有序進(jìn)化歷代Core i7處理器性能大比拼

雷雨 王旭

十年前，當(dāng)Intel處理器從奔騰D升級到Core 2 Duo，業(yè)界是用“雷霆一擊”來形容，那是一種飛躍式的質(zhì)的變化，功耗溫度大降而性能大漲，隨后的Core 2 Quad雖然是個(gè)膠水四核，不過多了兩個(gè)核還是帶來了相當(dāng)大的性能提升，接下來的Nehalem架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了原生四核，內(nèi)存控制器整合到CPU內(nèi)部使得內(nèi)存帶寬大幅攀升，超線程技術(shù)的回歸讓CPU的多線程性能有了很大提升，后面的Sandy Bridge架構(gòu)是對Nehalem的一次大改，CPU與GPU真正的融合在一起，性能有了全面的提升。

但是后面幾代CPU的性能提升就相當(dāng)小了，每一代都是幾個(gè)百分點(diǎn)的性能升幅，這也讓Intel這幾年被玩家笑稱為牙膏廠的原因，下面這個(gè)圖也許不真是，但卻非常歡快的說明了這個(gè)問題。

在2006年Intel提出了Tick-Tock戰(zhàn)略，其中的Tick一環(huán)是指CPU工藝升級，Tock則是CPU架構(gòu)升級，二者輪流交替，兩年為一個(gè)周期，在Haswell架構(gòu)之前Intel一直都是按照這個(gè)步伐一步步走過來的，2007年45nm工藝的Penryn處理器，2008年是同為45nm工藝的Nehalem架構(gòu)，之后分別是32nm Westmere、32nm Sandy Bridge、22nm Ivy Bridge、22nm Haswell，22nm工藝是一個(gè)相當(dāng)重要的節(jié)點(diǎn)，這是Intel首次投入實(shí)用的3D晶體管工藝，然而隨后的14nm工藝Intel栽了個(gè)大跟斗，14nm工藝的延期迫使Intel放慢了前進(jìn)的步伐。

實(shí)際上Intel現(xiàn)在的工藝技術(shù)路線已經(jīng)變成了制程-架構(gòu)-優(yōu)化（Process-Architecture-Optimization），算是從之前的兩步走改成三步走了，步調(diào)放緩了。

都在說Intel這幾年來CPU的性能提升幅度不大，舊U還能繼續(xù)戰(zhàn)N年，那么最近幾代Intel處理器到底有多大性能差距呢？今天我們要測試一下從第一代的Core i7-870開始到現(xiàn)在最新的Core i7-7700K共六款六代的酷睿處理器，看看各代之間到底有多大的差距。

不過在測試之前我們先來回顧下這幾年來Intel的各代CPU架構(gòu)。

一切的開端：Nehalem

08年推出的Nehalem微架構(gòu)是一切的基礎(chǔ)，Intel這幾年的酷睿處理器微架構(gòu)都是以它為基礎(chǔ)，嚴(yán)格來說，Nehalem微架構(gòu)仍是基于上一代Core微架構(gòu)改進(jìn)而來的，但它的改進(jìn)是全方位的，計(jì)算內(nèi)核的設(shè)計(jì)來源于之前的Core微架構(gòu)，并對其進(jìn)行了優(yōu)化和加強(qiáng)，主要為重拾超線程技術(shù)、支持內(nèi)核加速模式Turbo Boost和支持SSE4.2等方面，非計(jì)算內(nèi)核的設(shè)計(jì)改動(dòng)主要的有三級包含式Cache設(shè)計(jì)、使用QPI總線和整合內(nèi)存控制器等重要改進(jìn)。

Nehalem微架構(gòu)采用可擴(kuò)展的架構(gòu)，主要是每個(gè)處理器單元均采用了Building Block模組化設(shè)計(jì)，組件包括有：核心數(shù)量、SMT功能、L3緩存容量、QPI連接數(shù)量、IMC數(shù)量、內(nèi)存類型、內(nèi)存通道數(shù)量、整合GPU、 能耗和時(shí)鐘頻率等，這些組件均可自由組合，以滿足多種性能需求，比如可以組合成雙核心、四核心甚至八核心的處理器，而且組合多個(gè)QPI連接更可以滿足多路服務(wù)器的需求。

