Turbo-Boost и Turbo Core — как Intel и AMD боролись в нише разгона CPU

Intel и AMD нередко выпускали технологии, которые по своей сути были аналогичны друг другу — Intel Hyper-Threading и AMD Simultaneous Multithreading (SMT) для многопоточности, Intel SpeedStep и AMD CPPC2 для оптимизации TDP. То же самое произошло и в области разгона тактовой частоты CPU — компании выпустили Intel Turbo-Boost и AMD Turbo Core. Может показаться, что в этих технологиях нет ничего сложного, но на деле развитие Turbo-Boost и Turbo Core проходило весьма неоднозначно, но очень интересно. В этой статье мы поговорим о том, что такое Turbo-Boost и Turbo Core, как прогрессировали эти технологии за все время своего существования и как два IT-гиганта в лице Intel и AMD боролись за лучшую реализацию одной и той же технологии.

Перед тем, как приступить к разбору технологий Intel Turbo-Boost и AMD Turbo Core, стоит объяснить, что вообще из себя представляет разгон тактовой частоты CPU.

Разгон тактовой частоты CPU — это процесс увеличения рабочей частоты процессора сверх оптимальных значений, заданных производителем. Каждый CPU имеет базовую тактовую частоту, которая гарантирует стабильную работу чипа в рамках конкретных лимитов TDP. Однако большинство процессоров имеют потенциал увеличения тактовой частоты, который можно активировать разгоном, тем самым увеличив его производительность. Разгон можно выполнять как вручную, так и автоматически с помощью специальных технологий, которыми и являются Intel Turbo-Boost и AMD Turbo Core. 

Стоит понимать, что такой “тюнинг” требует соблюдения баланса — повышение частоты ведет к росту тепловыделения и энергопотребления, что может дестабилизировать систему и вызвать перегрев компонентов, впоследствии выводя их из строя. Чтобы минимизировать риски, критически важно обеспечить процессор эффективным охлаждением, использовать качественный блок питания и материнскую плату с надежным VRM (Voltage Regulator Module). Современные процессоры частично нивелируют риски за счет встроенных механизмов защиты — Thermal Throttling (снижение частоты при перегреве) и Fail-Safe (отключение при перегрузке). 

Разгон CPU имеет множество сценариев использования, главными из которых являются:

• Прирост производительности в играх;
• Прирост производительности в профессиональных задачах (3D-рендеринг, компиляция кода).

Также необходимо учитывать тот факт, что не все CPU Intel одинаково поддаются разгону: модели с разблокированным множителем (Intel с индексом “K”, AMD Ryzen с маркировкой “X”) специально оптимизированы для разгона тактовой частоты, тогда как бюджетные чипы часто имеют жесткие ограничения в этом направлении. В то же время, у всех процессоров Ryzen множитель разгона по умолчанию разблокирован, поэтому пользователи могут самостоятельно увеличивать или уменьшать тактовую частоту через BIOS с помощью инструмента AMD CBS. Кроме того, агрессивный разгон тактовой частоты сокращает срок службы процессора, а в случае ручного разгона, не предусмотренного производителем, аннулируется гарантия на CPU.

Если ручной разгон так или иначе сопряжен с различными рисками, то в случае технологий автоматического разгона Turbo-Boost и Turbo Core, пользователи могут не переживать о критическом перегреве и выводе компонентов из строя. Intel и AMD позаботились о максимальной безопасности CPU, предоставив наилучший опыт использования CPU на повышенных частотах, при этом, обеспечив поддержку разгона на большинстве процессоров из представленных линеек. В настоящее время Turbo-Boost и Turbo Core являются обязательным дополнением десктопных и ряда серверных процессоров компаний Intel и AMD, однако так было не всегда. Чтобы лучше разобраться в особенностях Turbo-Boost и Turbo Core, углубимся в историю развития этих технологий.

