пару лет) обычно не выглядит столь уж впечатляющим. Взять, к примеру, уже ставшие мемом "жалкие" 5% прибавки к IPC в очередном поколении процессоров Intel — согласитесь, такое. Конечно, всегда можно аргументировать, что пример выбран максимально подходящий под вышеобозначенный тезис: Intel последние годы занимался лишь оптимизацией крайне удачной на момент своего выхода микроархитектуры Skylake, существенным образом свои процессоры не перерабатывая, так что и ожидать хотя бы двузначного прироста IPC от поколения к поколению здесь не стоило. У AMD, например, приросты IPC при переходе от Zen к Zen 2 и от Zen 2 к Zen 3 вполне себе двузначные, но это опять же около 15%, что выглядит впечатляюще разве что на фоне упомянутых выше показателей Intel и в отрыве от контекста. А контекст состоит в том, что несмотря на значительный рывок в IPC при переходе на первое поколение микроархитектуры Zen, процессоры этой архитектуры лишь приблизились по показателям IPC к представителям актуальной на тот момент очередной оптимизации Skylake. И поэтому двузначный прирост IPC при переходе от Zen к Zen 2, когда AMD наконец-таки догнала Intel, а затем и при переходе от Zen 2 к Zen 3, когда AMD удалось уже обогнать конкурента, не должен вводить в заблуждение — столь высокие на фоне Intel показатели прогресса от поколения к поколению у AMD в последние годы обусловлены тем, что точка отсчёта (Zen) была всё же заметно ниже лучших представителей Intel того времени.

Но речь сейчас, конечно же, не о противопоставлении AMD и Intel, а о том, что в целом рост производительности центральных процессоров в последние годы сильно замедлился, и упомянутый резкий рывок AMD по IPC здесь как раз таки не показатель по указанной выше причине. Вот, как в общем выглядит график роста целочисленной производительности одних из лучших центральных процессоров за период в 40 лет по данным наборов тестов SPECint (из Hennessy, J. L., Patterson, D. A. Computer architecture: a quantitative approach, 6th ed.):

Конечно же, о двукратном приросте производительности за каждую пару лет, как это было в "лихие 90-е" речи уже давно не идёт — тогда переход на RISC-архитектуры позволил сравнительно легко и достаточно долго год от года существенно увеличивать производительность путём наращивания кэшей, всё более эффективного использования суперскалярности и повышения тактовых частот. Но уже в начале 2000-х стало ясно, что такой "халяве" осталось продолжаться недолго — за прошедшие с момента перехода индустрии на RISC-архитектуры годы инженеры "выжали" из преимуществ RISC почти "все соки". Привычные методы увеличения производительности себя почти полностью исчерпали — рост тактовых частот практически остановился из-за физических ограничений (энергопотребление и тепловыделение росли банально быстрее, чем тактовые частоты), а увеличение скорости шины, размера кэш-памяти и улучшение некоторых других аспектов микроархитектуры более не приводили к ощутимому росту производительности и экономически себя не оправдывали. По этой причине с середины 2000-х индустрия начинает массово переходить на многоядерные процессоры, и ещё некоторое время одноядерная производительность продолжала расти преимущественно за счёт улучшения техпроцесса и покорения всё более высоких тактовых частот уже в рамках многоядерных моделей. Однако, к концу 2010-х обсуждаемый рост практически полностью остановился: прирост порядка нескольких процентов в год — реалии современного процессорного рынка. Нам тут остаётся лишь вторить главному герою мультфильма "Падал прошлогодний снег".

Но даже если взять за точку отсчёта момент появления первых многоядерных процессоров, то 10% и даже 20% прироста год от года заметить на самом деле не так уж просто, особенно учитывая тот факт, что во многих реальных задачах прирост производительности при переходе от поколения к поколению до указанных чисел не дотягивает. Совсем другой дело — посмотреть во что суммарно выльются все эти улучшения на сравнительно большой дистанции, скажем, лет 10. Оценить, так сказать, "кумулятивный эффект" от многочисленных микроархитектурных и прочих изменений в центральных процессорах и связанных с ними узлах (в первую очередь, оперативной памятью), причём сделать это в реальном программном обеспечении. Вот этим мы сегодня и займёмся, а поможет нам в этом парочка 4-ядерных процессоров Intel двух разных эпох — Xeon E5450 (аналог настольного Core 2 Quad Q9650) и Core i3-8100.

