PCI-Express 3.0 matična ploča - Chipset X79

Razvoj tehnologije, osobito u smanjivanju jedinične veličine elementarnog tranzistora, omogućava izradu moćnih procesorskih (CPU) i grafičkih (GPU) integriranih krugova. Težnja za povećanjem propusne moći između pojedinih sklopova računala dovela je do daljnjeg unapređenja koncepcije prikazane u primjeru VII ovog poglavlja. Razvoj vrlo složenih igara, koje postaju grafički i procesorski sve zahtjevnije i koje u novijem dizajnu podržavaju višeprocesorske sustave jedan je od poticaja prema novom dizajnu. Navedenom treba pridružiti trend dizajna PC-a kao multimedijske platforme, što u suštini znači učinkovitu obradu video sadržaja. Uz navedeno na svoje će doći i aplikacije dizajnirane u znanstvene svrhe, kao i poslužiteljske platforme i sve rašireniji koncept primjene virtualnih računala. Bez učinkovite procesorske snage simulator mreže i mrežnih uređaja, na primjer, gotovo je neupotrebljiv. Dakle, povećanjem procesorske moći, računalna programska potpora kao i profesionalna pomagala postati će mnogo učinkovitija. U narednom primjeru prikazana je matična ploča i mikroprocesor firme INTEL, tip 'Core i7' kao osnova za vrlo moćno PC računalo.

Višeprocesorski sustavi u jednom kućištu, točnije više međusobno fizički i logički povezanih procesorskih jezgri u jedinstvenu funkcionalnu cjelinu, od kojih svaka istovremeno obrađuje dva niza (thread) instrukcija, proizašli su iz nemogućnosti učinkovitog povećanja radnog takta procesora bez velikog pregrijavanja kao posljedice. Operativni sustav svaki od logičkih procesa jezgri (Hyper-Threading Technology - HTT) prepoznaje kao zaseban procesor. Poboljšani koncept dozvoljava povećanje radne frekvencije pojedinih komponenti, povećanje radne frekvencije procesora (otključan množitelj) i povećanje radnog napona elektroničkih sklopova glede bržeg 'proleta' elektrona kroz elemente integriranog kruga, te stoga povećanje performansi sustava u cjelini (postupak nazvan OVERCLOCKING) što je usko povezano s načinom HLAĐENJA komponenti. No, nasilno povećanje performansi preko tvorničkih specifikacija može dovesti do nepredvidljivih i nepopravljivih oštećenja računala. Temperatura je bila i ostala glavni ograničavajući čimbenik glede povećanja ukupnih performansi sustava. Navedeno omogućavaju promjene osnovnih postavku sustava u BIOS-u.

Smanjivanjem veličine elementarnog tranzistora s 45 nm tehnologije na manju, odnosno smanjenjem njegove ukupne površine, ali i unaprjeđenjem tehnologije njihove izrade (Tri-gate, odnosno 3D tranzistori) glede smanjenja nekontroliranog 'propuštanja' struje u stanju neprovođenja (leakage), smanjuje se put protoka elektrona kroz tranzistore i vrijeme prolaska između elektroda. Upravljački napon pri kojem 3D tranzistor počinje provoditi struju smanjen je zbog čega se znatno ubrzava i vrijeme prelaska tranzistora iz stanja vođenja struje u stanje neprovođenja struje. Ova dva radna stanja tranzistora imaju najmanji disipacijski učinak glede zagrijavanja tranzistora, te je brži prelazak iz stanja vođenja struje u stanje neprovođenja značajan zbog kraćeg zadržavanja tranzistora u prijelaznom stanju rada tranzistora pri kojem je disipacijski učinak znatan. Rezultat su bolje performanse i znatno manje zagrijavanje. Generacija mikroprocesora firme Intel utemeljena na 32 nm 'Sandy Bridge' i 22 nm 'Ivy Bridge' mikroarhitekturi (slika 3.5.30a) i unaprijeđenoj tehnologiji izrade tranzistora, daje i do 50% bolje osobitosti od svojih izvornika. Osobito je veliki napredak postignut glede zauzdavanja velike potrošnje mikroprocesora. Unatoč tome s donje strane matične ploče ispod gornjeg dijela postolja mikroprocesora, postavlja se metalno ojačanje (slično BTX konceptu) koje u velikoj mjeri onemogućava krivljenje podnožja mikroprocesora zbog zagrijavanja.

