Эволюция серверных чипсетов фирмы Intel

Евгений Рудометов,

Виктор Рудометов

authors@rudometov.com

Основой материнских плат, используемых в составе серверов, управляющих работой компьютерных сетей,­ являются специальные наборы микросхем системной логики — чипсеты. Сложнейшие по своей внутренней структуре микросхемы, входящие в состав таких чипсетов, осуществляют электрическую, логическую и информационную связь высокопроизводительных процессоров с остальными компонентами ситемы. Крупнейшим производителем таких наборов микросхем является фирма Intel, которая для поддержки своих серверных процессоров выпускает соответствующие специализированные чипсеты, архитектура которых эволюционирует вместе с развитием полупроводниковых технологий и архитектурой высокопроизводительных процессоров данной группы.

Стремительное совершенствование полупроводниковых технологий, улучшение параметров комплектующих, развитие архитектуры компьютеров, снижение их цены и, как следствие,  рост их числа привели к созданию особых структур — сетей, осуществляющих объединение нередко большого числа компьютеров. Это объединение обеспечивает оперативную передачу информации и совместную эксплуатацию вычислительных ресурсов с целью их эффективного использования. Кроме того, сети способствуют снижению цены владения компьютерного оборудования за счет работы нескольких пользователей с общими аппаратными и программными ресурсами. В дополнение к перечисленному, использование сетей позволяет повысить общую производительность, организовать одновременное выполнение задач, требование которых превышает индивидуальные возможности аппаратно-программного обеспечения каждого из компьютеров, а также обеспечивает возможность распараллеливания вычислений между несколькими компьютерами для повышения скорости обработки информации и т. п.

Однако такие сложные структуры, как компьютерные, сети требуют эффективного управления. Это осуществляется специальными мощными компьютерами — серверами. Основу архитектуры серверов составляют материнские платы, обеспечивающие с помощью встроенных в их структуру электронных элементов работу центральных процессоров и осуществляющие через встроенные контроллеры и специализированные платы расширения логические и электрические связи как между  комплектующими всей системы, так и многочисленными внешними устройствами.

Необходимо отметить, что материнские платы относятся к функционально сложным компьютерным комплектующим, аккумулирующим большое число новейших технологий. Эти технологии реализуются через архитектуру, дизайн, а также применяемые в составе материнских плат электронные элементы. Среди этих элементов ключевую роль в архитектуре этого важнейшего компьютерного компонента, а соответственно, и всей серверной системы играют наборы микросхем системной логики — чипсеты. Они в значительной степени определяют потенциальные возможности компьютерных систем, наиболее сложными и совершенными из которых являются серверы. Учитывая, что для компьютеров этого типа их сравнительно высокая стоимость не является столь критичной, как для изделий других секторов рынка, на них отрабатываются перспективные архитектуры и технологии, включая чипсеты.

Долгое время чипсеты для процессоров от Intel выпускали сторонние фирмы. Однако начиная со своих процессоров 486 (P4), фирма Intel всерьез занялась этим сектором рынка и быстро стала самым крупным производителем этих важнейших и чрезвычайно сложных электронных элементов, выпускаемых для широкого спектра компьютеров, включая серверы.

Пользователям хорошо известны серверные чипсеты фирмы Intel, являющиеся своеобразным эталоном качества и ставшие основой многочисленных компьютерных систем. Некоторые из этих систем уже сравнительно давно не выпускаются, однако благодаря своей высокой надежности и широким потенциальным возможностям способны работать в течение длительного времени. Многие из таких морально устаревших серверных систем, выпущенных иногда более десяти лет назад, до сих пор находятся в эксплуатации у многочисленных пользователей. Высокие параметры серверных систем основаны на использовании совершенных компьютерных технологий и отработанных архитектур, прошедших длительный период своей эволюции в многочисленных наборах микросхем системной логики.     

