Эволюция мобильных чипсетов Intel

(продолжение)

Евгений Рудометов

authors@rudometov.com

Корректное использование процессоров и успешное развитие их архитектуры требует адекватных наборов микросхем системной логики — чипсетов. От работы этих наборов в значительной степени зависит реализация потенциальных возможностей процессоров, а также и эффективность их взаимодействия с другими элементами и подсистемами компьютера, что в конечной роли определяет функциональные возможности компьютеров

На основе накопленного опыта разработки и эксплуатации настольных систем с процессорами Intel Pentium в сравнительно короткий срок удалось создать компактные и высокопроизводительные мобильные системы. Их основой стали модели мобильного процессора Intel Pentium 4 – M и наборы микросхем системной логики (чипсеты) семейства Intel 852 (i852). Данные многофункциональные чипсеты, в которых нашли свое воплощение перспективные технологии энергосбережения, позволили выпустить довольно совершенные устройства, выгодно отличавшиеся от своих предшественников.     

Однако, оценивая потенциальные возможности чипсетов данного семейства, подробно рассмотренные в первой части данной статьи, не следует забывать об особенностях обслуживаемых ими мобильных процессоров. Созданные на основе архитектуры ядра NestBurst, хорошо отработанной на настольных и серверных прототипах, они обеспечивают относительно высокие уровни производительности. Однако побочным свойством данной архитектуры, основанной на использовании высоких тактовых частотах работы ядра, является сравнительно большое энергопотребление. К сожалению, это энергопотребление довольно трудно компенсировать специальными технологиями типа Enhanced Intel SpeedStep и Deeper Sleep Alert.

Именно поэтому специалистами Intel с учетом накопленного опыта было разработано новое ядро, созданное «с нуля» и названное Banias.

Экономичность и беспроводность

Разработанные на основе ядра Banias новые процессоры получили наименование Intel Pentium M. Не вдаваясь в особенности данной архитектуры и особенностей реализации внутренних структур, следует признать, что проект был крайне удачен. В результате затраченных усилий новые процессоры не только обеспечивали высокие уровни производительности, но и характеризовались чрезвычайно низким энергопотреблением. Потребляемую энергию экономят все узлы процессора и системы, включая кэш-память второго уровня, расположенную на кристалле ядра, и системную шину процессора, не используемые линии которой отключаются. Ядро процессора оптимизирует потребляемую мощность за счет отключения от электропитания и линий связи простаивающих блоков. Однако в экономичных режимах работают не только внутренние цепи ядра, кэш-память и процессорная шина, но даже подсистема оперативной памяти. Все не участвующие в работе узлы и модули находятся либо в режиме сна, либо временно отключаются до тех пор, пока они не будут востребованы выполняемыми на компьютере модулями системного и прикладного программного обеспечения.

Все перечисленные особенности требовали соответствующей поддержки от чипсета. Поэтому одновременно с процессором Intel Pentium M был разработан новый чипсет, получивший наименование i855 и реализующий совместно с процессором средства и технологии энергосбережения.

Данный чипсет представлен тремя вариантами. По аналогии со своим предшественником i852 они получили следующие наименования: i855GME, i855GM, i855PM.

Первый самый мощный вариант чипсета имеет встроенные графические средства и предусматривает поддержку внешнего видеоадаптера AGP 4X. Поддерживает процессорную шину с частотой передачи данных 400 МГц, оперативную память типа DDR 333/266/200, общим объемом до 2 Гбайт.

Рис. 6. Структура компьютера с чипсетом i855GME

Второй вариант чипсета имеет встроенные графические средства и не предусматривает поддержку внешнего видеоадаптера. Этот вариант также поддерживает процессорную шину с частотой 400 МГц, оперативную память типа DDR 200/266, объемом до 2 Гбайт.

Третий вариант чипсета уже не имеет встроенных графических средства, но предусматривает поддержку внешнего видеоадаптера AGP 4X. Поддерживает процессорную шину с частотой  400 МГц, память типа DDR 333/266/200, объемом до 2 Гбайт.

Рассматривая возможности встроенных видеосредств, необходимо отметить, что графическое ядро Extreme Graphics 2 поддерживает новейшие интерфейсы прикладного программирования для обработки двух- и трехмерной графики. Внутренняя 256-разрядная шина позволяет обрабатывать за один проход до четырех текстур на пиксель, что обеспечивает использование усовершенствованных схем освещенности, имитацию атмосферных эффектов и более реалистичное отображение элементов поверхности. Максимальный объем видеопамяти увеличен до 64 Мбайт, что позволило организовать более эффективную работу шины AGP с динамически выделяемой видеопамятью. В Intel Extreme Graphics 2 также улучшен механизм арбитража между центральным процессором и графической подсистемой при доступе к системной памяти. Результатом является эффективное использование специализированных шин и повышение общей производительности всей системы.