Участники тестирования

Участников сегодняшнего тестирования действительно разделяют целых 10 лет технического прогресса в области процессоростроения: Xeon E5450 увидел свет в ноябре 2007, а Core i3-8100 — в октябре 2017. Настольный аналог Xeon E5450, Core 2 Quad Q9650, конечно, вышел чуть позже (в августе 2008), но сути дела это сильно не меняет. За указанный, внушительный по меркам компьютерной индустрии, срок процессоры Intel пережили 4 смены микроархитектуры, если считать по "такам" (Core → Nehalem → Sandy Bridge → Haswell → Skylake), 3 смены техпроцесса (45 нм → 32 нм → 22 нм → 14 нм), а заодно и столь "любимые" всеми 4 смены процессорного разъёма (LGA 775 → LGA 1156 → LGA 1155 → LGA 1150 → LGA 1151), или точнее даже 5, учитывая две лишь механически совместимые версии LGA 1151. Для простоты сравнения Xeon E5450 был немного разогнан с 333 МГц по шине до 400 МГц, так что его итоговая частота оказалась равной таковой у далёкого потомка в лице Core i3-8100, а именно 3.6 ГГц. Но не стоит думать, что таким разгоном мы искусственным образом ставим представителя микроархитектуры Core в более выгодное положение, ведь даже в настольной линейке процессоров Intel той эпохи имелся процессор с 400 МГц шиной, остановившийся всего в одном шаге (по множителю) от частоты 3.6 ГГц — Core 2 Extreme QX9770 со стоковой частотой 8.0 × 400 МГц = 3200 МГц. Ну а среди серверных 4-ядерных процессоров Intel микроархитектуры Core можно обнаружить и Xeon X5492 со стоковой частотой 8.5 × 400 МГц = 3400 МГц, то есть всего лишь на 200 МГц ниже используемой в нашем тестировании. Так что в отношении небольшого разгона Xeon E5450 можно сказать, что мы лишь подтянули его показатели до таковых у самых топовых представителей микроархитектуры Core, разве что совсем немного переусердствовав.

Xeon E5450 — представитель линейки серверных процессоров Xeon 5400-ой серии на чипе Harpertown, которые, как и их настольные аналоги Core 2 Quad/Extreme 9000-серии на чипе Yorkfield, являются наиболее совершенными 4-ядерными процессорами микроархитектуры Core — передовой (на момент выхода чипов) 45-нм техпроцесс, внушительные 6 МБ кэша L2 для каждой пары ядер и поддержка 400 МГц шины. Core i3-8100, напротив, хоть и является одной из первых 4-ядерных моделей линейки Core i3, есть бюджетный представитель семейства Coffee Lake — одной из множества оптимизаций микроархитектуры Skylake в рамках стратегии "процесс-архитектура-оптимизация", пришедшей в 2016 году на смену модели "тик-так". Здесь я считаю важным отметить заранее, что 4-ядерные процессоры Intel в 2007 году (в особенности старшие модели) были премиальными решениями предназначенными исключительно для энтузиастов с соответствующим ценником в несколько сотен долларов (например, упомянутые выше Core 2 Extreme QX9770 и Xeon X5492 имели официальные ценники $1399 и $1493, соответственно), а 4-ядерные процессоры Intel в году 2017 — уже самый что ни на есть мейнстрим ценой лишь чуть выше $100. Существенный прогресс был сделан так же в плане энергопотребления и тепловыделения: Core 2 Extreme QX9770 (3.2 ГГц) имел теплопакет 136 Вт, Xeon X5492 (3.4 ГГц) — 150 Вт, а i3-8100 (3.6 ГГц) — всего 65 Вт. И всё это на фоне значительного числа микроархитектурных улучшений, среди которых стоит отметить, как минимум, следующие:

• "Настоящая" 4-ядерность: все 4 процессорных ядра теперь находятся на одном кристалле и имеют в распоряжении общий для всех ядер кэш 3-го уровня.
• Контроллер памяти теперь встроен в процессор и обзавёлся поддержкой DDR4.
• Так же перекочевал из северного моста под крышку процессора и контроллер шины PCI Express .
• Во многих процессорах присутствует встроенное графическое ядро.
• Ядра, встроенная графика, общий L3-кэш и некоторые другие компоненты объединены между собой кольцевой шиной.
• Многочисленные улучшения во фронтенде и бекенде процессорных ядер, включая как простое увеличение количества исполнительных устройств — скалярных и векторных АЛУ, устройств генерации адресов и предсказания ветвлений и прочих, так и более тонкие архитектурные изменения.
• Появление новых (а также улучшение уже имеющихся) исполнительных устройств и регистров для поддержки новых наборов инструкций, таких, например, как SSE4.2, AVX, AVX2, FMA3, AES.
• Была возвращена поддержка Hyper-Threading и введена поддержка Intel Turbo Boost.

Конечно, не все даже указанные выше улучшения являются существенными для нашего конкретного случая. Так, например, последний пункт нам безразличен, так как Core i3-8100 не поддерживает ни Hyper-Threading, ни Turbo Boost, но упомянуть эти технологии всё же стоило.

Основы тестовых стендов LGA 775 и LGA 1151 составляют материнские платы ASUS P5Q3 и GIGABYTE B360M H, соответственно. Остальные комплектующие, кроме оперативной памяти, идентичны: видеокарта GeForce RTX 2060 Super от KFA2, бюджетный SSD WD Green на 240 ГБ под Windows и приложения, жёсткий диск Seagate 7200 BarraCuda на 3 ТБ под игры, блок питания Xilence Performance A+ 630 Вт. Первые два тестовых стенда оснащены 4 планками DDR3-1600 CL9 памяти с Aliexpress объёмом по 4 ГБ каждая, о которой неоднократно писалось ранее, последний— 2 планками Patriot Signature DDR4-2400 CL17 памяти объёмом по 8 ГБ каждая.

Открытый тестовый стенд LGA 775

Полуоткрытый тестовый стенд LGA 1151

реклама

 

Синтетические тесты

AIDA64

В бенчмарках AIDA64 преимущество Core i3-8100 (за редким исключением) колоссальное — показатели современного 4-ядерного процессора Intel во многих тестах в 3-4 раза выше таковых у старичка Xeon E5450! Но не стоит обольщаться, ведь большая часть бенчмарков AIDA64 — синтетические написанные на ассемблере программы с множеством низкоуровневых ручных оптимизаций, в том числе по максимально возможному использованию векторных АЛУ посредством инструкций из наборов SSE и AVX. В реальном программном обеспечении и сценарии использования, и столь многочисленные низкоуровневые оптимизации — очень большая редкость, так что ожидать, что Core i3-8100 обойдёт Xeon E5450 и там в 3-4 раз, конечно же, не стоит. Ах, ну да, также в очередной раз можно обратит внимание на многократный прирост (пускай и в синтетических тестах) не только вычислительной мощи процессоров, но и скоростных характеристик памяти.

Geekbench 5

Чисто синтетическая природа большей части бенчмарков AIDA64 и редко встречающиеся в реальном ПО в таком объёме низкоуровневые оптимизации побудили нас протестировать процессоры в значительно менее синтетическом наборе тестов Geekbench 5. Здесь уже (за вычетом криптографических тестов, получающих серьёзное преимущество за счёт набора инструкций AES) превосходство Core i3-8100 значительно ближе (как это будет показано ниже) к реальности — почти двукратное.

3DMark Fire Strike (DirectX 11) и Time Spy (DirectX 12)

Использовать 3DMark для тестирования производительности центральных процессоров — в целом такая себе идея, так как тесты из этого набора всё же специально спроектированы таким образом, чтобы по минимуму упираться в производительность процессора. И всё же в парочке выбранных тестов, использующих разные версии API DirectX, разница в 720p видна невооружённым взглядом. Современный 4-ядерный процессор Intel оказывается в низком разрешении впереди на внушительные 40–60% (за исключением второго графического теста Fire Strike, где разница в производительности минимальна). Увеличение числа пикселей в 4 раза, естественно, приводит к практически полному упору в 3D-ускоритель, что сводит преимущества i3-8100 на нет. Да, в некоторых бенчмарках из набора 3DMark (например, Fire Strike) есть помимо графических ещё так называемый тесты ЦП и комбинированные, но сразу скажу, что сценарии в этих тестах абсолютно нереалистичны, и, возможно, поэтому в современных бенчмарках 3DMark (например, Time Spy) подобных тестов и нет.