Серверные чипсеты прошлых лет

Многим известны успешные попытки выпуска на рынок серверных вариантов компьютерных систем для процессоров Intel 486, созданных на основе соответствующих наборов микросхем системной логики. В качестве примера можно привести серверы Xpress на следующих полупроводниковых чипах: Intel 82356CS Memory to EISA Control (MECA), Intel 82356DS Memory DRAM Control (RCA), Intel 82353DS Data Path Parity Unit (DPP), Intel 82351DS Common Local I/O Controller (CLASIC), Intel 82358DT EISA Bus Controller (EBC), Intel 82357 Integrated System Peripheral (ISP), Intel 82352 EISA Bus Buffer (EBB) и др. Перечисленные чипы по времени их разработки и выпуску относятся к периоду процессоров Intel 386 - Intel 486, тем не менее, по сути история серверных чипсетов от Intel  началась в основном после появления процессоров IntelPentium (P5) и поддерживающих их наборов.

Рассматривая особенности архитектуры наборов микросхем системной логики для компьютеров с процессорами IntelPentium и оценивая их достоинства, а также с позиции современных знаний — и недостатки, необходимо напомнить, что на эволюцию чипсетов большое влияние оказывали различные особенности развития архитектуры процессоров.

Например, по технологическим и экономическим причинам кэш-память второго уровня (L2) сравнительно долгое время не входила в состав кристалла процессора. По отношению к нему эта память была внешней. Она реализовывалась с помощью нескольких микросхем сравнительно быстродействующей статической памяти, интегрированных в архитектуру материнской платы. Эта кэш-память работала обычно на частоте шины процессора, способствуя выравниванию информационных потоков и оптимизации работы процессоров. Такое решение существенно увеличивало производительность системы, компенсируя недостаточную для максимальной загрузки процессоров пропускную способность оперативной памяти. Управление  этой кэш-памятью осуществляли процессор и набор микросхем системной логики, которых за время развития архитектуры P5 фирмой Intel было разработано и выпущено сравнительно немало.

Для раскрытия темы, вынесенной в заголовок, рассмотрение наборов микросхем системной логики целесообразно начать с чипсета Intel 430NX PCIset. Этот чипсет был первым набором, ориентированным на системы одно- и двухпроцессорных конфигураций, созданные на основе IntelPentium второго поколения с тактовыми частотами от 75 МГц. При этом наибольшее распространение получили решения с процессорами, тактовые частоты  которых составляли 75 —100 МГц. Данный чипсет, как и поддерживаемые им процессоры, был рассчитан на сравнительно высокие по тем временам частоты шины процессора — 50, 60, 66 МГц.

Основные компоненты чипсета Intel 430NX PCIset: контроллер памяти 82434NX PCI/Cache/Memory Controller (PCMC), два 82433NX Local Bus Extension (LBX), а также 82375EB PCI-EISA Bridge (PCEB) и  82374EB EISA System Component (ESC).

Контроллер памяти PCMC обеспечивает поддержку до 256 Мбайт SIMM DRAM оперативной памяти FPM и кэш-памяти второго уровня (L2) объемом 256 Кбайт (асинхронный кэш) или 256/512 К (синхронный кэш). Контроллеры LBX обеспечивают мост между процессорной шиной и шиной PCI (Host-to-PCI bridge), а совместно с PCMC осуществляют управление подсистемой оперативной памяти. Компоненты 82375EB PCI-EISA Bridge (PCEB) и 82374EB EISA System Component (ESC) обеспечивают мост между шинами PCI и EISA.

На основе этого чипсета выпускались не только настольные компьютеры, но и серверы. В качестве такого примера можно привести ALTServer от Intel.

Рис. 1. Структура двухпроцессорного сервера, созданного на основе чипсета Intel 440NX PCIset

Среди серверных наборов микросхем системной логики прошлых лет особого внимания заслуживает чипсет Intel 440HX PCIset. Этот чипсет, вобравший в себя передовые достижения компьютерной индустрии того периода, был рассчитан на одно и двухпроцессорные системы с процессорами Intel Pentium или аналогичными изделиями, созданными другими производителями. Данный чипсет рассчитан на тактовые частоты шины процессора (Host Bus) — 50,60, 66 МГц.