При использовании в мобильном компьютере модулей оперативной памяти типа DDR 333 интегрированное графическое решение i855GME демонстрирует более высокую производительность, чем графическое решение в i855GM. В чипсете i855GME использован интегрированный 32-разрядный 3D/2D графический адаптер с частотой до 250 МГц, бикубической фильтрацией, Video Mixer Rendering или разъем AGP4X (для установки внешнего графического адаптера).

Поскольку во всех вариантах чипсета семейства i855 используется та же компонента, что и в семействе i852, функциональность встроенных средств ввода/вывода совпадает. Это означает, что все варианты этого системного набора поддерживают 6 портов USB, UltraDMA/100 и т.п., а также технологии энергосбережения типа Enhanced Intel SpeedStep и Deeper Sleep Alert.

Среди перспективных технологий экономии энергии следует отметить технологию Intel Display Power Saving Technology (Intel DPST). Применение этой технологии позволяет снизить энергопотребление жидкокристаллической панели дисплея на величину до 25%. Это достигается рядом встроенных в видеосредства функций, например, за счет снижения частоты графического ядра при работе от батарей. Кроме того, имеется возможность автоматического анализа выводимого изображения и уровня окружающей освещенности. По результатам анализа аппаратно-программные средства, основу которых составляет чипсет, осуществляют  автоподстройку яркости экрана без существенного снижения качества выводимого изображения, но при экономии энергии автономного энергопитания.

Оценивая возможности семейства i855, обеспечивающего работу Intel Pentium M, модели которого созданы по технологии 130 нм (ядро Banias) или 90 нм (ядро Dothan, созданное на основе ядра Banias), необходимо отметить, что данную связку новейших изделий компания Intel дополнила еще одной компонентой. Речь идет о внедрении средств беспроводного доступа, представленных модулем Intel PRO/Wireless 2200BG. Эти средства работают по стандарту IEEE 802.11а/b/g и получили наименование Wi-Fi. Совокупность указанных трех компонентов была названа технологией Intel Centrino (Intel Centrino mobile technology), на популяризацию и продвижение которой на компьютерный рынок корпорация Intel затратила и продолжает тратить значительные финансовые средства. Именно поэтому компания Intel решила не отказываться от ставшего уже популярным бренда Intel  Centrino для  соей недавно объявленной перспективной платформы Sonoma. Основу этой платформы составил новейший мобильный чипсет, ранее анонсированный как Alviso и сравнительно подробно рассмотренный еще в ходе осенней сессии IntelDeveloper Forum (IDF) 2004 года.

Платформа Sonoma и чипсет Alviso

Прежде чем перейти к рассмотрению новейших решений, связанных с новыми платформой и чипсетом, необходимо отметить, что требования мобильности не снижает  необходимости увеличения производительности. И одним из путей является  увеличение частоты передачи данных по шине процессора с 400 до 533 МГц. Для поддержки новых процессоров недавно была представлена соответствующая платформа, получившая имя Sonoma.

Рис. 7. Один из вариантов рекомендованного корпорацией Intel дизайна (концепт Florence) ноутбука, созданного на основе платформы Sonoma

Эта платформа определяет референс-дизайн мобильных систем нового поколения. Ее основой стал чипсет Mobile Intel 915 Express с кодовым наименованием Alviso (далее i915).

В новейшей платформе Sonoma и чипсете i915 нашли воплощение перспективные разработки, уже проверенные в настольных системах, созданных на основе настольных чипсетах семейства сходного наименования. Прежде всего, это впервые реализованные для мобильных решений поддержка двух- или одноканальных подсистем памяти DDR2 400/533 с полосой пропускания до 8,5 Гбайт и общим объемом до 2 Гбайт; внешних видеоадаптеров, подключаемых посредством шины PCI-Express x16 с пропускной способностью по 4 Мбайт в оба направления (8 Гбайт против чуть более 2 Гбайт у AGP 8X) и средства встроенной графики Intel Graphics Media Accelerator 900 (Intel GMA 900) с  двукратной производительностью ядра Extreme Graphics 2, использованного в  аналогичных средствах чипсетов семейства i855. В области управления вводом/выводом реализованы шина PCI Express x1, используемая для карт расширений и обеспечивающая в два раза большую пропускную способность по сравнению с традиционной PCI, а также интерфейс Serial ATA для накопителей, технологии AC’97 2.3 и Intel High Definition Audio (32 бит, до 192 кГц, 8-канальный звук стандарта 7.1, технологии Dolby) и т.п. К перечисленному остается добавить встроенный ТВ-выход, обеспечивающий подключение телевизионных экранов, а также возможность использования дополнительных мониторов.