Primjer VIII

Učinkovita potpora mikroprocesoru s više jezgri iz porodice INTEL, za zahtjevnu kućnu, uredsku ili znanstvenu uporabu je matična ploča sa CHIPSET-om INTEL X79 za mikroprocesore tipa 'Intel Core i7' i 'Intel Xeon' predviđene za LGA 2011 podnožje, izrađene u 32 nm 'Sandy Bridge' tehnologiji, nasljedniku X48 (slika 3.5.26a) i X58 koncepta (slika 3.5.26c). Set logike chipset-a uobičajeno podijeljen je na dva dijela: 'North Bridge' (MCH / IOH) i 'South Bridge' (ICH), potpuno je modificiran na način da je cijeli MCH ukomponiran u sam procesor koji je povezan samo s jednim chip-om (PCH - Platform Controller Hub) koji obavlja zadaće slično ICH chip-u. Mogućnost uporabe 'Xeon' mikroprocesora stavlja PC računalo u rang s 'Apple Mac Pro' računalima koja navedene procesore podrazumno koriste. Mogućnost uporabe 'ECC' ili 'non-ECC' memorijskih modula ukazuje da ova matična ploča može dobro poslužiti kao poslužiteljska platforma.

• Procesor
  Procesor druge generacije 'Core i7' mikroprocesora za LGA 2011 podnožje. Ima oko 1160 miliona tranzistora, 6 fizičkih te prema tome dvanaest logičkih jezgri, 32 kB L1 i 256 kB L2 međumemorije po jezgri, te 15 MB L3 zajedničke međumemorije i takt jezgre do 3.30 GHz. Podržava komunikaciju s grafičkim sustavom putem 40 (16+16+8) koridora PCI Express 3.0 sabirnice i 4 koridora DMI2/PCI Express 2.0 sabirnice (Direct Media Interface) za vezu prema PCH. Sadrži integrirani memorijski upravljač (IMC - Integrated Memory Controller) koji može adresirati 46 bit-a fizičke memorije (64 TB) i 48 bita-a virtualne memorije (256 TB) i integrirani I/O upravljač (IIO). Procesori ove skupine nemaju integriranu grafičku podršku kao što je slučaj s Q57. Povezan je s PCH koji vodi brigu o periferijama. Četvero kanalni pristup DDR 3 memoriji značajan je pomak u odnosu na koncepte prikazane u primjeru VII.
  
  
• PCH
  Brine o vanjskim uređajima računala na sličan način kao ICH (I / O Controller Hub). Ima integriranu potporu za RAID polje diskova, unaprjeđenje SATA sučelja na brzinu od 6 Gb/s, i potporu za SSD diskove u smisli njihovog korištenja kao međumemorije (cache) za klasični mehanički disk. Uz navedeno podržava optičke uređaje (CD-DVD), USB (Universal Serial Bus) uređaje verzije 2.0 i 3.0, više kanalnu potporu za obradu zvuka (HDA), mrežnu potporu za LAN komunikaciju i vanjske uređaje povezane SATA sučeljem (eSATA - external SATA) uz pomoć dodatnih namjenskih integriranih krugova.

Slika** 3.5.29 Blok shema Intel-x79 & x99 chipset-a / Intel-DX79SI matična ploča. ( + / - )

Matična ploča, bolje reći sama štampana ploča (PCB - Printed Circuit Bord) izrađuje se u osam slojeva, što je čini tehnološki zahtjevnijom u odnosu na starije šestoslojne rođake te u konačnici poskupljuje. Gotovo se ne mogu ni razaznati vodovi koje slojevi sadrže. Komponente ukomponirane oko chipset-a uobičajene su za ovu porodicu matičnih ploča. Animirani natpisi nadopunjuju se redoslijedom koji bi otprilike odgovarao slijedu aktiviranja pojedinih sklopova i uređaja na matičnoj ploči po uključivanju računala. Tablica koja slijedi opisuje sastav i mogućnosti prikazane matične ploče:

Mnoštvo je različitih proizvoda drugih firmi koji opslužuju razne periferije. Stoga nije čudno da velike firme kupuju male kako bi se 'dokopale' njihovih patenata i dugoročno gledano smanjile troškove proizvodnje, ili pak izbjegli troškovi sudskog parničenja glede kršenja licenčnih uvjeta. Iako nema PS/2, paralelnih i serijskih priključaka chipset ih podržava. Podrška za PATA komunikaciju potpuno je izostavljena. Čini se da je PATA komunikacija između uređaja 'umirovljena', ali ima proizvođača koji izrađuju PCI ili PCI-E kartice koje sadrže upravo spomenute komponente u slučaju da postoji potreba komunikacije s nekim uređajem upravo po negdašnjim standardima.

