Haswell微架構

**Intel Haswell** 是英特爾的中央處理器架構，由英特爾的奧勒岡團隊負責研發，用以取代 Intel Ivy Bridge 和 Intel Sandy Bridge 微架構。 和 Ivy Bridge 微架構一樣，Haswell 採用 22 奈米製程。 根據英特爾的「Tick-Tock」策略和產品路線圖，基於 Intel Haswell 微架構的處理器定於 2013 年 6 月發布。Intel 曾於 2011 年的 IDF 上展示出基於 Haswell 微架構的晶片。2012 年的英特爾開發者論壇上，英特爾公佈了更多關於 Haswell 架構的工程樣品處理器和技術說明。在 2013 年 6 月 4 日至 6 月 8 日的台北國際電腦展上，英特爾正式推出 Haswell 微架構以及其處理器產品。

## 技術特性

作為英特爾「Tick-Tock」策略下的產物，在「Tick-Tock」時間表上，Haswell 架構屬於「Tock」階段，是為架構改進換代。根據 Fudzilla 的訊息，「英特爾透露給合作夥伴的訊息指同時脈下與 Ivy Bridge 架構的產品相比，Haswell 架構的產品其效能至少有 10% 的提升」。而英特爾宣稱 Haswell 整體效能將比 Ivy Bridge 快兩倍。
英特爾稱在某些工作負荷上 Haswell 架構的效率比上代產品的提升了 20%。

### 已確認的新特性

#### 製程

* 更成熟的 22 奈米製程，大幅改善漏電率（這裡的漏電指高製程晶片於運作時，部分電子因量子穿隧效應而由非電路或電路元件的矽中穿過）；
* 更成熟的 3D - 三柵極電晶體；

#### 處理器核心

* 14 級管線（從 Intel Core 微架構開始一直沿用至今）；
* 和以往一樣，整數運算、浮點運算和 SIMD 運算作業同樣通過指令埠進行分配；
* 每核心 4 個算術邏輯單元（ALU）和 3 個位址生成單元（AGU，2 個位於載入管線，1 個位於儲存管線）；
* 每核心 8 指令發射埠，可同時執行 8 條內部指令（uOPs），以實現 4 倍整數運算（Intel Sandy Bridge/Ivy Bridge 為 6uOPs/3 倍整數運算）。
* 2 個 256 位元的 SIMD 單元，以便支援 Larrabee/Knight 系列的 512 位元 SIMD；
* 類似於 X79 晶片組平台（使用 LGA2011 插座）的可調節外頻 / 基準時脈頻率（處理器外頻與基準時脈異步），意味著 Haswell 平台的超頻限制放寬。實際上，由於 QPI 環形鏈路的設計使得核心電源和時脈管理出現這樣的混亂：由於三級快取是 CPU 核心和 GPU 核心共享，但三級快取的電壓控制以及時脈控制是和 CPU 核心的同步的，當 CPU 核心處於低負載而內建 GPU 核心處於高負載時，三級快取需要處於全速運作狀態，連帶 CPU 核心也需要全速運作，這樣不利於處理器的功耗控制。英特爾要解決這個問題，需要 CPU 核心的基準時脈與非 CPU 核心的異步。
* 主流級處理器產品全線均為原生四核心，但實際上，英特爾公佈的技術說明已表明下一代的酷睿 i3（Core i3）、奔騰（Pentium）系列仍維持雙核心的設計。
* 英特爾事務性同步擴充 (TSX)，大幅改善多執行緒執行效率。
* AVX2 指令集（或稱 Haswell 新指令集，包括向量聚集散射、位元處理以及對 FMA3 的支援）
* 改善 AES-NI 指令的執行效能；

