Три года назад исполнилось двадцать лет с момента появления первого персонального компьютера. Постоянные читатели материалов нашего проекта “Основатели” вполне могут сравнить тот компьютер с появившимися лет на 5-6 ранее произведениями Apple, Altair и т.дТри года назад исполнилось двадцать лет с момента появления первого персонального компьютера. Постоянные читатели материалов нашего проекта “Основатели” вполне могут сравнить тот компьютер с появившимися лет на 5-6 ранее произведениями Apple, Altair и т.д.: машины IBM PC были расширяемы, имели открытую архитектуру, ну и, разумеется, были относительно доступны рядовому пользователю.
Забавно, что принципиальное устройство персональных компьютеров осталось довольно консервативным и его концепция несильно изменилась за прошедшие годы. Двадцать лет назад у нас были совокупность процессора, памяти, устройств ввода-вывода, соединенных системной шиной. В 2004 году мы продолжаем пользоваться аналогичными устройствами, пусть и претерпевшими ряд изменений.
Если вспомнить архитектуру компьютера сегодня, то мы увидим, что, несмотря на увеличившееся на порядки количество устройств, у нас все еще есть шина, которая соединяет их между собой. Любой ПК является своеобразной “цепью”, которая обеспечивает какие-либо возможности и обладает определенной скоростью. Как известно, прочность цепи определяется прочностью её самого слабого звена. Таким образом, производительность системы может быть ограничена огромным количеством факторов, главные из которых: скорость центрального процессора, пропускная способность системной памяти, эффективность соединения между разными компонентами системы.
За прошедший десяток лет мы могли наблюдать необычайный скачок в производительности основных составляющих компьютера. Потенциальная производительность процессора, оперативной памяти, видеокарт возросли настолько, что зачастую мощность, которую может предложить современный ПК, превышает то, что называлось “суперкомпьютерами” лет тридцать назад.
Разные компании рекламируют нам преимущества современных систем: рендеринг сложнейших сцен с кинематографическим качеством в реальном времени, реалистичный звук, огромные объемы данных, которые смогут обрабатывать сегодняшние CPU, и пользу, которую могут принести нам все эти “суперкомпьютеры”.
Количество операций, которое могут производить современные графические и центральные процессоры, исчисляются сотнями миллиардов и даже триллионами в секунду, однако, вопреки обещаниям маркетологов, мы все еще не имеем в наших компьютерах графики кинематографического качества, а ПК все еще не стали одушевленными. Компьютерные игры все еще далеки от систем визуализации, а для создания очередных шедевров кинематографа, таких, как “Шрек”, “Матрица” или “Властелин Колец”, используются специальные многопроцессорные машины и тратятся миллионы долларов.
Парадоксально, но дело в том, что производительность современных центральных и графических процессоров ограничена пропускной способностью шин, которые обеспечивают их данными, причем из года в год количество информации для обработки увеличивается, тогда как способы передачи данных остаются на уровень ниже.
Современные шины, PCI и её производные, оказались не в состоянии, справиться с объемом информации, предоставляющимся ей основными компонентами системы. Эффект “узкой” шины также называется “эффектом бутылочного горлышка”, поскольку такое определение наиболее точно отражает положение вещей. Данный эффект вынуждает ведущих мировых производителей и разработчиков компьютерной техники внедрять все новые и новые методы для обхождения узких мест современной системы, как следствие, идея внедрения новых протоколов передачи данных ради увеличения пропускной способности шин назрела уже очень давно.
Не станем углубляться в море технических подробностей, которые можно найти в Сети, а остановимся на решениях, предложенных компаниями AMD и Intel, а также их партнерами по разработкам. Таковыми являются шины для применения в различных областях вычислительной техники, HyperTransport и PCI Express (Arapahoe aka 3GIO).
ТРЕБОВАНИЯ К ШИНЕ
Прежде, чем говорить о требованиях к шине передачи данных, которая будет применяться на рынке в течение следующего десятилетия, рассмотрим основные компоненты системы ПК, которые постоянно требуют огромной пропускной способности:
Шина процессора.
Шина системной памяти.
Шина для графического ускорителя.
Шина между составляющими компонентами системной логики.
Шина для дополнительных устройств, например, сетевых карт, RAID и SCSI контроллеров.
Шина для устройств ввода-вывода.
А вот сразу несколько распространенных технологий, применение которых обусловит серьезнейшее ужесточение требований к скорости передачи данных в ПК.
AGP-8X – является новейшим дополнением графического стандарта AGP. Будучи полностью совместимым с существующими стандартами, AGP-8X обеспечивает пиковую пропускную способность в 2.1 ГБ/с, что является очень важным для новых, высокопроизводительных графических решений последнего и будущих поколений.
PCI-X – дополнение к уже существующему стандарту PCI. PCI-X расширяет ширину шины данных до 64 бит и увеличивает рабочую частоту до 133 МГц, что в 4 раза выше существующих 33 МГц, в результате чего пропускная способность возрастает до 1064 МБ/сек. PCI-X обеспечивает функционирование таких требовательных устройств как контроллеры SCSI, адаптеры Gigabit Ethernet (ОС12) и 10 Gigabit Ethernet (OC192), Fibre channel, и т.д.