Чипсет Intel 440HX PCIset предназначался для серверов и мощных рабочих станций. Встроенный в состав этого чипсета контроллер кэш-памяти второго уровня (L2) был рассчитан на объем 256 и 512 Кбайт, а встроенный контроллер оперативной памяти поддерживал от 4 до 512 Мбайт EDO/FPM DRAM. Для повышения надежности работы были предусмотрены поддержка контроля четности, и что особенно важно — автоматическое исправление ошибок (ECC). Эти встроенные возможности стали обязательными атрибутами серверных решений.   

Рис. 2. Структура однопроцессорного сервера, созданного на основе чипсета Intel 440HX PCIset

В базовый состав чипсета Intel 440HX PCIset входили две основные микросхемы: 82439HX System Controller (TXC) в 324-контактном корпусе BGA, 82371SB PCI ISA IDE Accelerator (PIIX3) в 208-контактном крпусе PQFP.

Несмотря на достоинства чипсета Intel 440HX PCIset, после разработки и выпуска процессоров линейки Intel Pentium Pro (P6) потребовались соответстующие наборы микросхем системной логики, способные реализовать функциональные возможности архитектуры новых изделий.  К слову сказать, модели этой линейки были оптимизированы для выполнения 32-разрядных приложений. Из особенностей их архитектуры необходимо отметить наличие встроенной кэш-памяти второго уровня, работающей на частоте ядра, что обеспечивало высокую призводительности этих устройств. Кроме того, были и другие важные отличия от предшественников, например, расширенная система команд. Для реализации потенциальных возможностей всех нововедений, сделанных в архитектуре процессора Intel Pentium Pro, требовались новые наборы микросхем системной логики.

Эту роль взяли на себя более функционально-насыщенные и совершенные чипсеты Intel 450KX/GX PCIset, ставшие основой еще более производительных компьютерных систем.

Чипсеты Intel 450KX/GX PCIset были ориентированы на многопроцессорные системы, в состав которых входили самые производительные, совершенные и дорогие в то время процессоры — модели линейки Intel Pentium Pro.  Данные наборы были предназначены для использования в серверах, мощных рабочих станциях и высокопроизводительных компьютерах. Архитектура данных чипсетов и компьютерных систем допускает масштабирование. Это означает, что рост производительности обеспечивается за счет использования дополнительных модулей и увеличения числа центральных процессоров в компьютерной системе.

Из архитектурных особенностей и основных параметров указанных чипсетов следует отметить, что средства Host Bus расчитаны на поддержку процессоров Intel Pentium Pro с тактовой частотой процессороной шины 60 и 66 МГц, 64-разрядной шины данных и 36-разрядной шины адреса, Parity Protection управляющих сигналов (Control Signals), двухпроцессорных (Intel 450KX) и четырехпроцессорных (Intel 450GX) конфигураций, ECC Protection Host Data Bus (Intel 450GX) и т. д.

Контроллер памяти, входящий в состав чипсетного комплекта микросхем, — MC (Memory Controller) поддерживает до 1 Гбайт (Intel 450KX) или до 4 Гбайт (на каждую микросхему 82453GX в составе комплекта чипсета); организацию оперативной памяти с чередованием (2-Way interleaved и при использовании Intel 450GX 2/4-Way interleaved) и без чередования (non-interleaved); до 2 MC в системе (Intel 450GX); 3,3 В и 5 В SIMM; 32/36 бит SIMM или 72 бит DIMM FPM DRAM; микросхемы 4 Мбит, 16 Мбит и 64 Мбит DRAM; коррекцию одиночных и обнаружение двойных ошибок; управление энергопотреблением памяти (Memory Array Power Management); Read Page Hit 8-1-1-1 (при 66 МГц, 60 нс DRAM); Read Page Miss 11-1-1-1 (при 66 МГц, 60 нс DRAM) и т. д.