#### 快取、記憶體介面、匯流排、處理器插槽

* 每核心擁有獨立的 64KB 的 L1 快取（32KB 資料快取 + 32KB 指令快取）；；每核心擁有獨立的 256KB L2 快取；所有核心可共享最高 32MB 的 L3 快取.
* 新的處理器快取設計，旨在提升快取頻寬，L1、L2 快取頻寬由原來的每時鐘週期 32 位元組（256 位元），提升至每時鐘週期 64 位元組（512 位元），提升 L2 TLB 命中率。以提升大規模高負載運算任務的資料存取表現；
* 原生支援雙通道 DDR3-1600；企業級的 Haswell-EP/EX 核心還會支援八通道 DDR4；
* 原生支援 PCIe 3.0 x16 匯流排（H81 晶片組除外）。
* 處理器內部仍然使用 QPI 總線，單向資料傳送效能有 4.8GT/s、5.2GT/s、6.4GT/s 等三種規格，較低階型號的處理器在晶片組和處理器之間仍然採用 DMI 總線，單向資料傳送效能有 2.5GT/s 和 5.0GT/s 兩種規格；QPI 總線的佈局延續 Intel Sandy Bridge 以來的環形鏈路設計，設計簡單而且效率更高，更容易推出衍生產品。
* 新處理器插座：電腦版本的是 LGA 1150，行動版本的是 rPGA 947 和 BGA 1364。英特爾的技術說明已表示 Intel Haswell 不會向下相容於現有的英特爾處理器平台。

#### 內建顯示核心

* 除了部分極致效能 / 伺服器平台以外，所有處理器型號均融合 Intel HD Graphics 顯示核心。
* 內建顯示核心將支援 DirectX 11.1 以及 OpenGL 4.0；通用運算方面支援 Open CL 1.2；繼續強化 3D 圖形處理效能，支援 HDMI、DisplayPort、DVI、VGA 連接埠標準；支援三螢幕顯示訊號獨立輸出（最高解析度為 4096 像素 ×3072 像素）或是 4K 解析度輸出；
* 新的英特爾 HD 圖形顯示核心（Intel HD Graphics）有三種不同型號，代號分別為 GT1、GT2 和 GT3。GT1 擁有 10 個執行單元和 1 組紋理單元，定位入門級；GT2 擁有 20 個執行單元和 2 組紋理單元，定位主流級；最高階的 GT3 則擁有 40 個執行單元和 4 組紋理單元，但只用於行動平台。而現任的 Intel Ivy Bridge 整合顯示核心 HD4000 最多只有 16 個執行單元，但顯示核心架構仍舊一樣，由於在架構、製程不變的情形下大幅提升顯示核心的規模和規格，可能會使內建顯示核心的 Intel Haswell 架構的處理器的發熱量急升，桌上型版本可以突破 100 瓦，行動版本更達 57 瓦。
* 在相同的功耗水準 Haswell 能提供兩倍於 Intel Ivy Bridge 的圖像效能，英特爾稱 Haswell 的內建 GPU 的效能可媲美售價 50$ 至 70$ 的獨立顯示核心。
* 不再支援 Windows XP，也不支援 Windows Vista。如需在 Haswell 平台上執行 Windows XP，須另行購買獨立顯示卡。

#### 電源管理、熱設計功耗

* 處理器晶片將內建完整的電壓調節模組，Intel 又一次把主機板上的元件整合至處理器上，此舉可令主機板的供電設計變得簡單，降低主機板廠商的製造主機板的製造成本。但同時也令主機板廠商的產品賣點減少，趨於同質化，競爭加劇。英特爾的這種設計並非是電壓調節模組和處理器晶片完全融合，電壓調節模組是一塊獨立的供電晶片，英特爾稱『整合穩壓器』（IVR），和處理器晶片共享一塊處理器基板。晶片採用 22 奈米製程，內建 20 個『供電單元』（Power Cell），具有可程式化特性，可為處理器各單元模組提供獨立穩定的電壓控制，理論上最多可以為處理器內各個模組單元提供一共 320 相供電。
* 新的高級電源管理，除了傳統的 EIST 和 Turbo Boost 以外，新增了幾個電力控制狀態，對於 CPU 核心和內建 GPU 核心將會有更明確精細的電壓控制，類似於對手超微半導體（AMD）的 Turbo Core 3.0；
* 行動版本的處理器將有熱設計功耗為 25 瓦、37 瓦、47 瓦以及 57 瓦的型號；而桌機版本的預期則有熱設計功耗為 35 瓦、45 瓦、55 瓦、65 瓦、77 瓦、95 瓦以及極致效能（包括高階伺服器平台的）高達 100 瓦以上 TDP 的型號，最高達到了 Haswell-EP/EX 的 160 瓦，最大通過電流 190 安培，不過有訊息指出，由於增大的顯示核心，主流級和效能級電腦版本處理器的熱設計功耗有可能上揚至 105 瓦；除了行動平台、桌面平台以及伺服器平台以外，Intel 還專門為超極致筆電設計了 TDP 只有 15W、10W 的版本，而且還將採用多晶片模組的設計，將晶片組和處理器整合到一塊處理器基板上，類似於 Intel Westmere 中顯示核心和 CPU 核心整合於一塊處理器基板的形式。

### 預期特性

* 支援 Thunderbolt 技術。
* 128 bytes cache line.
* Execution trace cache will be included L2 caching design.