Intel Turbo-boost впервые появилась в семействе десктопных чипов первого поколения Core i7-900 на архитектуре Nehalem в 4 квартале 2008 года. Поскольку увеличение частоты зависело от шины процессора, разгон был весьма невелик, но для рабочих задач и игр того времени прирост был весьма ощутимым — +133 МГц для каждого ядра или +266 МГц на одно ядро. Кроме того, удобство функции Turbo-boost обуславливалось автоматизацией, поскольку ручной разгон в 2008 году был комплексным и времязатратным занятием.

 

Чтобы укрепить свои позиции на рынке, в 2010 году Intel представила технологию Turbo-boost 2.0, интегрировав ее в процессоры второго поколения на архитектуре Sandy Bridge. Главные отличия Turbo-boost 2.0 от предыдущей версии — возможность автоматического разгона видеоядра и сброс тактовой частоты CPU для экономии энергопотребления и снижения TDP. Также стоит отметить, что Intel Turbo-Boost 2.0 повышал частоты с ходом по 100 МГц, что обуславливается аппаратными ограничениями процессоров того времени, а максимальный прирост составлял 300-500 МГц. Несмотря на нововведения, Turbo-boost 2.0 не получил широкой популярности, так как прирост частот был весьма незначительный, вследствие чего пользователи предпочитали использовать ручной разгон CPU. 

Впоследствии, в 2016 году, Intel также выпустила технологию Intel Turbo Boost Max 3.0, которая, по сути, является улучшенной версией Turbo Boost 2.0, дополненной дополнительным программным комплексом для распределения однопоточных задач на самые быстрые ядра. К примеру, в этой версии Turbo Boost появилась функция кратковременного увеличения тактовой частоты (Short-Term Boost) для прироста производительности в наиболее ресурсоемких задачах, таких как рендеринг. Благодаря использованию Intel Turbo Boost Max 3.0, тактовая частота процессора может увеличиваться на 15% выше стандартного разгона. 

С релизом Intel Core 8 поколения на архитектуре Coffee Lake в 2017 году, Intel представила новую версию технологии Turbo-Boost — Intel Velocity Boost. Новое поколение технологии разгона CPU привнесла значительные изменения, поскольку теперь тактовая частота начала увеличиваться вплоть до 1 ГГц. Таких весомых для того времени показателей удалось достичь благодаря увеличению максимальной температуры процессора до 70 °C, в пределах которой чип мог набирать тактовые частоты. По сути, это нововведение стало единственным отличием архитектуры Coffee lake от Kaby lake, поэтому пользователи начали критиковать Intel за умышленное занижение тактовых частот. 

Подводные камни технологий Turbo-boost 2.0 и Thermal Velocity Boost внезапно всплыли после выхода процессоров с архитектурой Coffee Lake Refresh в 2018 году. Компании Intel удалось увеличить температурный диапазон до 90 °C CPU, однако, разгон тактовой частоты на этих чипах требовал еще больших показателей на уровне 100-110 °C. К примеру, в процессорах Intel Core i7-9700K с заявленным TDP в 95 Вт, разгон тактовой частоты до заявленных 4,9 ГГц увеличивал тепловыделение до 125 Вт. Конечно, такое увеличение TDP могло бы быть не критичным, однако из-за использования термопасты вместо жидкого металла, Core i7-9700K сильно перегревались. Вследствие этого, реальная тактовая частота Core i7-9700K при разгоне составляла не 4,9 ГГц, а лишь 4,6 ГГц, при это стабильная тактовая частота находилась на уровне 4,4 ГГц. Некоторым энтузиастам все же удавалось разогнать процессор Core i7-9700K до заявленных показателей, но для этого приходилось использовать мощное охлаждение, которые было дорогостоящим для большинства пользователей ПК того времени. 

В связи с активно растущим давлением со стороны AMD, компании Intel было необходимо выпустить новое, конкурентоспособное решение, поскольку технология Turbo-boost 2.0 во всех аспектах уступала AMD Precision Boost 2. Решение было предложено в 11 поколении процессоров Rocket Lake 2021 года выпуска — технология Intel Adaptive Boost. Эта технология отслеживала температуру ядер процессора и лимит TDP, и если они соответствовали номинальным значениям, тактовая частота значительно увеличивалась вплоть до 5,3 ГГц, тогда как стандартный разгон процессоров доходил до 5,1 ГГц. Стоит отметить, что Adaptive Boost поддерживался только старшими моделями Intel Core i9-11900K и Core i9-11900KF. Несмотря на такие нововведения, Intel не удалось качественно реализовать эту технологию, поэтому тактовая частота не могла достичь заявленных значений в стандартных условиях.