В базовый состав комплекта чипсета Intel 450KX PCIset входят следующие компоненты: 82454KX PCI Bridge (PB) и Memory Controller (MC). Компонента MC состоит из следующих микросхем: 82453KX DRAM Controller (DC), 82452KX Data Path (DP) и четырех 82451KX Memory Interface Components (MIC).

Рис. 3. Структура двухпроцессорного сервера, созданного на основе чипсета Intel 450KX PCIset

Чипсет Intel 450GX PCIset обеспечивает реализацию еще больших функциональных возможностей по сравнению с набором Intel 450KX PCIset.

В состав чипсета Intel 450GX PCIset входят следующие модули: 82454GX PCI Bridge (PB) и Memory Controller (MC). Компонента MC этого чипсета состоит из микросхем: 82453GX DRAM Controller (DC), 82452GX Data Path (DP) и четырех 82451GX Memory Interface Controllers (MIC).

Рис. 4. Структура четырехпроцессорного сервера, созданного на основе чипсета Intel 450GX PCIset

Применение дополнительной микросхемы 82371SB в составе материнских плат, созданных на основе чипсетов Intel 450KX/GX PCIset, позволяет расширить функциональные возможности за счет дополнения существующих встроенных средств портами USB. Кроме возможности использования этой микросхемы, некоторые производители материнских плат дополнительно к базовому комплекту набора микросхем применяли чип 82371FB. Это обеспечивало реализацию популярного интерфейса IDE, что позволяло использовать соответствующие накопители: жесткие диски, устройства CD/DVD и т. п.

Рассматривая наборы микросхем системной логики Intel 450KX/GX PCIset, относящиеся к линейке Intel 450xx, необходимо отметить, что к этой же линейке относится и еще более совершенный, мощный и функционально-насыщенный чипсет Intel 450NX PCIset.

Чипсет Intel 450NX PCIset был создан как основа мощных серверов. Кстати, здесь следует напомнить, что данный набор представлен в двух конфигурациях. Первая из них, являющаяся наиболее мощным вариантом и ставшая основной конфигурацией, получила наименование Intel 450NX. Она предусматривала до 8 Гбайт оперативной памяти и использование шин PCI следующих характеристик: 4×32 бит / 2×64 бит, работающих на частоте 33 МГц. Вторая — известна как Intel 450NX Base. Эта упрощенная конфигурация предусматривала использование несколько меньшего объема оперативной памяти — до 4 Гбайт. Сокращены и возможности шины PCI: 2×32 бит, тактовая частота — 33 МГц.

Итак, чипсет основной конфигурации характеризуется следующими параметрами. Он поддерживает до 4 процессоров Intel Pentium II Xeon или Intel Pentium III Xeon (36 бит адреса, 64 бит данных), тактовую частоту процессорной шины — 100 МГц, объем оперативной памяти до 8 Гбайт (шина 64 бит, контроль четности и ECC, 16 и 64 Мбит, 60 нс и 50 нс, 3,3 В EDO DRAM, скорость до 1 Гбайт/c) и другие функции и устройства. Данный чипсет также поддерживает компоненты PIIX3 и PIIX4E South Bridges (south-мосты), которые поддерживают: PCI-to-ISA Bridge, USB, контроллер enhanced DMA, системный таймер, контроллер IDE. Поскольку чипсет Intel 450NX PCIset ориентирован на рынок мощных серверов, он не предусматривает использование популярной в настольных системах шины AGP, так как обычно в серверах не требуются мощные средства поддержки графики.

Состоит чипсет Intel 450NX PCIset из четырех компонетов, представленных следующими микросхемами: 82451NX Memory and I/O Bridge Controller (MIOC), 82454NX PCI Expander Bridge (PXB), 82452NX RAS/CAS Generator (RCG), 82453NX Data Path Multiplexor (MUX).

Каждый компонент PXB поддерживает интерфейс следующих шин: двух независимых по 32 бит с тактовой частотой 33 МГц, удовлетворяющих спецификации Rev.2.1 Compliant PCI bus, или одной, ширина которой составляет 64 бит, а частота работы 33 МГц, удовлетворяющей, как и в предыдущем случае, спецификации Rev.2.1 Compliant PCI bus.