## Haswell Refresh

英特爾在 2014 年 5 月發布 Haswell 的改進版，稱為 Haswell Refresh。同時，發佈新一代 9 系晶片組。

Haswell/Haswell Refresh 與 8/9 系晶片組互相相容。Haswell Refresh K 系列處理器原先只能在 Z97 或 H97 主機板上使用。後來英特爾宣布 Haswell Refresh K 系列處理器也可在 8 系主機板上使用。

i7-4790 用以取代 i7-4771 而非 i7-4770。

## 晶片組

### 8 系列晶片組

* 支援 USB3.0 並最多提供 6 個連接埠
* 支援 SATA 6.0Gb/s 並提供最多 6 個連接埠
* 優化硬碟資料傳送效能，提高資料存取和響應能力，特別是固態硬碟
* 優化英特爾智慧型響應技術及其支援驅動程式
* 為固態硬碟組建的硬碟陣列提供完整的 TRIM 支援
* Intel Lake Tiny 技術（動態硬碟加速）改善固態硬碟和機械硬碟混合組合的傳送效能
* 採用 32nm 製程
* 秏電量 4.1W（上代為 6.7W）
* 於 2013 年第二季上市，不相容舊有處理器。

消費級平臺上，最高階型號為 Z87，支援所有特性；H87 不支援動態硬碟加速以及 3 路 PCI-E 顯示卡互聯；而最低階的 H81 取代舊有的 H61，僅支援單路 PCIe 2.0 x16 + 六條 PCIe 2.0 x1、兩個 USB 3.0 連接埠 + 八個 USB 2.0 連接埠、兩個 SATA 6Gbps 連接埠 + 兩個 SATA 3Gbps 連接埠（無 RAID），以及每通道記憶體只支援一個 DIMM（亦即每通道僅能插入一條 DDR3 記憶體）。除此以外，B85 也會取代 B75，規格和 H87 相近但不支援高級硬碟特性。一些有一定研發實力的廠商，如華碩電腦、華擎科技、技嘉科技等，推出的 H87、B85 晶片組的主機板支援一些處理器型號的倍頻調整或是基準頻率的調整以實現處理器的超頻。

商務平臺由 Q87、Q85 分別取代 Q77、Q75。

然而在 2013 年 3 月份，有訊息指 8 系列晶片組工程樣品中的 USB 3.0 控制器存在缺陷，會影響 S3 休眠電源狀態以及 USB 3.0 的使用。儘管離正式發佈仍有三個月的時間，但是英特爾當時卻沒有修復這個硬體電路 BUG 的打算，所以銷售的 C1 步進的產品是存在瑕疵的。後來英特爾於 2013 年 4 月份突然宣布這個硬體電路的 BUG 已修復完成，但僅限於 2013 年 8 月份以後推出的 C2 步進的版本，此前出貨的有缺陷的 C1 步進版本仍然繼續銷售，只是要注意 USB3.0 的使用。有訊息稱該缺陷只會在 Windows 8 系統下碰到。據稱該缺陷無法透過更新驅動程式或 BIOS/EFI 修復，但有網友稱在 Windows 8 和 Windows Server 2012 下可以透過安裝 KB2811660 和 KB2822241 修復該缺陷。

### 9 系列晶片組

* 支援 M.2 介面
* 於 2014 年第二季上市，將相容後續的 Broadwell 處理器。

## 處理器

### 消費級處理器

首批上市的基於 Haswell 架構的消費級桌上型處理器有 Core i7 系列、Core i5 系列，標準電壓版的 Core i7-4770K/4770、Core i5-4670K/4670/4570/4430 的熱設計功耗為 84 瓦（其中帶「K」的型號不鎖定倍頻），節能版的 Core i7-4770S、Core i5-4670S/4570S/4430S 的為 65 瓦，低電壓版的 Core i7-4770T、Core i5-4670T 的為 45 瓦，超低電壓版的 Core i7-4765T、Core i5-4570T（雙核心四執行緒）的則為 35 瓦。全部型號內建英特爾 HD 圖形（HD Graphics 4600）。行動版處理器全部為四核心 Core i7，分別為 i7-4930MX（TDP 57 瓦，8MB 三級快取）、i7-4900MQ（TDP 47 瓦，8MB 三級快取）、i7-4800MQ（47 瓦，6MB 三級快取），均為 rPGA 封裝。面向主流市場的 Core i3 以及 Pentium 型號則於 2013 年 8 月後陸續推出，有 Core i3-4130/4330/4340、Pentium G3220/G3420/G3430/G3450 等型號。