正因?yàn)檫@樣的模組化設(shè)計(jì)，英特爾可以靈活的制造出各種差異化的核心，比如支持三通道DDR3的Bloomfield核心、支持雙通道DDR3的Lynnfield和Clarkdale核心，而且這些核心間還存在是否支持超線程、Turbo Boost技術(shù)等區(qū)別，Clarkdale還整合了GPU圖形單元。

在2009年9月，Intel推出基于Nehalem微架構(gòu)的Lynnfield處理器，采用LGA 1156接口，它與Bloomfield的區(qū)別不單只在于內(nèi)存通道數(shù)的差別，Lynnfield把PCI-E控制器整合到了CPU內(nèi)部，而北橋其他功能與南橋一起整合到PCH里面，主板從三芯片變成了雙芯片，形成了現(xiàn)在主板的基本布局。

2010年的Clarkdale只有雙核設(shè)計(jì)，它把GPU也整合到CPU內(nèi)部了，但是只是簡單的將GPU和CPU封裝在一起，并沒有真正達(dá)到“融合”，一顆CPU里其實(shí)有兩顆“芯”，CPU的制造工藝升級到了32nm而GPU部分則依然是舊的45nm工藝，它們采用QPI總線相連，對外則采用DMI總線連接PCH。

真正的雙芯融合：Sandy Bridge

在2011年伊始，Intel就把微架構(gòu)升級到新一代的Sandy Bridge，它真正將GPU與CPU融合，從以前的雙U各立山頭到合二為一，是非常大的突破， 內(nèi)核架構(gòu)也較Nehalem有了較大變化，這些變化包括：新的分支預(yù)測單元、新的Uop緩存、新的物理寄存器文件、有效執(zhí)行256位指令、放棄QPI總線改用環(huán)形總線、最末級緩存LLC機(jī)制、新鮮的系統(tǒng)助理等。

AVX指令集的加入是Sandy Bridge最為重要的改進(jìn)，浮點(diǎn)性能得以激增，新一代的Turbo Boost 2.0技術(shù)增強(qiáng)了Sandy Bridge自動(dòng)提速的彈性，除CPU外還可對GFX進(jìn)行加速，并隨著系統(tǒng)負(fù)載的不同協(xié)調(diào)二者的頻率升降，表現(xiàn)得更加智能化。

新一代圖形核心具備出色的圖形與多媒體性能，由于改用了環(huán)形總線設(shè)計(jì)，三級緩存可由CPU各核心、GPU核心與系統(tǒng)助理System Agent共享，可直接在L3內(nèi)進(jìn)行通信。GPU主要包含了指令流處理器、媒體處理器、多格式媒體解碼器、執(zhí)行單元、統(tǒng)一執(zhí)行單元陣列、媒體取樣器、紋理采樣器以及指令緩沖等等，架構(gòu)與上一代相比有了較大修改。

3D晶體管起航：Ivy Bridge

Ivy Bridge雖然說只是Sandy Bridge的工藝改良版，架構(gòu)上沒太大改變，不過對Intel來說卻是一款相當(dāng)重要的產(chǎn)品，因?yàn)樗鞘状尾捎?2nm 3D晶體管工藝，是今后Intel半導(dǎo)體工藝的重要基礎(chǔ)；另外CPU內(nèi)部的PCI-E控制器也升級到了PCI-E 3.0標(biāo)準(zhǔn)，帶寬提升了一倍，分配方式也更靈活；內(nèi)核方面的改進(jìn)說是提升了IPC每周期指令性能，SSE以及AVX指令也有所增強(qiáng)；整合GPU性能也有所提升，EU數(shù)從12個(gè)提升到16個(gè)，API支持也從DX10.1升級到了DX11。

更強(qiáng)圖形性能與更為精確的功耗控制：Haswell

Haswell是Intel在2013年推出的全新微架構(gòu)，該架構(gòu)給人最深刻的印象就是把原來主板上的VRM模塊整合到了CPU內(nèi)部，F(xiàn)IVR調(diào)壓模塊的加入讓主板的供電變得簡單，并且可以對CPU內(nèi)部的電壓進(jìn)行更為精確的控制，提高供電效率，實(shí)際上Haswell與Broadwell架構(gòu)的產(chǎn)品是我見過電壓最為穩(wěn)定的Intel處理器。