Все приведенные функции, кстати, впервые были реализованы в настольных системах, созданных на основе моделей семейства настольного набора микросхем системной логики сходного наименования — i915, а также настольного чипсета i925. Теперь эти же возможности реализованы и средствами нового высокопроизводительного мобильного чипсета i915, представленного тремя версиями: i915GM, i915PM, i915GMS.

Следует отметить, что данные модели не являются полными клонами настольных вариантов, хотя, как это видно из перечисленных особенностей, во многом архитектурно и функционально совпадают с ними.  Но и корпусировка, и внутренние структуры имеют свои отличия.  

Чипсет i915GM является самым мощным вариантом из мобильных наборов i915. Он поддерживает процессоры Intel Pentium M, Intel Pentium M Low Voltage (LV — низкое напряжение питания), Intel Pentium M Ultra Low Voltage (ULV — сверхнизкое напряжение питания), Intel Celeron M, Intel Celeron M ULV с процессорной шиной 533 или 400 МГц, встроенную графику Intel GMA 900, внешний видеоадаптер PCI Express x16, один или два канала DDR2 400/533.

Рис. 8. Структура компьютера с чипсетом MobileIntel 915GM

Чипсет i915PM не имеет встроенных графических средств, но предусматривает внешний видеоадаптер PCI Express x16. Он поддерживает процессоры Intel Pentium M, Intel Pentium M (LV), Intel Pentium M (ULV), Intel Celeron M, Intel Celeron M (ULV) с процессорной шиной 533 или 400 МГц и один или два канала DDR2 333/400/533.

Чипсет i915GMS специально разработан для ноутбуков малого форм-фактора, рассчитанного на энергоэкономичные модели процессоров Intel Pentium M (LV), Intel Pentium M (ULV), Intel Celeron M (ULV). Он имеет встроенные средства Intel GMA 900 с производительностью в 1,4 раза больше i855GME (следует обратить внимание, что у i915GM — в 2 раза). Кроме того, чипсет i915GMS поддерживает шину только 400 МГц (у i915GM — и 400 МГц, и 533 МГц) и поддерживает только один канал памяти DDR2 400 МГц  (у i915GM — и DDR2 400, и DDR2 533).

Остается добавить, что для управления периферийными устройствами в базовых комплектах  перечисленных моделей мобильного чипсета i915 предусмотрено использование компоненты ICH6-M. Она поддерживает работу двух портов Serial ATA-150 и одного порта Parallel ATA-100, до восьми портов USB 2.0, аудиосистемы Intel High Definition Audio (Azalia) и AC’97 2.3 (до трех кодеков), 10/100 Mbit Ethernet LAN, шины PCI и PCI Express x1 для карт расширений и т. п. Кроме того, поддерживаются технологии энергосбережения, включая технологию Intel Display Power Saving Technology 2 (Intel DPST 2), обеспечивающую снижение энергопотребления LCD-дисплеев. Кстати, встроенные видеосредства предоставляют возможность просмотра двух независимых изображений при подключении внешнего монитора или панели к ноутбуку.

Оценивая функциональные возможности чипсета i915, необходимо отметить и поддержку беспроводного способа подключения к сети для скоростной передачи данных. Это нашло свое воплощение в новой версии технологии Intel Centrino. Популярный бренд сохранен, но он получил новое наполнение в лице процессора Intel Pentium M с шиной 533 МГц, чипсета i915 и модуля беспроводной передачи данных. В качестве данного модуля используется либо адаптер Pro/Wireless 2200BG, поддерживающий стандарты IEEE 801.11b и IEEE 802.11g, либо двухдиапазонный трёхрежимный адаптер Pro/Wirelss 2915ABG. Этот адаптер поддерживает не только спецификации IEEE 802.11b и IEEE 802.11g, но и протокол IEEE 802.11a, который работает в диапазоне частот 5,2 ГГц. Правда, пока стандарт IEEE 802.11a в России не разрешен, но проблема находится в стадии согласования.

