Lynnfield: Core i5, Core i7 8xx, LGA-1156 e o Turbo Boost

Muitos dos recursos introduzidos pelo Nehalem, incluindo a possibilidade de usar 4 processadores (nada menos do que 16 núcleos) são destinados ao mercado de servidores, onde cresce a demanda por máquinas capazes de rodar centenas de máquinas virtuais simultaneamente e de processar bancos de dados com vários gigabytes em tempo hábil.

Em um desktop, o uso de múltiplos processadores não faz tanto sentido (afinal, poucos aplicativos são capazes se utilizar todo o potencial de 4 núcleos, o que dizer de 16), o que faz com que a discussão recaia mais sobre os ganhos de desempenho dos Core i7 em relação aos processadores anteriores. As mudanças introduzidas pelo Nehalem são positivas mas, para a maioria, o mais importante acaba sendo o custo.

Com isso, chegamos ao Lynnfield, uma versão desktop do Nehalem, que deu origem ao Core i5 e aos Core i7 da série 8xx, versões quad-core mais baratas, que complementam os modelos da série 9xx e 9xx XE baseados no Bloomfield. Eles utilizam um controlador de memória dual-channel, abandonam o suporte a múltiplos processadores e são vendido sob frequências ligeiramente mais baixas.

Embora a arquitetura do processador continue sendo basicamente a mesma, o lançamento do Lynnfield é potencialmente mais importante que o lançamento das versões iniciais, simplesmente por que ele será a versão mais barata e por isso mais comum.

À primeira vista, parece que o Lynnfield é apenas uma versão castrada do Core i7, obtido através da desativação de alguns componentes, mas na verdade trata-se de um chip consideravelmente diferente, que é produzido em uma linha separada.

Uma das modificações mais evidentes é o uso de um controlador de memória DDR3 dual-channel em vez do controlador triple-channel do Core Bloomfield, uma mudança introduzida para diferenciar as duas plataformas e ao tempo reduzir o custo dos PCs baseados no Lynnfield, eliminando a tentação de usar 3 módulos de memória em vez de dois.

À primeira vista, parece uma redução significativa (afinal o terceiro canal corresponde a 1/3 da banda total com a memória), mas na prática a diferença é muito pequena, já que o grande cache L3 e a boa taxa de transferência dos módulos DDR3 atenuam bastante a necessidade de um barramento mais largo. O principal problema são os tempos de latência, que não têm uma relação direta com o número de canais.

Com um canal a menos no controlador de memória, o número de contatos do processador foi reduzido, o que levou a outra característica importante, que é a adoção do soquete LGA-1156 que passa a coexistir com o LGA1366 usado pelas versões high-end do Core i7. Os dois são bem similares, mas o menor número de contatos fazem com que o LGA-1156 seja menor e tenha uma aparência mais quadrada, praticamente do mesmo tamanho que um soquete LGA-775:

O mesmo se aplica também aos processadores, que são menores que os Core i7 baseados no Bloomfield, muito embora conservem a mesma aparência básica e o mesmo layout sem pinos que a Intel vem utilizando desde a migração para o sistema LGA:

Junto com o Lynnfield, a Intel anunciou uma nova série de modelos os Core i5. Ao contrário do que se esperava inicialmente, a divisão entre os Core i5 não é feita com base na arquitetura (ou seja, nem todos os Core i5 serão baseados no Lynnfield e nem todos os i7 serão baseados no Bloomfield) mas sim com base no número de núcleos e no suporte a SMT (o Hyper Threading). Basicamente, com 4 núcleos e o suporte a SMT ativo você tem um Core i7 e com 4 núcleos e o suporte a SMT desativado você tem um Core i5. Futuramente serão lançados também os Core i3 (a linha de baixo custo, com apenas dois núcleos) e os Core i9 (a linha high-end, com 6 ou 8 núcleos).

O Lynnfield é usado tanto no Core i5-750 quanto nos Core i7-860 e Core i7-870. Os três processadores são quad-core, possuem os mesmos 8 MB de cache L3 e utilizam o soquete LGA 1156, entretanto o Core i5-750 vem com o SMT desativado, e é justamente isso o que sela a diferença entre as duas famílias:

Core i5-750: 2.66 GHz (2.13 GHz para o uncore), 8 MB, DDR3-1333, TDP de 95W.
Core i7-860: 2.8 GHz (2.4 GHz para o uncore), 8 MB, DDR3-1333, SMT, TDP de 95W.
Core i7-870: 2.93 GHz (2.4 GHz para o uncore), 8 MB, DDR3-1333, SMT, TDP de 95W.

Embora seja desejável, o SMT não é um recurso tão importante em desktops quanto pode parecer à primeira vista, já que o número de aplicativos capazes de utilizar 8 núcleos lógicos de maneira eficiente é pequeno. Com exceção de aplicativos de renderização, compressão de arquivos e outros casos específicos, o ganho oferecido pelo SMT é muito pequeno, diferente do que temos no caso dos servidores.

