Проблемы модернизации компьютеров

Евгений Рудометов

Сталкиваясь с проблемой недостаточных ресурсов, многие пользователи пытаются модернизировать существующие компьютерные системы. Однако их возможности  ограничены временными рамками, определяемыми эволюцией технологий и архитектур

Производительность компьютеров и их функциональные возмож­ности в значительной степени зависят от параметров элементов, входящих в состав систем. Поэтому после выбора конфигураций компьютеры необходимо оптимально настроить, добиваясь максимальной производительности элементов и наиболее полной реализации их потенциальных возможностей, учитывая не только аппаратные, но и программные компоненты систем.

К сожалению, на этом проблемы специалистов, отвечающих за эксплуатацию компьютеров и решение задач, не кончаются.

Проблема ограниченных ресурсов

В связи с постоянным ростом сложности системных и прикладных программ возрастают требования к аппаратным ресурсам. При этом данные требования со временем превышают существующий у пользователей уровень. Прежде всего, это касается недостаточной производительности аппаратно-программных средств и емкости дисковой подсистемы памяти. Имеются разные пути решения проблемы недостаточных ресурсов (Рис. 1).

Рис. 1. Традиционные пути решения проблемы ограниченных ресурсов РС

Признавая все достоинства новых систем, следует отметить, что модернизация систем часто обходится существенно дешевле, особенно в случае массовых закупок и замены комплектующих.

Однако на пути модернизации компьютера часто встают непреодолимые проблемы, связанные с развитием технологий, а также улучшением архитектуры как отдельных комплектующих, так и всей системы аппаратных средств. Связано это с тем, что быстрый прогресс в совершенствовании компонентов очень часто не обеспечивает преемственности и совместимости стандартов, интерфейсов и конструкторских решений. Это нередко препятствует модернизации компьютеров.

Эволюция технологий и комплектующих

В условиях постоянного развития компьютерных технологий и разработки все более совершенных программно-аппаратных средств срок целесообразной эксплуатации узлов и элементов вычислительной техники постоянно сокращается. Связано это с тем, что при появлении современных, более качественных и производительных компонентов, успешно решающих новые задачи, становится экономически невыгодным эксплуатировать устаревшие прототипы.

В результате многие корпоративные и частные пользователи еще до истечения гарантированного срока безаварийной эксплуатации стараются заменить, как правило, исправные и хорошо работающие элементы, на более производительные модели.

Это, прежде всего, относится к таким сложным элементам, как центральные процессоры компьютеров.

Процессоры

Центральные процессоры, как показывают теоретические оценки и практика эксплуатации компьютеров, способны корректно работать в штатных режимах в течение нескольких десятилетий. Тем не менее, в соответствии с развитием полупроводниковых процессов (таблица 1) и компьютерных технологий, процессорная архитектура изменяется довольно часто.

Таблица 1. Эволюция технологических процессов компании Intel

Внедрение, год	1995	1997	1999	2001	2003	2005	2007	2009	2011
Масштаб, нм	350	250	180	130	90	65	45	32	22

Однако стандарты корпусов процессоров, и их разъемов меняются много чаще. Еще чаще — каждые несколько месяцев — появляются новые модели процессоров, выпускаемые в рамках одной архитектуры. При этом новые варианты в ряде случаев оказываются уже несовместимыми с платформами (тип и особенности материнской платы, блока питания, корпуса) их предшественников, даже при сохранении разъема. Связано это и с модификацией самих ядер, и с особенностями их энергопитания. В дополнение к этому изменяются также уровни и частоты передаваемых по шине сигналов, а также микрокоды, определяющие работу процессорных ядер.