Игровые тесты

Но да бог с ней с "синтетикой", куда интереснее посмотреть, как дела обстоят в реальных играх. С этой целью были отобраны 15 популярных игровых проектов последних лет (основной упор на игры 2018-20 годов) на различных "движках" со встроенными бенчмарками. К сожалению, 4 из 15 выбранных проектов (Assassin's Creed Odyssey и Valhalla, Red Dead Redemption 2 и Watch Dogs Legion) не запустились на системе с Xeon E5450 по причине отсутствия поддержки необходимых инструкций (по всей видимости, из набора SSE4.2), но и оставшихся 11 должно быть достаточно для определённых выводов. Тестирование проводилось в 3 разрешениях — 1280×720 (720p), 1920×1080 (1080p) и 2560×1440 (1440p), но никакой существенной разницы (особенно в среднем по всему набору игр) между 720p и 1080p обнаружено не было, так как заметно упираться в производительность используемой видеокарты тестируемые системы начали лишь в разрешении 1440p. Поэтому для простоты восприятия результатов на диаграммах будет приведены результаты лишь в разрешениях 720p и 1440p — первый вариант соответствует сценарию с минимально возможной нагрузкой на видеокарту, второй — более реалистичный с упором в производительность видеоускорителя.

Grand Theft Auto V (2015, RAGE, DirectX 11)

Не сдающая своих позиций по популярности и спустя более 5 лет после релиза на ПК GTA V хорошо известна своей процессорозависимостью и невысокими (по современным меркам) требованиями к видеоускорителю, так что практические идентичные результаты в 720p и 1440p удивлять не должны. Core i3-8100 существенно обходит Xeon E5450 — преимущество доходит до 70% по средней производительности и до 100% по минимальной.

Sid Meier's Civilization VI (2016, собственный, DirectX 12)

Так же невероятно популярная и крайняя на данный момент времени игра из серии Sid Meier's Civilization ведёт себя схожим образом — разрешения 1440p вновь оказалось недостаточно для существенного упора в производительность RTX 2060 Super, и i3-8100 вновь сильно впереди, на 80% по средней и минимальной производительности.

Middle-earth: Shadow of War (2017, LithTech Firebird, DirectX 11)

А вот Тени Войны оказались чуть более сложным испытанием для RTX 2060 Super — в 1440p на ультра-настройках разницы между Core i3-8100 и Xeon E5450 уже практические нет. Впрочем, на настойках пониже, а так же в 720p современный 4-ядерник по-прежнему не оставляет своему далёкому предку никаких шансов, опережая последний на 65% по обоим показателям.

Shadow of the Tomb Raider (2018, Foundation, DirectX 12)

В последней части современной трилогии, посвящённой приключениям Лары Крофт, на высочайших настройках качества в 1440p производительность обеих систем начинает существенно упираться в используемый видеоускоритель. Но даже в таком сценарии Core i3-8100 почти вдвое обходит Xeon E5450 по минимальной производительности, пускай и не сильно опережая последний в среднем. В ситуации же, когда производительность не ограничена видеокартой, современный 4-ядерник обходит старичка вдвое и по средним, и по минимальным показателям.

Hitman 2 (2018, Glacier 2, DirectX 12)

Hitman 2 не столь суров в плане нагрузки на 3D-ускоритель, так что увеличение числа пикселей в 4 раза практически не влияет на расстановку сил — показатели обеих систем в 720p и 1440p практически идентичны. Ну а Core i3-8100 вновь быстрее вдвое.

Far Cry New Dawn (2019, Dunia 2, DirectX 11)

В Far Cry New Dawn, который в отличие от Far Cry 5 каким-то непостижимым образом запускается на процессорах без поддержки SSE4.2, картина аналогичная — заметной разницы между 720p и 1440p нет, а Core i3-8100 опережает Xeon E5450 на 70% и 80% по средней и минимальной производительности, соответственно.