指令集方面，Haswell增加了兩個(gè)指令集，一個(gè)是針對多線程應(yīng)用的TSX擴(kuò)展指令，另一個(gè)是就是AVX指令的進(jìn)階版AVX2。還有一點(diǎn)就是從Haswell架構(gòu)開始Intel的核顯開始了模塊化、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，就此走上了暴力堆砌核顯規(guī)格的道路，最高級的核顯擁有40個(gè)EU，還有大容量eDRAM作為L4緩存，可同時(shí)提升CPU與GPU性能。

其實(shí)在Haswell與Skylake之間還有個(gè)Broadwell，就是采用14nm工藝的Haswell處理器，不過Broadwell主要用在移動(dòng)平臺(tái)上，桌面級的Broadwell就兩顆，而且國內(nèi)沒有正式上市所以沒啥存在感，這里就不再做介紹了。

DDR4的時(shí)代到來：Skylake

Skylake可以說是自Sandy Bridge以來Intel最給力的一次升級了，CPU同時(shí)升級架構(gòu)、工藝及核顯，內(nèi)存同時(shí)支持DDR3與DDR4，采用了更為先進(jìn)的14nm工藝使得Skylake在頻率提升、性能增強(qiáng)的同時(shí)功耗有了明顯降低，而FIVR電壓控制模塊則被取消了，電壓的控制也重新回到主板上。

Skylake處理器在超頻上的改進(jìn)可能讓人眼前一亮，因?yàn)榇饲癐ntel對超頻的限制頗多，全民超頻的盛況早就不存在了，但Skylake處理器上，Intel雖然會(huì)繼續(xù)限制倍頻，但這次的BCLK外頻限制沒這么嚴(yán)了，外頻能輕易超到125MHz以上，外頻的解放更有助于極限超頻玩家挑戰(zhàn)更高記錄。

核顯方面，Skylake與Broadwell其實(shí)挺相似的，每組Subslice單元依舊是24個(gè)EU，但是整體規(guī)模變得越來越大了，Skylake最多可以擴(kuò)展到3組Slice單元，也就是說最多會(huì)配備72個(gè)EU單元，因此Skylake也多出GT4這個(gè)級別的核顯。

小修小補(bǔ)提升能耗比：Kaby Lake

Kaby Lake只是Skylake的優(yōu)化版本，主要改善能耗比，然而這些在桌面版的處理器上表現(xiàn)并不明顯，桌面版第七代處理器比較明顯的區(qū)別只是頻率高了。

Kaby Lake雖然都是使用14nm制程，不過Intel說他們對工藝進(jìn)行了改良，Kaby Lake處理器上使用的新工藝使用了更高的鰭片與更寬的柵極間距，更高的鰭片意味著需要更小的驅(qū)動(dòng)電流，這可減少漏電概率，而更寬的柵極間距這貨會(huì)降低晶體管密度，這需要更高的電壓但是可以降低生產(chǎn)難度，另外更寬的間距允許每個(gè)晶體管的產(chǎn)生的熱有更多地方擴(kuò)散，這有助降低內(nèi)核溫度并提升頻率，這也是為什么Kaby Lake頻率都比Skylake高但功耗則沒什么變化的原因。

GPU方面Kaby Lake的核心與Skylake一樣都是Gen 9，不過針對4K視頻回放進(jìn)行了改良，增加了H.265 Main.10、VP9 8/10-bit格式的硬件解碼與編碼，可大幅降低4K視頻播放時(shí)的功耗，這對臺(tái)式機(jī)來說可能不算什么，不過對移動(dòng)設(shè)備來說降低功耗等同增加續(xù)航時(shí)間，這個(gè)是相當(dāng)重要的。

說真的主板芯片組的變化可能是給消費(fèi)者更新?lián)Q代的更大原因，如果說這些年來LGA 115X平臺(tái)CPU給人的感覺總體差別不大的話，主板更新?lián)Q代的差別就是相當(dāng)大了，PCI-E總線從2.0變3.0，存儲(chǔ)接口從SATA 3Gbps慢慢進(jìn)化到SATA 6Gbps到現(xiàn)在最新的M.2/U.2接口，USB接口從2.0到3.0再到現(xiàn)在最新的3.1，這些都是能看得到且相當(dāng)實(shí)在的變化，再加上主板廠商每次都會(huì)在主板上加新花樣，可以說主板帶來的變化更有讓人更新?lián)Q代的沖動(dòng)。