В результате модернизация систем нередко становится проблемой. Более того, спустя некоторое время эта операция является вообще невозможной из-за полной несовместимости с ранее принятыми стандартами. В качестве примера достаточно вспомнить об эволюции стандартов электропитания и разъемов процессоров. Но даже в рамках одной архитектуры ядра смена процессора не редко требует обновления кода BIOS материнской платы. Это не всегда является простой задачей, так как существование и доступность новых кодов всецело зависит от производителей материнских плат, которые спустя некоторое время прекращают поддержку ранее выпущенных изделий, заставляя пользователей приобретать новые варианты плат.

Эволюция архитектуры процессоров Intel для настольных компьютеров представлена таблице 2.

Таблица 2. Эволюция архитектуры процессоров Intel для настольных компьютеров

Процессоры	Разъемы	Год выпуска
Intel 8086	—	1978
Intel 286	—	1982
Intel 386	—	1985
Intel 486DX	Socket 1 / Socket 2 / Socket 3 / Socket 6	1989
Intel Pentium / Pentium MMX	Socket 4 / Socket 5 / Socket 7	1993
Intel Pentium II/ Pentium III	Slot 1 / Socket 370	1997
Intel Pentium 4	Socket 473 / Socket 478 / LGA 775	2000
Intel Pentium D (2 ядра)	LGA 775	2004
Intel Core 2 Duo (2 ядра)	LGA 775	2006
Intel Core 2 Quad (2/4 ядра)	LGA 775	2006
Процессор с ядром Nehalem (2/4/8 ядер)	LGA 1366	2008

Следует отметить, что сходные проблемы можно наблюдать и в системах, поддерживающих процессоры от AMD, VIA и т. д.

Приведенные примеры доказывают, что проблема несовместимости процессоров, связанная с быстрой их эволюцией, носит общий характер для всех производителей высокотехнологичных изделий данного типа. Однако процессорами дело не ограничивается.

Видеоадаптеры

В соответствии с требованиями рынка стремительное развитие компьютерных технологий затронуло и другие комплектующие, например, такие важные как видеоадаптеры. К слову сказать, видеочипы, называемые в последнее время графическими процессорами и составляющие основу современных видеоадаптеров, нередко соперничают по сложности архитектуры с центральными процессорами.

В короткий срок аппаратные видеосредства компьютеров прошли путь последовательно сменяемых интерфейсов ISA, VLB, PCI, AGP. При этом каждый из перечисленных интерфейсов имеет по нескольку вариантов спецификаций. Так, например, доминировавшие недавно видеоадаптеры AGP были представлены несколькими поколениями: AGP 1X, AGP 2X, AGP 4X, AGP 8X. Между собой они отличались и производительностью, и сложностью архитектур, а также  требованиями электрических, логических и конструктивных интерфейсов, препятствующих взаимной совместимости видеоадаптеров.

Несмотря на высокую пропускную способность шины AGP 8X и значительную  производительности соответствующих видеоадаптеров, их сменили еще более совершенные решения, основанные на интерфейсе PCI Express. В результате это, как и раньше, потребовало нового дизайна видеоадаптеров, а также материнских плат.

Эволюция шин видео настольных компьютеров приведена в таблице 3.

Таблица 3. Эволюция шин видео настольных компьютеров

Шины видео	Пропускная способность, Мбайт/с	Год внедрения
ISA	8	1984
VLB	100–133	1992
PCI	133	1993
AGP	266	1997
AGP 2X	533	1998
AGP 4X	1066	1999
AGP 8X	2100	2002
PCI Express x16	8 Гбайт (4+4)	2004

Память

Изменяется в компьютерах и подсистема памяти. Здесь, как и в случае процессоров и видеоадаптеров, происходит смена типов, интерфейсов и конструктивов. За сравнительно короткий период, прошедший после появления первых PC, появлялись и исчезали, сменяя друг друга, разные типы оперативной памяти, несовместимые между собой.

Эволюция типов оперативной памяти для настольных компьютеров представлена в таблице 4 и на рис. 2.