Рис. 8. Компоненты Intel Centrino платформы Sonoma

Одновременно с семейством чипсета i915 для мобильных компьютеров в рамках платформы Sonoma был объявлен и выпущен для набор микросхем системной логики Intel 910GML Express (i910GML). Этот сравнительно недорогой чипсет оптимизирован для использования с процессорами Intel Celeron M и Intel Celeron M Ultra Low Voltage (ULV — сверхнизкое напряжение питания). Он включает встроенную графическую подсистему, аналогичную i915, — Intel Graphics Media Accelerator 900, при этом использование внешнего видеоадаптера архитектурой данного чипсета не предусмотрено. Набор микросхем i910GML поддерживает до 2 Гбайт одноканальной или двухканальной памяти DDR2 400 при общем низком энергопотреблении, а архитектура PCI Express, как и в случае i915, поддерживает новейшие периферийные устройства ExpressCard. Кроме того, архитектура чипсета за счет использования той же микросхемы ICH6-M обеспечивает поддержку тех же функций, что и в случае моделей мобильного чипсета i915. А это означает наличие SerialATA и UltraDMA, PCI и PCIExpress, USB 2.0, LAN, многоканального аудио и т. д.  

Остается добавить, что с помощью наборов микросхем i915GM и i910GML для мобильных ПК можно создать общую плату для мобильных ПК, обеспечивающую масштабируемость мобильной платформы Sonoma. Этому не в малой степени способствует схожая архитектура чипсетов. Использование же новейших полупроводниковых технологий, с помощью которых удалось реализовать большое число встроенных в состав микросхем различных инноваций, включая интегрированные аудио и видеосредства, обеспечило высокую компактность мобильных систем.

Основные параметры семейства чипсетов i915 и i910

Модель чипсета	Mobile Intel 915GM Exspress Chipset	Mobile Intel 915GMS Exspress Chipset	Mobile Intel 915PM Exspress Chipset	Mobile Intel 910GML Exspress Chipset
Поддерживаемые процессоры	Intel Pentium M Intel Pentium M (LV) Intel Pentium M (ULV) Intel Celeron M Intel Celeron M (ULV)	Intel Pentium M (LV) Intel Pentium M (ULV) Intel Celeron M (ULV)	Intel Pentium M Intel Pentium M (LV) Intel Pentium M (ULV) Intel Celeron M Intel Celeron M (ULV)	Intel Celeron M Intel Celeron M (ULV)
Частота шины процессора, МГц	533: Intel Pentium M 400: Intel Pentium M (LV) Intel Pentium M (ULV) Intel Celeron M	400	533: Intel Pentium M 400: Intel Pentium M (LV) Intel Pentium M (ULV) Intel Celeron M	400
Память: число модулей / Макс. объем, Гбайт	2 / 2	2 / 2	2 / 2	2 / 2
Память: тип	DDR2 400/533	DDR2 400	DDR2 400/533	DDR2 400
Память: число каналов	Два / Один	Один	Два / Один	Два / Один
Интегрированная графика	Intel GMA 900 (320 МГц при 1.5 В) (133/160/200 МГц при 1.05 В)	Intel GMA 900 (133/160 МГц при 1.05 В)	Нет	Intel GMA 900 (133/160 МГц при 1.5 В) (133/160 МГц при 1.05 В)
TV-Out	Да	Да	Нет	Да
IDE / ATA, портов	1 / 2	1 / 2	1 / 2	1 / 2
USB, портов	8	8	8	8
LAN	Да	Да	Да	Да
PCI Express I/O	4	4	4	4
Аудио	Azalia 24 бит 192 кГц AC'97 2.3 Audio	Azalia 24 бит 192 кГц AC'97 2.3 Audio	Azalia 24 бит 192 кГц AC'97 2.3 Audio	Azalia 24 бит 192 кГц AC'97 2.3 Audio

Интегрированные или дискретные

Как следует из описания мобильных чипсетов, часть из них имеют интегрированные графические средства, другие же предусматривают использование внешних видеоадаптеров.   

Относительно снижения энергопотребления следует напомнить, что в последних наборах  микросхем системной логики осуществлено оптимальное управление частотой ядра трехмерной графики, осуществляющего вывод видеоинформации на экран. В результате обеспечено снижение энергопотребления за счет управления частотой ядра трехмерной графики и вывода оптимального изображения на экран в зависимости от потребностей приложения. Кроме того, в зависимости от настроек технологии энергосбережения Intel Display Power Saving и используемых аппаратных средств компьютерной системы обеспечивается, как утверждается разработчиками семейства этого чипсета, снижение энергопотребления подсветки дисплея до 25%. Эта сравнительно немалая экономия сопровождается минимальными потерями качества изображения для конечного пользователя мобильными компьютерами. Оценивая данные нововведения необходимо отметить поддержку технологии Intel Dual-Frequency Graphics, обеспечивающей пониженное энергопотребление интегрированной графической подсистемы. Остается упомянуть, что высокая степень интеграции, обеспеченная использумым технологическим процессом, позволила создавать более тонкие и легкие мобильные компьютеры по сравнению с предшественникам. Что же касается производительности систем, то ее более чем достаточно не только для выполнения офисных приложений, но и решения мультимедийных задач, например, просмотра видео.