USB 2.0 – последнее на сегодняшний день эволюционное звено USB стандарта, обеспечивающее скорость передачи данных до 480 Мбит/с. Позволяет создание внешних периферийных устройства с высокими требованиями к пропускной способности соединений, например, внешних накопителей данных.
FireWire (IEEE 1394) – разработка компании Apple, со скоростью передачи в 400 Мбит/с, предназначенное для соединения с различными источниками видео сигнала, а также с устройствами хранения данных.
Serial ATA – индустриальный стандарт для подключения накопителей информации; начальная пропускная способность – 150 МБайт в секунду, с перспективой многократного увеличения.
Только упомянутые технологии, внедрение которых реально требуется уже сейчас, способны полностью загрузить шины процессора, памяти, а также соединений в чипсетах. Если же говорить о перспективах, когда компьютер будет соединяться с другими подобными устройствами, то становится абсолютно ясно, что дальше с альтернативными решениями идти нельзя, во-первых, вследствие их низкой пропускной способности, а также из-за того, что индустрии требуется единый стандарт.
РЕШЕНИЯ ОТ AMD И INTEL
HyperTransport
Разработка шины Lightning Data Transfer (LDT) была начата AMD в 1997 году. Несколько позже к компании из Саннивэйл присоединились такие гиганты как API Networks, Apple Computer, Cisco Systems, Nvidia, Sun Microsystems, Transmeta, VIA Technologies, и другие компании, образовав HyperTransport Technology Consortium. Разработка и внедрение протокола HyperTransport должно решить проблемы, связанные со скоростью, ценой, мастштабируемостью, универсальностью соединений в ПК и т.д.
Устройства, поддерживающие протокол HyperTransport (процессоры, наборы логики, контроллеры) соединены по принципу “точка-точка” (peer-to-peer), что теоретически означает, что между собой могут быть соединены любые компоненты системы, причем без применения каких-либо коммутаторов или мостов. Передача данных организована в виде пакетов длиной до 64 байт.
Соединения могут работать на разной тактовой частоте (от 200 до 800 МГц) в зависимости от требований к конкретному решению. Таким образом, HyperTransport предоставляет инженерам и разработчикам огромную гибкость: в случае устройств с высокими требованиями к пропускной способности (процессоры) используется пара 32-х битных соединений с частотой в 800 МГц (линейная пропускная способность – 12.8 ГБ/сек).
HyperTransport программно совместим с текущим PCI, то есть, все ПО, разработанное для протокола PCI, будет иметь возможность функционировать и на HyperTransport платформе.
PCI Express
Поскольку с проблемой недостаточной скорости обмена данными между компонентами системной логики в компьютерах сталкиваются абсолютно все, компания Intel как крупнейший поставщик полупроводников в мире, также решила представить свое видение решения. Первым шагом отказа от PCI в качестве шины, соединяющей северный и южные мосты чипсетов, стало представление в конце 1998 года набора микросхем i810, где для соединения использовался Intel Hub Architecture 1.0, позволяющий передавать до 266 MB в секунду. В настоящее время, Intel полностью отказался от применения PCI в соединениях чипсетов для настольных ПК и перешел на Intel Hub Architecture 1.0/1.5, а также на PCI-X в серверных платформах.
Скорость межкомпонентной передачи данных у Intel не стоит столь остро, как у конкурента: Quad Pumped Bus способна загрузить данными Pentium 4, а производительности памяти DDR-II или двух каналов обычной DDR SDRAM вполне хватит как на сегодняшний, так и на завтрашний день. Однако процессоры послезавтрашнего дня будут уметь обрабатывать огромные массивы данных и, как следствие, многократно возрастут требования к пропускной способности шин. Вполне возможно, что следующим поколениям процессоров не хватит производительности Quad-Pumped Bus, а периферия сможет захотеть чего-то большего, нежели PCI 2.2 или PCI-X. Именно поэтому Intel разработала и представила новый протокол данных, который должен будет использоваться в компьютерах ближайшего будущего. Результатом этой работы стала технология PCI Express.
Требования, которые выставляются к следующему поколению соединений, у Arapahoe Group в целом аналогичны тому, что выставляет HyperTransport Technology Consortium:
Arapahoe планирует, что внешние устройства смогут соединяться напрямую с PCI Express посредством коннектора, иными словами, компьютер и впрямь имеет шансы стать центром соединений всех видов устройств через одну единственную шину. Это даст толчок грандиозной унификации всех устройств.
Будущие шины данных не будут иметь фиксированных скоростей: в разных случаях будут использованы соответствующие решения, удовлетворяющие в исключительно данной ситуации. Пропускная способность и тактовая частота работы шины передачи данных PCI Express может варьироваться: клокинг увеличивается или уменьшается, магистраль, соответственно, расширяется или сужается. Первоначально на физическом уровне будет поддерживаться ширина линий х1, х2, х4, х8, х16 и х32 в одно направление.
Концепции и цели у HyperTransport и PCI Express фактически одинаковые, а разница между подходами не может считаться диаметрально разной, особенно с учетом того, что AMD, наряду с Dell, Compaq, Intel, ATI Technologies и другими также участвует и в комитете по разработке и внедрению PCI Express.
Отзывы, мнения и вопросы следует оставлять на нашем форуме.
Владимир Зимин