Таблица 4. Эволюция типов оперативной памяти для настольных компьютеров

Типы оперативной памяти	Год внедрения
FPM DRAM	1992
EDO DRAM	1994
SDRAM (SDR SDRAM)	1997
RDRAM	1999
DDR SDRAM	2001
DDR2 SDRAM	2004
DDR3 SDRAM	2007
DDR4 SDRAM	2010

Каждый внедряемый в процессе эволюции тип оперативной памяти имел несколько вариантов, отличающихся между собой частотными и временными параметрами.

Одной из самых популярных типов памяти последних лет стала память SDRAM — SDR SDRAM. Эта память, подключаемая к системе посредством 64-разрядной шины, представлена модулями спецификаций PC66, PC100, PC133. Здесь следует напомнить, что цифры в данных спецификациях обозначают максимальные тактовые частоты их работы, то есть, соответственно, 66, 100, 133 МГц.

Недолгой альтернативой памяти SDR SDRAM служила RDRAM (Rambus DRAM). Эта память подключается к системе посредством 16-разрядной шины и осуществляет передачу данных на удвоенной тактовой частоте. Она была представлена модулями спецификаций PC600, PC700, PC800, PC1066, PC1200, цифры которых обозначают частоты передачи данных.

Однако память RDRAM не снискала широкой популярности. Эта роль досталась памяти DDR SDRAM, представляющей собой развитие технологии SDR SDRAM и представленной модулями, рассчитанными на тактовые частоты 100, 133, 166, 200 МГц, соответственно — DDR200, DDR266, DDR333, DDR400. Память DDR SDRAM обеспечивает удвоенную скорость передачи данных (удвоенную полосу частот) по сравнению с SDR SDRAM даже при равных значениях тактовых частот. Но и ее сменила память DDR2, характеризующаяся частотами передачи данных 400, 533, 667, 800 МГц и т. д. А ее в свою очередь уже сменяет DDR3. И уже принята спецификация DDR4.

Остается добавить, что модули DDR3/DDR2/DDR SDRAM рассчитаны на напряжение питание 1,5/1,8/2,5 В, тогда как SDR SDRAM — 3,3 В, а EDO DRAM — 3,3 В или 5 В, FPM DRAM — 5 В.

Проблема совместимости осложняется разными конструктивными решениями модулей памяти, выпускаемыми в разные периоды развития архитектуры процессоров. В качестве вариантов распространенных конструктивов модулей памяти можно привести, например, SIPP, SIMM, DIMM, RIMM. Каждый из указанных конструктивов представлен несколькими вариантами, имеющими в ряде случаев не только разные физические размеры, но даже разное число контактов, ну и, конечно, разные интерфейсы, соответствующие разным типам памяти.

Рис. 2. Эволюция типов памяти

Рассматривая особенности типов оперативной памяти, используемой в настольных компьютерах, необходимо напомнить, что сходный путь эволюции можно наблюдать и в случае видеопамяти, используемой в составе видеоадаптеров. Там так же, как и с материнскими платами, применялись микросхемы памяти FPM, EDO, SDR SDRAM, DDR SDRAM, DDR3 и еще ряд специализированных типов видеопамяти.

Накопители

Рассмотренным элементам не уступают в темпах развития накопители. К этим устройствам относятся, например, жесткие диски (HDD). Их информационная емкость долгое время удваивалась каждый год. Объявленная же производителями надежность превышает величину 500 000 часов наработки на отказ, для некоторых моделей, ориентированных на серверный рынок анонсированная надежность составляет 1 400 000 часов при эксплуатации по формуле 24х7 (24 часа, 7 дней в неделю).

Для жестких дисков, в отличие от процессоров, видеоадаптеров и оперативной памяти, в течение длительного периода сохраняется совместимость с ранее выпущенными компьютерными системами. Например, изделия с ATA133 (133 Мбайт/с) и ATA100 (100 Мбайт/с) могут быть подключены к контроллерам ATA66 (66 Мбайт/с) или даже к ATA33 (33 Мбайт/с). Следует отметить, что данная преемственность является скорее исключением среди компьютерных комплектующих, чем правилом. Кроме того, использование новейших моделей устройств, подключаемых посредством традиционного параллельного (Parallel) интерфейса ATA, с контроллерами предыдущих поколений не позволяет реализовать скоростной потенциал в полной мере.