Outra pequena diferença é que o i5-750 utiliza uma frequência ligeiramente mais baixa para o uncore (lembre-se, o uncore inclui o controlador de memória, o cache L3 e todos os outros componentes externos aos cores do processor), o que afeta também a frequência do cache L3, representando uma pequena redução adicional no desempenho.

Assim como no caso dos Phenom e Phenom II (onde é chamado de North Bridge), o uncore utiliza tensões próprias e opera sempre à uma frequência mais baixa que as unidades de processamento, o que significa um cache L3 relativamente lento. O principal motivo disso é o uso de transistores de chaveamento lento (similares aos que a Intel já vinha utilizando em processadores de baixo consumo) que não são capazes de operar a frequências muito altas, mas que em compensação gastam muito menos energia. Como o uncore representa mais da metade da área total do processador, a redução acaba sendo bem significativa.

Diferente do que tínhamos na época do Pentium 4, o principal limitante para a frequência de operação dos processadores não é mais a arquitetura, mas sim a dissipação térmica. Ao reduzir a dissipação, é possível atingir frequências de clock mais altas, compensando a perda de desempenho causada pelo cache L3 mais lento.
Continuando, o Lynnfield introduz também uma versão mais agressiva do Turbo Boost, que é um dos recursos de maior impacto sobre o desempenho direto. Enquanto no Bloomfield o Turbo Boost oferecia uma aumento modesto, de apenas 133 MHz, no Lynnfield ele é capaz de aumentar a frequência do processador em até 666 MHz, de acordo com o número de cores ativos.

Os degraus disponíveis variam de acordo com o modelo. No Core i5-750 (que utiliza uma frequência base de 2.66) o clock pode subir para 2.8 GHz com 4 ou 3 núcleos ativos e para 3.2 GHz com 2 ou apenas 1 núcleo ativo.
No Core i7-860 (2.8 GHz) temos 2.93 GHz com 4 ou 3 núcleos, 3.33 GHz com 2 núcleos e 3.46 GHz com apenas um núcleo. No Core i7-870 a distribuição é similar, com 3.2 GHz (4 ou 3 núcleos), 3.46 GHz (2 núcleos) e 3.6 GHz (1 núcleo).

Veja que nos três casos a frequência pode subir em 133 MHz (266 MHz no caso do i7-870) mesmo com os 4 núcleos ativos, desde que o consumo atual e a temperatura não superem os limites estabelecidos. Como de praxe, você pode acompanhar a frequência atual do processador usando o CPUID ou outros softwares de diagnóstico, mas a maior parte dos chaveamentos ocorre muito rápido, com o processador aumentando a frequência para cobrir um rápido pico de consumo e em seguida voltando à frequência normal.

Além de jogos e aplicativos single-thread em geral (onde o processador pode manter apenas um ou dois núcleos ativos), aplicativos que utilizam predominantemente alguns componentes do processador (como os aplicativos de renderização e conversão de vídeo, que usam predominantemente as unidades SSE) também se beneficiam consideravelmente do Turbo Boost, já que o PCU pode desligar outros componentes do processador (reduzindo o consumo) e aumentar a frequência das unidades ativas nos 133 ou 266 MHz permitidos, mesmo sem desativar nenhum dos cores.

O lado ruim é que o uso do Turbo Boost introduz um grande fator de incerteza no desempenho do processador, pois as frequências são definidas não apenas pelo tipo de tarefas que estão sendo executadas (e consequentemente o número de núcleos em uso) mas também pela temperatura atual do processador, que é por sua vez determinada pela temperatura ambiente (que flutua ao longo do dia e de acordo com as estações do ano) e pelo cooler usado. Basicamente, o processador passa a tentar apresentar o melhor desempenho possível dentro do TDP e da temperatura estabelecida, em vez de oferecer um desempenho constante, como nas gerações anteriores.

Isso abre margem para muitos casos estranhos, de PCs com configurações idênticas apresentando desempenhos bem diferentes devido à diferenças na temperatura ambiente, na ventilação do gabinete ou aos aplicativos ativos. Prepare-se para ouvir histórias de coolers milagrosos, que aumentaram o desempenho do PC em 10% mesmo sem fazer overclock e PCs que ficam lentos durante o verão…

Do outro lado da moeda, temos a possibilidade de desativar o turbo mode e simplesmente fazer overclock. Nesse caso as coisas se tornam muito mais previsíveis e o processador volta a exibir um desempenho constante independentemente da temperatura e do consumo:

A desvantagem nesse caso é que o consumo elétrico passa a ser muito mais alto, complicando a escolha. O grande mérito do turbo boost é justamente o fato de oferecer um pouco mais de desempenho, sem aumentar muito o consumo ou comprometer o gerenciamento de energia do processador.