測試平臺(tái)與說明

這次測試的處理器包括從Core i7-870到Core i7-7700K的六代Intel LGA 115X平臺(tái)的處理器，Core i7-5775C是稀有品那個(gè)就算了，他們會(huì)搭配對應(yīng)的主板，Core i7-7700K/6700K會(huì)使用DDR4內(nèi)存，而其他處理器則使用DDR3內(nèi)存，顯卡采用GTX 1070 FE版，系統(tǒng)使用Windows 10 build 1607，顯卡驅(qū)動(dòng)是NVIDIA GeForce 372.70。

測試項(xiàng)目包括CPU基礎(chǔ)性能測試與游戲性能測試，CPU性能測試用的都是基礎(chǔ)性能測試軟件，而游戲測試包括3DMark Fire Strike基準(zhǔn)測試與《文明：超越地球》、《GTA 5》兩個(gè)游戲，會(huì)分別對比CPU默認(rèn)性能與4G同頻下的性能差別，此外還有功耗與溫度的測試，由于CPU超頻后的電壓會(huì)隨不同CPU的體質(zhì)而不同，所以只測試CPU默認(rèn)頻率下的功耗與溫度。

默頻測試

默認(rèn)頻率測試會(huì)讓Intel的Turbo Boost自動(dòng)調(diào)節(jié)處理器的頻率，單核頻率就是Turbo Boost的CPU的最高頻率，而四核的Boost頻率則分別是：Core i7-870 3.2GHz，Core i7-2600K 3.5GHz，Core i7-3770K 3.7GHz，Core i7-4770K 3.7GHz，Core i7-6700K 4.0GHz，Core i7-7700K 4.4GHz。由于默認(rèn)頻率設(shè)置的不同所以它們間的性能差距會(huì)比較明顯。

可見從Core i7-870到Core i7-2600K與Core i7-4770K到Core i7-6700k再到Core i7-7700K的性能差異是相當(dāng)大的，而Core i7-2600K到Core i7-3770K再到Core i7-4770K的差異則不算大，不過默頻測試由于有頻率的差別，有較大的一部分性能提升其實(shí)有由頻率提升引起的。

游戲性能測試

游戲性能測試這里3DMark Fire Strike的成績里面我們只取了物理得分來計(jì)算整體性能提升幅度，游戲測試的結(jié)果顯示每代處理器之間都有10%以上的性能提升，總幅度沒有基準(zhǔn)性能測試那么明顯。

4GHz同頻測試

同頻測試我們會(huì)把全部處理器頻率都超到4GHz（對Core i7-6700K/7700K來說其實(shí)是降頻），由于Core i7-870是通過超外頻來達(dá)到4GHz的，所以內(nèi)存頻率也會(huì)小幅提升到1660MHz，不過這影響不會(huì)很大。

頻率一樣的話就能看得出各代架構(gòu)間的真正差異了，Core i7-2600K與Core i7-870、Core i7-6700K與Core i7-4770K都是有10%的提升的，然而Core i7-2600K、Core i7-3770K、Core i7-4770K相互間只有個(gè)位數(shù)的差距，Core i7-6700K與Core i7-7700K基本上都一樣的，其實(shí)從2009年的Core i7-870到2016年的Core i7-7700K在同頻下性能差距也只有36%，用了7年才把性能提升這么多，怪不得Intel被人說他擠牙膏。

溫度與功耗測試

溫度與功耗測試我們會(huì)讓CPU回到默認(rèn)頻率和電壓下進(jìn)行，負(fù)載工具是AIDA64穩(wěn)定性測試?yán)锩娴腇PU測試，散熱器用的是采融的黑豹。

功耗方面采用45nm工藝的Core i7-870自然是當(dāng)仁不讓最高的，Core i7-2600K這代工藝升級到了32nm，功耗大幅下降的同時(shí)頻率還升了，這兩代之間的升級是最明顯的，Core i7-3770K工藝升級到了22nm 3D晶體管，頻率升了200MHz的同時(shí)功耗與上代維持一致，Core i7-4770K雖然整合了FIVR調(diào)壓模塊，負(fù)載電壓也是最低的，然而由于核顯規(guī)格的暴漲，導(dǎo)致負(fù)載功耗不降反升，整合到CPU內(nèi)部的FIVR可能也有一定的關(guān)系，Core i7-6700K的工藝升級到了14nm，移除了FIVR模塊，再加上一系列優(yōu)化，在頻率提升的同時(shí)功耗也有較明顯的下降，到了Core i7-7700K，工藝與架構(gòu)都沒有大改，然而頻率升了10%，結(jié)果功耗又升上去了。