Что же касается совместимости устройств Parallel ATA с контроллерами Serial ATA150 (150 Мбайт/с) и Serial ATA300 (300 Мбайт/с), то она не поддерживается. Аналогичным образом не обеспечена и обратная совместимость.

Для устранения этого недостатка некоторые компьютерные фирмы делали небезуспешные попытки выпуска различных адаптеров и переходников. Однако этот путь не является оптимальным, поскольку дополнительные процессы преобразования вызывают снижение скорости передачи данных, а, следовательно, и производительности дисковой подсистемы.

Эволюция ATA интерфейса, используемого в настольных компьютерах, представлена в таблице 5 и на рис. 3.

Таблица 5. Эволюция ATA интерфейса, используемого в настольных компьютерах

Шины	Пропускная способность, Мбайт/с	Год внедрения
ATA16	16,7	1996
ATA33	33,3	1997
ATA66	66,7	1999
ATA100	100	2000
ATA133	133	2001
Serial ATA150	150	2002
Serial ATA300	300	2004
Serial ATA600	600	2009–2010

 Рис. 3. Эволюция ATA интерфейса

Кроме рассмотренных элементов архитектуры компьютеров, существуют также и проблемы с остальными комплектующими, чья эволюция происходит подчас не менее быстрыми темпами, чем рассмотренные выше элементы систем.

В качестве примера таких комплектующих можно привести накопители со сменными носителями. К ним относятся многочисленные варианты магнитных и оптических носителей, а также соответствующие им дисководы. Необходимо отметить, что нередко несовместимы не только их стандарты, но и интерфейсы. Достаточно привести в качестве примера гибкие магнитные диски формата 5,25 дюймов, которые были популярны еще каких-то десять-пятнадцать лет назад, а теперь уже значительная доля пользователей компьютерами не сможет их даже вспомнить. Подобная роль фактически постигла и их преемников — дисководов форм-фактора 3,5 дюймов, поскольку на эту роль претендуют более емкие мобильные устройства, созданные на основе флэш-памяти и компактных мобильных накопителей на жестких магнитных дисках. Эти устройства подключаются посредством распространенных скоростных последовательных интерфейсов USB 2.0/1.1, IEEE1394a/b, eSATA.

К сменным носителям относятся и оптические диски, требующие соответствующих дисководов. Обилие моделей, присутствующих на компьютерном рынке и реализующих разные нередко несовместимые стандарты CD/DVD, затрудняет не только выбор устройств, но и препятствует обмену информацией. Более того, даже дальнейшая эволюция оптических методов не способствует решению существующих проблем, поскольку разрабатываются и предлагаются модели несовместимых устройств и носителей, поддерживающие разные стандарты.

Необходимо отметить, что для оптических накопителей, кроме несовместимых стандартов записи/воспроизведения, существует еще и проблема используемых лазерных диодов. Дело в том, что длина волны излучаемого света в случае высокоемких дисков должна быть существенно короче по сравнению с носителями предшествующих поколений. Кстати, и оптические носители должны быть соответствующими. К слову сказать, нередки случаи, когда оптические диски, созданные на заре становления этого типа устройств, не желают устойчиво работать в современных высокоскоростных дисководах.

Остается добавить, что на смену распространенным CD/DVD (0,8/4,7 Гбайт) идyт HD-DVD (15 Гбайт) и Blu-Ray (23 Гбайт), массовый выпуск и внедрение которых уже начался.  