Это только часть преимуществ интегрированных средств, реализованных инженерами корпорации Intel, контролирующей с помощью своих изделий более 80% (по некоторым данным более 85%) современного компьютерного рынка мобильных решений.

Однако необходимо отметить, что определенные преимущества имеют и решения, в основе которых лежат дискретные варианты, представленные соответствующими видеоадаптерами. Учитывая, что графический процессор пространственно отделен от ядра компоненты North Bridge (MCH), появляется реальная возможность обеспечить оптимальные условия для эксплуатации за счет улучшения электромагнитной совместимости, тепловых режимов и т.п. Это благотворно сказывается на качестве видеоизображения в высоких разрешениях. Кроме того, использование внешних видеоадаптеров предоставляет возможность обеспечить более высокие уровни производительности. Правда, необходимо отметить, что это достигается за счет повышения энергопотребления и ухудшения ряда потребительских параметров, к которым относятся, например, вес, габариты, время автономной работы от встроенных батарей и т.п.

Ну а какое решение выбрать, интегрированное или дискретное  — зависит от поставленных задач, также как и то, каким платформам (и чипсетам) следует отдать предпочтение.

Чипсеты для дескноутов

Рассматривая особенности реализации архитектуры мобильных систем, необходимо отметить, что кроме мобильных процессоров и соответствующих чипсетов, в последнее время некоторые производители наладили выпуск изделий, созданных на основе комплектующих настольных решений. Такие псевдомобильные компьютеры выпускаются, как правило, без автономных источников питания и служат исключительно для замены громоздких настольных систем. Для таких компактных решений создано даже специальное наименование: компьютеры класса «DeskNote». В таких компьютерах активно используются высокопроизводительные процессоры IntelPentium 4 и настольные чипсеты семейств i845, i865, i875, i915, i925.

В противоположность данной тенденции следует отметить, что существуют настольные системы, основу которых составляют мобильные процессоры и мобильные чипсеты. Предпосылкой такого подхода являются желание создать энергоэкономичные решения c существенно меньшими уровнями теплообразования. Как следствие, отпадает необходимость использования мощных средств охлаждения, в результате чего такие системы характеризуются существенно меньшими уровнями шума по сравнению со своими настольными аналогами. Более того, на рынке имеются предложения по использованию подобных решений в области разработки экономичных серверных систем, как, правило, формата Blade.          

Перспективы

В настоящее время наиболее совершенные и популярные мобильные процессоры Intel представлены изделиями, созданными на основе ядра Dothan по технологии 90 нм. Однако во втором полугодии 2005 года запланирован выпуск процессора, обладающего уже двумя вычислительными ядрами и кэш-памятью значительно большей емкости.

Это изделие от Intel получило наименование Jonah. В дальнейшем, как это следует из материалов IDF 2004, на его основе планируется выпуск изделий следующего поколения многоядерных процессоров — Merom и Conroe. Они будут созданы по технологии 65 нм, и их появление на компьютерном рынке ожидается в 2006 году. Эти процессоры будут обладать двумя, а возможно и большим числом ядер, 4 Мбайт кэш-памяти L2, поддержкой 64-битных расширений и технологий эффективного аппаратного шифрования LaGrande. В дальнейшем к 32-битной архитектуре добавятся расширенные возможности аппаратной реализации 64-разрядных вычислений.

Конечно, все эти процессоры для реализации своих возможностей потребуют соответствующих чипсетов, которые бессомнения будут созданы. Возможно, как и в случае мобильных чипсетов  семейства i915, основой послужат будущие настольные решения, например, для поддержки ближайших планов ими могут стать i945, свойства которых подробно обсуждают в Интернете. В этом случае, вероятно появление мобильные i945.  

Оценивая все перечисленные планы Intel, необходимо отметить, что, по всей видимости, конкуренты этой компании не останутся в стороне от научно-технического прогресса. Бессомнения они предложат свои варианты систем. И можно утверждать, что пользователи от этого только выиграют, получив большее разнообразие решений за приемлемые цены.

В статье использованы открытые материалы корпорации Intel