Чтобы улучшить свою репутацию, Intel решила выбрать политику максимального увеличения производительности процессоров 13 и 14 поколения, тем самым сместив чипы Ryzen 7000 с лидерской позиции. Однако благие намерения компании обернулись провалом — из-за неверно скорректированного напряжения при разгоне и использования устаревшего 10-нм техпроцесса, новые чипы начинали деградировать и работать со сбоями уже спустя полгода эксплуатации из-за крайне высокого TDP. Например, у процессоров Intel Core i9-14900K при базовом значении TDP в 125 Вт, тепловыделение при разгоне в режиме Turbo-boost увеличивалось до колоссальных 253 Вт. Вследствии таких критических показателей, процессоры Core 13 и 14 поколения полностью провалились в продажах и вошли в историю как одни из самых худших CPU Intel.

Теперь, когда мы разобрали особенности технологий серии Turbo-Boost от Intel, пришло время поговорить об их прямых аналогах — технологиях разгона тактовой частоты AMD Turbo Core. История этой технологии началась еще в феврале 2009 года, когда AMD представила процессоры Phenom II X6 на архитектуре Thuban, которые обладали функцией разгона тактовой частоты AMD Turbo Core. Компании AMD удалось не просто вывести на рынок технологию, похожую на Turbo-Boost, но и обойти Intel по показателю увеличения тактовой частоты (+ 500 МГц для трех ядер у старших моделей). Кроме того, AMD Turbo Core не отключала неактивные ядра, как это происходило в случае Turbo-boost, а переводила их в режим пониженного энергопотребления, сокращая их тактовую частоту до 800 МГц. 

Выйдя из продолжительного периода стагнации, в 2017 году компания AMD представила новейшие процессоры семейства Ryzen, в которых появилась обновленная технология Turbo Core под названием AMD Precision boost. В отличие от Turbo-boost 2.0, AMD Precision boost каждый такт увеличивала частоту на 25 МГц, благодаря чему разгон проходил более плавно и не создавал высокую нагрузку. Помимо этого, AMD Precision boost также предлагал разгон тактовой частоты сверх «Буст» частот, указанных производителем, тогда как предельные показатели разгона Turbo-boost 2.0 не могли превысить показатели, указанные Intel. Благодаря этому, некоторым энтузиастам удавалось разогнать процессор Ryzen 7 1700 до колоссальной тактовой частоты в 5,6 ГГц. Тем не менее, у технологии AMD Precision boost все же были ограничения, связанные с максимальной температурой, которую мог выдержать чип, аппаратные возможности процессора, а также безопасный диапазон напряжения. Несмотря на широкий диапазон оверклокинга, пользователи чипов с технологией AMD Precision boost отмечали, что в процессе работы наблюдались резкие подъемы и падения тактовой частоты, что говорит о нехватке стабильности.

В 2019 году, с релизом архитектуры Zen2, AMD также представила обновленную технологию Precision Boost 2, которая устраняла все недостатки Precision Boost первого поколения, при этом позволяла разгонять частоту на 600 МГц на одно ядро. Теперь тактовые частоты повышались или понижались более плавно, а возможности разгона зависели от модели чипа, эффективности системы охлаждения и надежности материнской платы. В этой же технологии была добавлена функция Short-Term Boost для кратковременного прироста тактовой частоты, которая также поддерживается технологией Turbo-Boost 3.0. Также в AMD Precision Boost 2 появилась интеграция функции PBO, которая, по сути, является аналогом Intel Adaptive Boost и может динамически менять частоту чипа в зависимости от уровня тепловыделения. Чипы на базе архитектуры Zen2 с уверенностью можно назвать настоящим прорывом в гонке разгона тактовых частот, так как они обеспечивали стабильное увеличение тактовой частоты при умеренном повышении производительности. Возможно, именно благодаря чипам с ядрами Zen2 AMD начала активно завоевывать популярность среди массового потребителя, предлагая высокопроизводительные решения в ценовом сегменте, где у Intel не было собственного аналога. 