Блоки питания

Свой вклад в проблему модернизации компьютеров вносят блоки питания, устанавливаемые в системные блоки компьютеров. Хотя они изменяются и не так быстро, как, например, процессоры или модули памяти, эволюция затронула и эти компоненты.

Более совершенные блоки питания ATX, сменившие своих некогда распространенных предшественников, рассчитанных на стандарт AT/BAT, сами пережили несколько модификаций. Так, например, модели, созданные в соответствии с первой принятой версией стандарта были рассчитаны на всасывание в системный блок холодного воздуха и направление его на горячие компьютерные комплектующие. Однако по мере роста уровня теплообразования сложных микросхем стандарты менялись. В результате выпускаемые в настоящее время блоки питания ATX рассчитаны уже на выдув горячего воздуха из компьютера. В соответствии с требованиями на электропитание комплектующих современных систем мощность блоков питания стремительно увеличивается, нередко превышая 300 и даже 400 Вт. Более того, в последние годы в этих устройствах к стандартным разъемам питания добавились дополнительные, например 4-контактный разъем для процессора. Подобные изменения нередко снижают уровень совместимости блоков питания.

Периферия

Оценивая и рассматривая особенности эволюции компьютерных комплектующих, нельзя игнорировать и обширный класс периферийных устройств, без которых не обходится ни один персональный компьютер. Эволюция данных устройств порождает свои специфические проблемы как внутренние, так и внешние, связанные с особенностями аппаратного и программного обеспечения.

Для иллюстрации достаточно вспомнить такие устройства как принтеры. Например, матричные принтеры были совсем недавно очень популярными устройствами. Однако в настоящее время их уже практически не найти в продаже. Это же касается и соответствующих расходных материалов, к которым относятся в первую очередь соответствующие картриджи, красящие ленты и копировальная бумага. Аналогичным образом дело обстоит и с запасными деталями, например, с печатающими головками, барабанами, механическими и электронными элементами. Что же касается других типов принтеров — струйных и лазерных, то проблема совместимости их картриджей, в ряде случаев осложняемая многообразием типов рекомендуемой бумаги.

Аналогичная ситуация наблюдается и с другими периферийными устройствами, например, сканерами, модемами и факс-модемами.

Остается добавить, что ранее выпущенные периферийные устройства были рассчитаны на уже устаревшие последовательные (COM) и параллельные (LPT) интерфейсы. В настоящее время эти интерфейсы практически вытеснены из архитектуры материнских плат шинами USB (USB 1.1/2.0) и FireWare (IEEE1394а и IEEE1394b), предусматривающие последовательную, скоростную передачу данных. Таким образом, новейшие устройства, ориентированные на перспективные интерфейсы, нередко несовместимы с ранее выпущенными компьютерами, а устаревшая периферия — с новейшими системами.

Приведенные примеры показывают, что стремительный прогресс не позволяет поддерживать в течение долгого времени ранее разработанные и реализованные в существующих системах стандарты, интерфейсы и конструктивы. Это означает, что модернизация компьютерных систем целесообразна и возможна в рамках ограниченного периода, определяемого временем революционной смены архитектур, стандартов и типов комплектующих.

Оценки времени смены архитектур, стандартов и типов наиболее важных комплектующих приведены в таблице 6.

Таблица 6. Оценки времени смены архитектур, стандартов и типов наиболее важных комплектующих

Комплектующие	Период, лет
Процессоры	3–4
Видеоадаптеры	2–3
Оперативная память	2–3

Отсюда следует, что модернизацию систем необходимо проводить вовремя, пока это технически и экономически целесообразно и пока на рынке имеются в наличии соответствующие компьютерные комплектующие. Это означает, что спустя некоторое время после приобретения компьютера эволюция компьютерных технологий и архитектур затрудняет, а во многих случаях делает невозможным, модернизацию его аппаратных и программных средств.

В статье использованы материалы книги «Материнские платы и чипсеты. 4-е изд. Анатомия ПК». — СПб.: Питер, 2007