Для достижения высокой производительности систем, созданных на основе данного чипсета, является важным, что каждый из компонентов RCG поддерживает до 4 банков оперативной памяти. Это позволяет ускорить доступ к данным в операциях с памятью. 

В качестве еще одной существенной эксплуатационной характеристики следует отметить, что комплект микросхем Intel 450NX PCIset, в состав которого входят два компонента RCG, четыре MUX, два PXB и один MIOC, рассеивает в качестве тепла 47 Вт при использовании напряжения питания 3,3 В. Отсюда не трудно оценить для указанного набора микросхем ток потребления, значение которого достигает весьма значительной для чипсетов того времени величины. Очевидно, что вместе с аналогичными параметрами процессоров и плат расширения указанные особенности чипсетов требуют адекватных средств электропитания, а также соответствующих средств поддержания оптимальных температурных режимов эксплуатации.

Кроме рассмотренных специализированных наборов микросхем системной логики, получивших широкое распространение среди производителей серверных систем, следует отметить и чипсет Intel 440GX AGPset, выпущенный для поддержки процессоров архитектуры P6 конструктива Slot 1 и Slot 2. Анонсирован во ремя выпуска в качестве основы для высокопроизводительных рабочих станций и серверов масштаба крупного предприятия. Оптимизирован под однопроцессорные системы и поддерживает симметричную мультипроцессорную конфигурацию (SMP — Symmetric Multiprocessor Protocol) из двух процессоров на единой системной шине. Он поддерживает все процессоры Intel Pentium II и Intel Pentium III с разъемами Slot 1 и Slot 2, включая процессоры Intel Pentium II Xeon и Intel Pentium III Xeon, рассчитанные на тактовую частоту 100 МГц процессорной шины (64-бит Host Bus GTL+ и AGL+).

Чипсет Intel 440GX AGPset является усовершенствованной модификацией Intel 440BX AGPset, поэтому в отличие от ранее созданных серверных чипсетов реализует архитектуру Quad Port Acceleration (QPA) с использованием двухскоростного порта AGP, шины PCI и т. п.

Кроме того, данный чипсет поддерживает: шину памяти шириной 64 бит, контроль четности и ECC, оперативную память спецификации PC100 SDRAM с объемом от 16 Мбайт до 2 Гбайт с конфигурацией DRAM 64/72 бит (64 бит + 8 бит ECC), предусматривающей использование микросхем памяти 16, 64, 128, 256 Мбит, Bus Mastering, UltraDMA/33, Power Management, ACPI, PCI 2.1, AGP 1.0 с режимами 1X/2X, USB и другие функции и устройства.

Состоит чипсет Intel 440GX AGPset из двух компонентов, представленных следующими микросхемами: 82443GX и 82371EB (PIIX4E).

Форм-фактор совпадает с Intel 440BX AGPset.

Рис. 5. Структура двухпроцессорной системы, созданной на основе чипсета Intel 440GX AGPset

В качестве примера серверных решений, выполненных на основе чипсета Intel 440GX AGPset, можно привести Intel L440GX+ и Intel С440GX+. При этом система Intel L440GX+ — это два процессора Intel Pentium III или Intel Pentium II, Ultra2 SCSI, до 2 Гбайт оперативной памяти PC100 SDRAM с поддержкой ECC, две шины PCI — одна 33 МГц и одна 66 МГц, Intel PRO/100+ Fast Ethernet и т. д.; Intel С440GX+ имеет схожие параметры, за исключением процессоров, в качестве которых используются IntelPentium III Xeon или IntelPentium II Xeon.