Turbo-boost и Turbo Core активно используются не только в десктопных, но и серверных центральных процессорах. Однако, в отличие от сегмента ПК, при разгоне серверных CPU в первую очередь важна надежность, а не высокая производительность. Ввиду этого, интеграция технологий Intel Turbo-boost и AMD Turbo Core происходила весьма своеобразно, о чем мы расскажем ниже:

Первыми серверными CPU от Intel, в которые была интегрирована технология Turbo-boost, стали чипы Intel Xeon 5500 2009 года выпуска на базе LGA1366. Изначально Intel внедрила Turbo-boost только в процессоры Intel Xeon 5500 среднего ценового сегмента, что обуславливается отсутствием необходимости увеличения тактовой частоты серверных чипов и аппаратными ограничениями процессоров тех времен. Однако, в области увеличения тактовой частоты в старших моделях линеек, Intel достигла весьма значительных высот. К пример, в процессорах Xeon Platinum 8592+ 2023 года выпуска, при базовой частоте в 1,9 ГГц для 64 ядер, в режиме Turbo Boost чип разгоняется до 2,9 ГГц по всем ядрам и до 3,9 ГГц для одного ядра. То есть, Intel удалось разогнать тактовую частоту на значительные 2 ГГц, при этом оставаясь в заданных пределах TDP. Если взять процессор чуть поскромнее, например, Intel Xeon Gold 6542Y то этот чип с 48 ядрами в буст режиме обеспечивает до 3,6 ГГц по всем ядрам и до 4,1 ГГц при базовой частоте в 2,9 ГГц. Благодаря такому скачку, даже самый невзрачный CPU, который при стандартной частоте не подойдет для развертывания даже 1С, может стать великолепным решением для высокопроизводительных серверов, предназначенных для развертывания корпоративных приложений.

По-началу AMD выбрала ту же политику, что и Intel — бюджетные процессоры Opteron G34 не поддерживали технологию Turbo Core. Интересно, что AMD до сих пор использует устаревшую технологию Turbo Core даже в современных серверных процессорах, так как она обеспечивает более стабильный прирост тактовой частоты без риска перегрева. Однако для активации Turbo Core в чипах AMD необходимо мощное охлаждение и надежная материнская плата. В настоящее время AMD не сообщает, какую именно технологию увеличения тактовой частоты применяют в современных серверных CPU, например EPYC 9004 и 9005, но эта технология однозначно есть во всех процессорах вне зависимости от сегмента. К примеру, в EPYC 9754 все процессорные ядра на архитектуре Zen4c в количестве 128 штук, разгоняются до 3.1 ГГц при базовой частоте 2.25 ГГц. В процессоре EPYC 9965 с 192 ядрами на архитектуре Zen 5 одно ядро может разгоняться до 3.7 ГГц, в то время как базовая частота составляет всего лишь до 2.25 ГГц. 

Интересно, как одна технология для автоматического и безопасного разгона ядер дала такой огромный, без преувеличения, прирост к производительности и комфорту пользования компьютером и серверами для всех пользователей. Обычному пользователю теперь не нужно думать о разгоне процессора, теперь это автоматизировано и дает отличный прирост к комфорту пользования компьютером, а перед энтузиастами всё равно есть простор для экспериментов как для разгона ядер, так и для андервольта. В серверной тематике это улучшение позволило работать с сервером гораздо более комфортно с запасом под разные задачи. Сейчас на одном высокопроизводительном сервере можно развернуть как базу 1С, так и стенд для виртуализации, за счет количества ядер процессора и их частоты в Turbo режиме. Однако, в большинстве случаев пользователи, которые хотят выжать максимум из своего железа, выбирают именно чипы AMD и технологии семейства Turbo Core, так как Turbo Boost от Intel за долгие годы развития так и не получил положительной репутации и во многом уступает своему аналогу.