Prikazana matična ploča koristi četiri memorijska kanala (A, B, C, D) s dva utora po svakom kanalu. Memorijski upravljač podržava četiri nezavisna memorijska kanala:

• Quad channel (Interleaved) mode - Više kanalni mod koji je moguć ako su svi utori popunjeni identičnim memorijskim modulima. Ovaj mod omogućava najveću raspoloživu propusnost.
• Tri channel (Interleaved) mode - Tro kanalni način rada moguć je kad su instalirani DIMM memoriji moduli istog kapaciteta u utore bilo koja tri kanala. Ako su koriste DIMM memorijski moduli različite brzine rada, koristiti će se vrijeme pristupa prema najsporijem modulu.
• Dual channel (Interleaved) mode - Dvo kanalni mod moguć je kad su instalirani DIMM memoriji moduli istog kapaciteta u utore dva kanala. Ako su koriste DIMM memorijski moduli različite brzine rada, koristiti će se vrijeme pristupa prema najsporijem modulu.
• Single channel (Asymmetric) mode - Ovaj način se koristi kada je samo jedan DIMM memorijski modul instaliran ili su memorijski kapaciteti više modula nejednaki. Ako su različite brzine rada DIMM memorijskih modula, koristiti će se vrijeme pristupa prema najsporijem modulu.

Memorijska mapa prikazana je u narednoj tablici:

Prikazana memorijska mapa odgovara memorijskoj mapi koja je prikazana na slici 3.5.14, u kojoj se jasno označena granica XMS memorije od 4 GB za xxx86 porodicu mikroprocesora. Sukladno tome je razvijan i dizajn matičnih ploča koji je u slučaju zahtjeva za većim memorijskim prostorom dostatan. Sklopovi X79 matične ploče omogućavaju izbjegavanje preklapanja memorijskih adresa prema mapi koju definira konvencionalna I / O logička adresna shema. Izrađuje se nova mapa fizičke memorije koja obuhvaća područje nakon konvencionalne granice od 4 GB, te se vrši logičko preračunavanje u svrhu dohvata lokacija nakon navedene granice, naravno uz operativni sustav koji može adresirati više od 4 GB radne memorije. Osim navedenog i grafičke kartice moraju ispravno prepoznavati navedenu memorijsku shemu kako bi se na monitoru računala mogle ispravno prikazivati starije aplikacije. U tom smislu grafička kartica mora zadovoljiti kompatibilnost s EGA, CGA i MDA standardima, što znači da će se sva DOS programska potpora uredno 'trošiti'. Mnoge 'dobre' grafičke kartice navedeno ne zadovoljavaju.

Povećanje broja fizičkih adresa 32 bit-nog operativnog sustava (PAE - Physical Address Expansion) glede dohvata memorijskih lokacija RAM-a moguće je ako se broj bit-ova koje jezgra operativnog sustava koristiti proširi s 32 na 36, te se tako omogućava dohvat do 64 GB fizičke memorije. To omogućavaju sva izdanja Windows Vista OS, Mac OS X te novije verzije Linux jezgre, uz uporabu procesora koji ovo podržavaju (Intel Pentium PRO i noviji na primjer). Windows XP podražava ovu mogućnost ali je u zapisu startne datoteke 'boot.ini' treba definirati, dok 64 bit-nim operativnim sustavima navedeno nije potrebno. Dakle, dohvat fizičke memorije iznad 4 GB moraju omogućavati mikroprocesor, matična ploča (chipset i BIOS) i operativni sustav. Ako bilo koji od navedenih sklopova računala navedeno ne podržava, dohvat fizičke memorije preko konvencionalne granice od 4 GB nije moguć. Kako navedeno podrazumijeva sposobnost programske potpore da zna koristiti ovu mogućnost kod 32 bit-ne verzije Windows XP operativnog sustava putem Microsoft AWE API-a (Address Windowing Extensions), ova osobitost za 32 bit-ne Windows XP sustave i nije baš od značaja. Naime, 32 bit-ni Windows XP operativni sustav može uporabiti oko 3.25-3.50 GB radne memorije dok se eventualni 'višak' memorije može iskoristiti za RAM-Disk ili za neku drugu specijaliziranu programsku potporu koja zna iskoristiti radnu memoriju preko navedene granice. Windows jezgra za poslužiteljske verzije OS ima drugačiju koncepciju i s opisanim nema problema.