В дополнение к описанным выше серверным наборам микросхем системной логики необходимо отметить и тот факт, что нередко в качестве основы серверных решений производители использовали чипсеты, созданные первоначально для рынка рабочих станций и мощных настольных компьютеров. В качестве примера можно привести известный и популярный чипсет Intel 440BX AGPset. Этот набор, кстати, как и его предшественники Intel 440FX и Intel 440LX, способен обеспечивать работу конфигураций из двух процессоров шестого поколения, к которым относятся Intel Pentium II и Intel Pentium III, а также поддерживать технологии надежной работы с подсистемой оперативной памяти. В результате, на основе Intel 440BX AGPset были выпущены серверные материнские платы Intel T440BX и Intel N440BX, предназначенные для малых серверов (Small Server). Вероятно, нет необходимости доказывать и приводить аналогичные примеры сравнительно простых серверных решений на основе чипсетов Intel 440FX и Intel 440LX. Чтобы в этом убедиться достаточно обратиться к соответствующим источникам информации.

Рассматривая потенциальные возможности конструирования серверных систем с использованием несерверных наборов микросхем системной логики, нельзя обойти молчанием и чипсет Intel 840. Этот чипсет относится к следующей после Intel 440xx линейке Intel 8xx. Хотя чипсет Intel 840 в основном был ориентирован для сектора мощных рабочих станций, на основе данного набора Intel 840 успешно выпускались также и серверные системы.

Чипсет Intel 840 (i840 Сhipset) специально разработан для высокопроизводительных мультипроцессорных систем на базе процессоров Intel Pentium III и Intel Pentium III Xeon.

Данный чипсет имеет хабовую архитектуру, сходную с архитектурой родоначальника подобных чипсетов, получившим наименование Intel 810.

Основные отличительные признаки чипсета Intel 840 от традиционных наборов, предусматривающих использование двух основных микросхем, реализующих функции North Bridge и South Bridge, заключаются в реализации следующих характеристик: тактовой частоты системной шины 133 МГц, режима AGP 4X, спецификации PCI 2.2 и использование скоростной локальной шины, соединяющей основные компоненты чипсета. Но самой главной характеристикой Intel 840 является поддержка оперативной памяти RDRAM (Rambus DRAM). Максимальный объем памяти для данного чипсета составляет 8 Гбайт. При этом предусмотрена поддержка как памяти PC100 (SDRAM), так и памяти PC600 и PC800 (RDRAM). Кроме того, организована поддержка двухканальной шины памяти RDRAM — dual RDRAM channels, позволяющая достичь скорости до 3,2 Гбайт/с. Это в два раза выше, чем в случае использования родственного чипсета Intel 820, кстати, не достигшего должной популярности среди пользователей и производителей компьютерных систем в основном из-за сравнительно высокой стоимости модулей RIMM памяти RDRAM.

Базовый комплект чипсета Intel 840 состоит из следующих основных микросхем: 82840 Graphics and Memory Controller Hub (GMCH), 82801 Integrated I/O Controller Hub (ICH), 82802 Firmware Hub (FWH). Кроме того, предусмотрено использование дополнительных микросхем: 82806 64-bit PCI Controller Hub (P64H) (поддержка 64-битной шины PCI с частотой 33 или 66 МГц), 82803 RDRAM-based memory repeater hub (MRH-R), 82804 SDRAM-based memory repeater hub (MRH-S).

Необходимо отметить, что все рассмотренные чипсеты, несмотря на их функциональную насыщенность, отлаженность архитектуры и полупроводниковых технологий, высокую надежность и популярность относятся уже к истории. После выпуска серверных версий процессоров с архитектурой NetBurst перечисленные выше чипсеты сменила линейка более совершенных наборов микросхем системной логики, осуществляющих эффективную поддержку новых моделей процессоров. Ими стали чипсеты линейки E75xx, родоначальником которой стал набор микросхем системной логики Intel E7500. Представители данной линейки уже стали основой нового поколения высокопроизводительных серверных систем.

Архитектура и параметры, новых моделей чипсетов от Intel, созданных для поддержки 32-разрядных процессоров архитектуры NetBurst  и 64-разрядных процессоров семейства IntelItanium, а также некоторые особенности эксплуатации серверных систем, станут темой следующей части данного обзора, которая будет представлена в очередном номере журнала «Byte».

В статье были использованы технические материалы фирмы Intel


Статья опубликована в журнале Байт (http://www.bytemag.ru).