broadwell

定义

Broadwell 是英特尔为第五代酷睿处理器所采用的微架构代号，也是该公司对 Haswell 微架构实施 14 纳米制程缩小的版本^[1]。在英特尔以“Tick-Tock”交替推进工艺与架构的规划中，它对应的是只更换制造工艺、不大改微架构的那一步^[4][5]。因此它的核心前端、缓存层次与指令流水线大体沿用前代，主要变化来自更细的晶体管和随之而来的能效改善^[3]。

该架构在产品端的命名并不统一：部分型号被作为“第五代酷睿”i3、i5、i7 销售，而基于它的赛扬、奔腾及至强芯片并不使用这一称谓。对应服务器市场的部分则以至强 E3 v4、E5 v4、E7 v4 的名义出现^[3]。这一代也是英特尔与微软双方均提供 Windows 7 支持的最后一个平台。

原理

Broadwell 的制造基础是英特尔的 14 纳米三栅极(FinFET)晶体管工艺，也是该制程的第二代三栅极技术^[2][6]。与 22 纳米 Haswell 相比，其鳍片间距由 60 纳米缩至 42 纳米，栅极间距由 90 纳米降至 70 纳米，标准单元高度则从 840 纳米减到 399 纳米，晶体管密度因此明显提升^[3]。英特尔方面表示，新微架构针对 14 纳米特性做过优化，使同等性能下的散热量得以降低^[2]。

在指令集层面，Broadwell 在延续 x86-64 与 AVX2、FMA3 等扩展的同时，新增了 ADOX、ADCX、MULX 三条用于高精度整数运算的指令，以及基于 NIST SP 800-90B/90C 的 RDSEED 随机数指令与 PREFETCHW 预取指令^[7][3]。其核心为超标量、支持推测执行与寄存器重命名的设计，流水线级数约 14 至 19 级^[3]。

集成的第八代核显是这一代变化较明显的部分：32 位整数吞吐量翻倍，增加原生 16 位浮点支持，并提升了执行单元与末级缓存之间的带宽^[8]。部分高端型号在处理器封装内附加 128 MB eDRAM 作为第四级缓存，供核显使用^[3]。

发展历程

2013 年 9 月，英特尔在开发者论坛上展示了 14 纳米处理器样品，时任首席执行官 Brian Krzanich 称相比 Haswell 功耗可改善约 30%^[7]。此后 14 纳米工艺的成熟进度慢于原计划，2014 年有报道称良率问题导致 Broadwell-H 与 Broadwell-K 等型号推迟，原本预期的 2014 年中发布被顺延^[5][9]。

2014 年 8 月 12 日，英特尔公布 14 纳米微架构技术细节，并说明首批产品为酷睿 M(Broadwell-Y)^[2][10]。同年台北国际电脑展上，英特尔宣布这类低功耗芯片以 Core M 品牌销售。超低功耗的 Broadwell-Y 于 2014 年下半年最先出货，热设计功耗分 4.5 W 与 3.5 W 两档，面向平板与部分超极本。

2015 年 1 月，面向轻薄笔记本的 Broadwell-U 在消费电子展上正式发布，共 14 款型号，热设计功耗为 15 W 与 28 W^[11][7]。同年 6 月，面向台式机的 Broadwell-C 上市，代表型号为 i7-5775C 与 i5-5675C，均不锁倍频并搭载 Iris Pro 核显^[7]。面向发烧级桌面的 Broadwell-E 则于 2016 年 5 月底在台北国际电脑展上推出，最高 10 核，可兼容 X99 主板但需更新 BIOS^[7]。

服务器方向，Broadwell-EP 对应至强 E5-2600 v4，最多 22 核 44 线程、45 MB 三级缓存与 40 条 PCIe 3.0 通道，热设计功耗 70 至 160 W^[7]。按英特尔公布的产品代码，该家族还覆盖至强 E3、E7 与至强 D 等分支。该微架构的后续者是 Skylake，其发布时间也因 14 纳米节奏拖长而相对接近^[12]。

应用

Broadwell 的产品线按封装与功耗划分用途。BGA 封装的 Broadwell-Y 与 Broadwell-U 为系统级芯片(SoC)，用于平板电脑、二合一设备、超极本和英特尔的 NUC 小型机；其中 U 系列最高支持 16 GB 的 DDR3 或 LPDDR3 内存^[7]。Broadwell-H 的热设计功耗为 37 W 或 47 W，配合 9 系列芯片组用于高性能笔记本和一体机^[7][3]。

桌面端的 Broadwell-C 采用 LGA 1150 封装，可与 9 系列芯片组(Z97、H97 等)搭配，并保留对部分 8 系列芯片组的向后兼容^[7]。至强各分支则用于双路与多路服务器及关键任务平台，其中 Broadwell-EX 面向多处理器服务器，快速通道互联升级至 1.1 版本^[7]。

在功能特性上，这一代的核显支持 DirectX 12、OpenGL 4.3 与 OpenCL 2.0，并加入 HEVC(H.265)、VP9、VP8 的硬件解码与 4K 输出^[11]。结合较低的功耗，这类平台常被用于无风扇结构和小型化的整机设计^[13]。

局限

作为“Tick”世代的产物，Broadwell 的微架构本身改动有限，相对 Haswell 的同频性能提升幅度不大，主要收益集中在制程带来的功耗下降^[13][8]。它也没有完整替代上一代产品：由于缺少低端桌面型号，Haswell 产品在市场上继续存在。有分析指出 Broadwell 桌面版并未推出非 K 系列的主流型号^[13]。

内存支持是另一处限制。Broadwell 主流桌面与移动平台仍搭配 DDR3 或 LPDDR3，DDR4 要等到后续的 Skylake 才进入这一市场区间^[14][15]。此外，首批 Broadwell-Y 处理器存在无法通过微代码更新修复的缺陷，其 TSX 指令被禁用。

14 纳米工艺的导入本身也不顺利，良率与产能问题造成多个型号延期，压缩了 Broadwell 与后继 Skylake 之间的市场间隔^[5][12]。这一拖长也促使英特尔后来的工艺节奏由严格的两年一交替转向更长周期^[4]。

参见

• Haswell微架构 —— Broadwell 所基于并作制程缩小的上一代微架构。

• Skylake微架构 —— 接续 Broadwell 的下一代微架构，也是 14 纳米工艺上的架构更新。

• Tick-Tock模式 —— 英特尔交替推进制造工艺与微架构的研发节奏。

• FinFET —— Broadwell 所采用的 14 纳米三栅极晶体管技术基础。

• Iris Pro —— 部分 Broadwell 型号所搭载、带片载 eDRAM 缓存的核显。