Procesor 'INTEL - Core i7 Sandy Bridge Extreme' u osnovi je šestero jezgreni CPU s podnožjem LGA 2011 (2011 priključaka u podnožju), izrađen u 32 nm tehnologiji. Nasljednik je istoimenog procesora 'Core i7 - Nehalem' izrađenog u 45 nm tehnologiji za podnožje LGA 1366 prikazanog na slici 3.5.30c, koji sadrži po svakoj jezgri 64 kB L1 međumemorije (32 kB za instrukcije + 32 kB za podatke) i 256 kB L2 međumemorije, izvršnu logiku jezgre, logiku za predviđanje grananja i ostale dijelove jezgrine arhitekture. Jezgrama je na raspolaganju 8 MB L3 zajedničke međumemorije kao i tro kanalni (triple-chanell) DDR 3 memorijski upravljač s Quick Path Interconnect (QPI) arhitekturom koja zamjenjuje koncept FSB 64 bit-ne dvosmjerne point-to-point sabirnice namijenjene prvenstveno za vezu prema 'North Bridge' memorijskom upravljačkom sustavu. Osim nove arhitekture i integriranog memorijskog upravljača, 'Core i7 - Nehalem' svoju brzinu može zahvaliti upravo integriranoj L3 međumemoriji (cache) zajedničkoj svim jezgrama procesora i Hyper-Threading (HT) tehnologiji, osam simultanih radnih niti/nizova/tokova na četvero jezgrenom čipu (SMT - Simultaneous Multi-Threading), te 'Turbo Boost' konceptu za dinamički overclocking. Navodi se 40% posto brže kodiranje video sadržaja u odnosu na 'Core 2' koncept. Preciznije, radi se o mikroprocesorskom sustavu koji može podržati 2-8 jezgri i sukladno tome 4-16 tokova za prijenos podataka pomoću SMT, dizajniranom za poslužiteljske i moćnije PC platforme, što se operativnom sustavu predstavlja kao dvostruki broj logičkih jezgri od broja fizičkih jezgri mikroprocesora. HT u osnovi omogućava izvođenje više zadataka-procesa istovremeno i time skraćivanje vremena odziva za izvršavanje neke naredbe ili zadaće.

Procesor se je u kućnim računalima koristio s matičnom pločom zasnovanom na 'X58' chipset-u i koristio je dva pomoćna integrirana kruga, 'Nort Bridge - MCH' i 'South Bridge - ICH' pri čemu je prvi od navedenih vodio brigu o pristupu grafičkom sustavu (slika 3.5.26c). Memorijskom sustavu pristupalo se je preko upravljačkih sklopova ukomponiranih u procesor, a grafičkom sustavu preko MCH. Daljnje napredovanje tehnologije omogučilo je bitno smanjenje veličine elementarnog tranzistora i njegove potrošnje te je prvotno upravljački grafički sustav preseljen je u sam procesor u inačici sa 'Sandy Bridge' 32 nm tehnologijom, kako je prikazano u opisu silicijske pločice prikazano na slici 3.5.30d. Na slici 3.5.30a prikazan je 'Core i7' izveden u 32 nm tehnologiji s podnožjem LGA 2011 (druga generacija 'Core i7') te njegov nasljednik u 22 nm tehnologiji s podnožjem LGA 1155 (treća generacija 'Core i7'). Razlika u dimenzijama je značajna. Osim toga smanjene tranzistora i potrošnje omogućilo je ugradnju dodatnih sklopova te je u 22 nm inačicu fizički i logički ukomponiran grafički sustav, za razliku od koncepta Q57 gdje su procesorski i grafički sustav potpuno odvojeni.