溫度方面，Core i7-2600K表現(xiàn)其實(shí)是最好的，因?yàn)槟菚r(shí)候Sandy Bridge用的還是導(dǎo)熱性非常好的無釬劑焊料，再加上功耗較上代有很大的降低，所以滿載溫度才58℃，從Ivy Bridge開始Intel就把無釬劑焊料換成了普通的TIM硅脂，這導(dǎo)致Core i7-3770K后面的CPU溫度都爆增，Core i7-4770K溫度與Core i7-3770K差不多，到Core i7-6700K這一代功耗降下來后溫度才有所下降，到了Core i7-7700K溫度又升上去了。

從這個(gè)角度來看，Sandy Bridge確實(shí)是Intel近幾年來最給力的一次升級。

總結(jié)：牙膏就是這么擠的，同頻性能平均每代提升5%

從2009年的Core i7-870到2016年的Core i7-7700K，用了7年換了七代架構(gòu)在同頻下性能差距也只有35%，平均每代性能提升只有5%，如果默頻下平均每代也差不多是10%的提升，所以說英特爾擠牙膏其實(shí)也無可厚非，當(dāng)然這個(gè)只是CPU性能上的，這幾年來Intel主要還是不斷的在提升處理器的能耗比，提升核顯性能，這些都是移動(dòng)平臺(tái)上所需要的，桌面處理器可以說只是一種附帶品。

從Lynnfield升級到Sandy Bridge確實(shí)是質(zhì)的改變，功耗大降性能明顯提升，主板帶來了SATA 6Gbps與USB 3.0接口，提升是相當(dāng)明顯的，CPU整合了核顯讓用戶有了更多的選擇。

Ivy Bridge則帶來了PCI-E 3.0，主板上的USB 3.0也從第三方變成了原生，性能上的提升不算太明顯，然而CPU溫度暴增帶來的負(fù)面影響就很明顯。

Haswell整合了FIVE調(diào)壓模塊使得功耗控制相當(dāng)精確，輕載時(shí)功耗會(huì)有明顯下降，核顯性能也有很大提升，然而這對桌面平臺(tái)來說意義不大，Z87帶來更多的SATA 6Gbps接口也沒太大實(shí)際意義，帶M.2接口的Z97主板作用到是大一點(diǎn)，然而那時(shí)的M.2 SSD并不親民，而且Z97主板上那個(gè)PCI-E 2.0 x2接口的M.2口也限制了M.2 SSD的性能。

Skylake較Haswell來說性能提升了功耗也降了，雖然沒有當(dāng)年Lynnfield升到Sandy Bridge那么明顯，不過也算近年來較給力的一次升級，而且Z170與Z97主板在規(guī)格上也有很大的差別，Z170一共有20條PCI-E 3.0通道，這使主板可以支持全速32Gbps的M.2與U.2接口，比Z97上那個(gè)M.2 10Gbps強(qiáng)多了。

Kaby Lake的體質(zhì)較Skylake好得多，頻率更高，而且中低端產(chǎn)品變化會(huì)比較明顯，屆時(shí)會(huì)有不鎖倍頻的Core i3處理器和雙核四線程的奔騰處理器，此外還會(huì)帶來全新的Intel Optane技術(shù)。

當(dāng)然這里討論的只是Intel主流平臺(tái)LGA 115X，旗艦平臺(tái)每代升級還是很明顯的從當(dāng)年的Core i7-965到現(xiàn)在最新的Core i7-6950X，從4核變成了10核，性能有多大差距就不用多說了。

然而Intel的表現(xiàn)比起對手AMD已經(jīng)好得多了，Intel這幾年的擠牙膏與AMD在CPU市場上低迷的表現(xiàn)肯定脫不了關(guān)系，AMD的挖掘機(jī)、推土機(jī)完全不是Intel的對手，沒了競爭對手Intel自然也會(huì)放慢腳步，希望AMD明年的Zen給力一點(diǎn)把，不然Intel會(huì)繼續(xù)擠牙膏的。□