2014 年，為紀念英特爾『Pentium』（奔騰）品牌誕生 20 週年，英特爾已於 2014 年中期推出無倍頻鎖定的 Pentium20 週年紀念版 (PENTIUM G3258)，英特爾 8 系列和 9 系列的晶片組均可支援。除此以外，還將發布英特爾首款消費級八核心處理器，支援 DDR4 記憶體。而且還改進處理器頂蓋中的導熱材料，緩解 haswell 架構處理器中部分型號的過熱問題。

### 企業級處理器

Intel 為在高效能計算和高效能資料中心領域對抗 NVIDIA「Project Denver」的新形態處理器（基於 ARM 的指令集架構的處理器並整合 NVIDIA 基於「Maxwell」架構的 GPGPU），將推出極致效能的 x86 處理器核心 Haswell-EP/EX，最高支援八通道 DDR4-4266，熱設計功耗高達 160 瓦，往下還有 145 瓦、135 瓦、120 瓦等幾個階層。

## 效能表現

與上一代 Sandy Bridge/Ivy Bridge 架構相比：

* Haswell 的 CPU 核心預期至少有 10%～20% 的效能提升，相對於 Ivy Bridge 的製品；不過根據 2013 年 3 月流出的 Core i7-4770K 的工程樣品顯示，整體效能水準相較於前兩代的 Core i7 而言提升幅度仍然有限。
* 最高階的內建圖形處理器是 HD Graphics 4600 預計會有翻倍的效能，相對於 HD Graphics 4000，而實際上提升幅度和上一代的一樣，而且仍然不及對手超微半導體的 AMD Fusion APU 的內建顯示核心。

## 過熱問題

內建顯示核心的運行單元 (EU) 由上代 Ivy Bridge 的 6 組大幅增加到 20 組，同時也將電源控制模組整合到 CPU 上，四核心型號耗電量由 77W 上升到 84W，使得處理器電壓調節模組的熱量都集中至 CPU 上，運行時的溫度比上代更高，超頻能力亦有所下降。 因為發熱升高，效能沒有太多提升，使得 Haswell 微架構在超頻玩家中也被戲稱『hotwell』。

## 製程改進版：Intel Broadwell

根據 Intel 的「Tick-Tock」策略路線，Intel Haswell 微架構的製程改進版代號為 **Intel Broadwell**，採用 14 奈米製程，於 Haswell 發布後一年發布。Intel Broadwell 將會採用系統單晶片（SoC）或多晶片模組（MCM）的設計，將 PCH 晶片組內建於處理器晶片上或處理器基板上。這個將意味著 Intel Haswell 平台的主機板和處理器無法與 Intel Broadwell 的處理器 / 主機板互相相容，因為 Haswell 平台的主機板仍保留晶片組的設計。Broadwell 一部份處理器型號相容 LGA1150 介面，這符合一代介面用兩代的慣例。

2012 年 11 月末，有不實傳言謠傳指英特爾在 Broadwell 以後將統一採用 BGA 封裝，摒棄插槽，屆時將和主機板捆綁販售，此言一出，立刻在個人電腦 DIY 市場上引起強烈反對的聲音，而英特爾發言人 Daniel Snyder 則出面澄清，「英特爾將繼續在可以預見的未來為使用者提供 LGA 封裝的處理器製品」。對手 AMD 也表示，儘管它們有 BGA 封裝的製品大量生產，但不會放棄插槽式的處理器製品。

英特爾也會在 Broadwell 中加入新指令：

* ADOC/ADCX 指令，用於任意精度整數操作

## 繼任微架構

Intel Skylake 微架構將會是 Intel Haswell 微架構及其製程改進版 Intel Broadwell 微架構的繼任者。

## 參見

* Intel Core
* Intel Nehalem
* Intel Westmere
* Intel Sandy Bridge
* Intel Ivy Bridge
* AMD Bulldozer
* AMD Piledriver
* AMD Steamroller

## 參考文獻