Slika*** 3.5.30 Procesori Core i7 porodice (22 nm, 32 nm, 45 nm). ( + / - )

Uz 'Sandy Bridge' 32 nm tehnološki proces, podnožje procesora od 2011 pin-ova zauzima više mjesta u odnosu na dosadašnji dizajn (LGA 775), sadrži već spomenutih 1.16 milijardi tranzistora na silicijskoj pločici površine 212 mm². Stoga je veće, odgovarajuća hladila su veća, a i pin-ovi nisu okrugli što omogućava njihovu veću gustoću i međusobno manji razmak, svega 0.4 mm (slika 3.5.30b). Broj pin-ova povećan je zbog potrebe povećanja vodova prema memorijskim utorima, a razvijena toplota tijekom rada uzrokuje savijanje podloge. Prvobitni TDP (Thermal Design Power) od 130 W snage nije zanemariva veličina i razvijenu toplotu tijekom rada treba pomoću hladila učinkovito apsorbirati i 'odvući'. Ali 'Ivy Bridge' 22 nm tehnologija, uz podnožje procesora od 1155 pin-ova, omogućila je dvostruko manji TDP uz 1.4 milijardi tranzistora na silicijskoj pločici površine 160 mm² i puno više funkcionalnosti, a po veličini mikroprocesor je skoro jednako velik kao 'Core 2' za podnožje LGA 755. Potpuno novi dizajn nekompatibilan je s dosadašnjim rješenjima što znači da je nadogradnja starijih sustava nemoguća (kupi sve novo!!). Više jezgrene verzije procesora prema konceptu izvornog 'Core i7 - Nehalem' mikroprocesora (slika 3.5.30c) naprednije su jer sadrže upravljač prema vanjskom grafičkom podsustavu računala i za integrirani vlastiti grafički sustav. Na slici 3.5.31 prikazana je verzija matične ploče za procesor Intel 'Core i7' izrađen u 22 nm tehnologiji za podnožje LGA 1155.

Kako je sam izvorni 'Core i7' Nehalem mikroarhitekture, prikazan na slici 3.5.30c, prvenstveno razvijan sa namjerom uporabe u višeprocesorskom i poslužiteljskom okruženju, u QPI (Quick Path Interconnect) konceptu ima sjajnu osnovu. Ovisno o tržištu, broj jezgri i / ili procesora, mikroprocesor će se nuditi u verzijama s jednom ili više QPI sabirnica koje će povezivati procesor s ostalim procesorima u sustavu ali i procesor sa chipset-om, svaki sa propusnošću do 25 GB/s. Nove verzije operativnih sustava tipa Windows i OSX dizajniraju se da mogu navedeno iskoristiti.

SAŽETAK:

Prema već navedenom, bilo je za očekivati da će se proizvodni proces za mikroprocesore 'Core i7' izvedene u 32 nm tehnologiji i podnožje LGA 2011 (druga generacija 'Core i7'), modernizirati i rezultat daljnjeg razvoja su mikroprocesori 'Extreme Edition' proizvodi - Ivy Bridge E (22 nm tehnologija treće generacije). Naravno, radi se o mikroprocesorima tipa XEON koji su prvenstveno namijenjeni za poslužiteljske sustave, te u sebi ne sadrže grafički podsustav. No sadrži punu podršku za PCI-Express v3.0 i DDR3 radnu memoriju s radnim taktom od 1866 MHz. Novi mikroprocesori rabe i dalje X79 chipset, što će zahtijevati malu nadogradnju BIOS-a. Mikroprocesor sadrži četiri do šest jezgri i do 15 MB L3 međumemorije.

Glede navedenog, nasljednik opisanog je chipset serije X99 (32 nm litografija) koji u potpunosti podržava procesore četvrte generacije za podnožje LGA 2011 (v3), unaprijeđenu PCIe sabirnicu (gen. 2), DDR4 tip memorije i 'Core i7 Extreme Edition' - Haswell E mikroprocesore četvrte generacije (do 8 jezgri, do 20 MB L3 međumemorije, radne frekvencije do 3.50 GHz, 22 nm litografija). Blok shema X99 gotovo se ne razlikuje od navedene osim što ima novu osobitost 'Intel Mangement Engine Firmware 9.1 and BIOS support' i poboljšane mogućnosti. Chipset omogućuje otključane 'overclocking' značajke za 4. i 5. generaciju mikroprocesora. Mogućnosti X99 chipset-a najbolje opisuje slika 3.5.29c. Dakle, ne radi se o kućnoj 'igrački', ali eto da se spomene. Cijena? Velika!