Metro Exodus (2019, 4A Engine, DirectX 12)

Metro Exodus, как известно, шутки с видеокартами не шутит, особенно на высоких настройках качества, где даже в 720p имеем сильный упор в производительность 3D-ускорителя, но за пределами таких сценариев Core i3-8100, конечно же, сильно впереди — превосходство доходит до 120-130%!

Tom Clancy's The Division 2 (2019, Snowdrop Engine, DirectX 12)

The Division 2 не настолько суров в отношении к видеоподсистеме, и всё-таки в 1440p частичный упор в видеокарту имеет место быть даже на низких настройках качества. Но и в 720p, и в 1440p Core i3-8100 впереди на внушительные 80% как по средним, так и по минимальным показателям.

Total War: Three Kingdoms (2019, TW Engine 3, DirectX 11)

Крайнюю игру основной серии Total War протестируем как обычно в двух режимах — в режиме боя (Battle Benchmark), в котором нагрузка неплохо масштабируется по ядрам центрального процессора и в режиме кампании (Campaign Benchmark), где большая часть нагрузки ложится всего лишь на одно ядро. В обоих режимах в 1440p и особенно на высоких настройках качества прекрасно виден сильный упор в видеоускоритель, там же, где мощностей RTX 2060 Super более чем достаточно Core i3-8100 впереди на 90–100% в режиме боя и 70–80% в режиме кампании. Подобные результаты вполне ожидаемы, ведь за прошедшие годы усовершенствованию подверглись не только сами ядра, но и межъядерные аспекты процессоров (общий кэш, кольцевая шина).

Gears 5 (2019, Unreal Engine 4, DirectX 12)

В популярном проекте на UE4 существенный упоп в RTX 2060 Super происходит только на ультра-настройках в разрешении 1440p, где Core i3-8100 впереди лишь на 50% и 25% по средней и минимальной производительности, соответственно. За пределами ситуации со столь значительным упором в видеоускоритель современный 4-ядерник, естественно, выступил заметно лучше — преимущество над Xeon E5450 составило порядка 100% и 80% по тем же показателям.

F1 2020 (2020, EGO, DirectX 12)

В актуальной версии F1 RTX 2060 Super так же заметно сдерживает i3-8100 на ультра-настройках в 1440p, где он лишь на 40% быстрее Xeon E5450, но в остальных случаях современный 4-ядерник впереди на всё те же внушительные 80–100%.

Среднегеометрические результаты

В среднем по всем игровым тестам мы получаем следующую картину:

• При максимальном упоре в видеокарту, но при этом всё ещё вполне реалистичных настройках для используемой в тестах RTX 2060 Super (максимальные настройки качества в 1440p) Core i3-8100 обходим Xeon E5450 на примерно 40% и 50% по средней и минимальной игровой производительности.
• При не столь значительно упоре в видеокарту и всё ещё реалистичных настройках для используемого ускорителя (средние настройки качества в 1440p) показатели превосходства Core i3-8100 над Xeon E5450 по средней и минимальной производительности возрастают до около 60% и 75%, соответственно.
• А при незначительном упоре в видеокарту (средние и низкие настройки качества в 720p) Core i3-8100 вырывается вперёд ещё сильнее, демонстрируя превосходство до 85% и 90% по обсуждаемым показателям.

Неигровое ПО

PCMark 10

Комплексный тест PCMark 10 показывает некую общую производительность в  распространённых для настольного ПК задачах. В преимущественно офисных сценариях (группы тестов Essentials и Productivity) система на Core i3-8100 обходит таковую на Xeon E5450 совсем незначительно, что, скорее всего, обусловлено  лёгкостью выполняемых задач, для которых с лихвой хватает и 4-ядерника прошлой эпохи. Впроче, чем более вычислительной является задача, тем больше превосходство Core i3-8100 над своим конкурентом прошлых лет. Так, например, в тестах электронных таблиц он обходит  Xeon E5450 на вполне себе внушительные (на фоне результатов других тестов) 47%. В тестах профессионального ПО для создания контента (группа тестов Digital Content Creation) показатели прироста выше, однако, как будет показано ниже, всё же не совсем соответствуют таковым в реальных популярных пакетах фото- и видео-редактирования от Adobe. В чём причина разницы между результатами в PCMark 10 и в популярном ПО Adobe сказать не берусь. Возможно, в PCMark сценарии использовании недостаточно сложные, чтобы как следует нагрузить современный 4-ядерник или свободное ПО используемое в тестах хуже оптимизировано под современные микроархитектуры. Или некоторая значимая часть работы в тестах PCMark 10 выполняется видеоускорителем, который в обеих системах идентичен. Да мало ли что там происходит, но факт остаётся фактом — в редакторах Adobe Core i3-8100 выступает на фоне Xeon E5450 заметно лучше, чем в аналогичных тестах PCMark 10.

Adobe Photoshop 2020, Premiere Pro 2020 и Cinebench

Собственно, давайте не откладывая в долгий ящик, сразу и посмотрим, что получилось в пакетах ПО для создания контента. Для тестирования производительности в редакторах Adobe использовались бенчмарки от американского сборщика компьютерных систем Puget Systems, ну а производительность пакета для создания трёхмерной графики и анимации Cinema 4D оценивалась посредством популярного бенчмарка Cinebench.

Вот здесь получаем цифры превосходства Core i3-8100 над Xeon E5450 уже значительно более близкие к таковым в Geekbench 5 и игровым тестам без упора в видеокарту. Обратите также внимание на существенную разницу в результатах старой и новой версий Cinebench — здесь дают о себе знать существенные оптимизации под современные микроархитектуры в профессиональном ПО. Как минимум, Cinebench R15 никак не использует AVX-инструкции, что сильно занижает показатели современных процессоров.

SPECworkstation 3

Закончим сравнение небольшим набором наиболее интересных широкой аудитории тестов из пакета SPECworkstation 3.

И здесь результаты сильно разнятся от теста к тесту. В тестах сжатия и распаковки данных архиватором 7-Zip, а также тестах производительности математических расчётов в Python 3 (с использованием среди прочего популярных библиотек NumPy и SciPy) преимущество Core i3-8100 над Xeon E5450 не столь велико. С другой стороны, при рендеринг в Blender, кодировании видео в H.265 посредством известного пакета Handbrake, а также при решении задачи классической молекулярной динамики в LAMMPS и совершении  математических расчётов в системе GNU Octave (свободная замена MATLAB) прирост близок к двукратному, а местами и больше.

Заключение и выводы

• Как мы убедились незначительный ежегодный прирост IPC центральных процессоров Intel на дистанции в 10 лет вылился во вполне внушительное близкое к двукратному (а местами даже превосходящее таковое) превосходство 4-ядерного Core i3-8100 в стоке над Xeon E5450 (Core 2 Quad Q9650) в небольшом разгоне.
• Естественно, в играх в наиболее реалистичном сценарии с упором в видеокарту такого скачка мы не увидим, так как производительность будет преимущественно ограничена скоростью работы 3D-ускорителя. И тем не менее, с GeForce RTX 2060 Super в разрешении 1440p на ультра-настройках (вполне себе реалистичный сценарий) Core i3-8100 обходит Xeon E5450 в играх на внушительные 40% и 50% по средней и минимальной производительности.
• Не стоит обходить вниманием и упомянутый во введении факт, что топовые 4-ядерные процессоры Intel подобные Xeon E5450 в разгоне до 3.6 ГГц в 2007 году были уделом энтузиастов, готовых выложить за них суммы порядка $1000, в то время как 4-ядерные Core i3 в 2017 году стоимостью около $100 уже являлись основой самых что ни на есть бюджетных сборок.
• Почти остановившийся рост одноядерной производительности процессоров в последние годы — отнюдь не приговор для индустрии, так как современное программное обеспечение (в том числе игровое) уже вполне сносно в массе своей умеет использовать несколько ядер. В ближайшие годы, по всей видимости, основной прогресс на рынке процессоров для ПК будет связан именно с ростом среднего числа ядер, а не производительности на ядро. В данный момент времени, например, прямо на наших глазах месяц за месяцем значительно растёт доля 6-ядерных процессоров, так что уже скоро доминации 4-ядерных моделей на рынке ПК придёт конец. А затем дело дойдёт уже и до 8-ядерных моделей. Но это мы уже слегка отвлеклись, так что пора заканчивать.