Общая производительность компьютера, не беря во внимание работу с жесткими дисками, зависит от трех компонент — процессора, памяти и видеосистемы. Каждая из них в той или иной мере влияет на быстродействие в отдельных приложениях. Например, скорость работы с графическими данными зависит чаще всего от видеосистемы. Как же быть, если производительность этих трех компонент настолько велика, что системная шина, соединяющая их, не позволяет нарастить быстродействие системы в целом? Именно этот факт побуждает производителей к изменениям спецификации шины PCI и увеличению ее пропускной способности. Внутренняя шина компьютера на текущий момент является "бутылочным горлышком" при передаче данных между компонентами; именно она не позволяет наращивать производительность. В настоящее время полным ходом ведутся работы над новыми стандартами системных шин, для того чтобы через 2 года они могли быть реализованы в железе. Спецификации некоторых из них уже сейчас практически готовы, и в ближайшее время появятся продукты, реализующие их преимущества. Как вы уже наверно поняли, далее речь пойдет о технологиях Arapahoe и HyperTransport, призванных заменить системную шину PCI, которая медленно, но уверенно устаревает и перестает удовлетворять современным требованиям.
Задача увеличения пропускной способности PCI (Peripheral Component Interconnect) встала перед инженерами достаточно давно. Появление спецификации AGP — это результат изменений в архитектуре, призванных увеличить производительность компьютера в целом за счет ускорения пересылки графических данных. В настоящий момент шина ISA практически закончила свое существование, передав свои функции шине PCI. Частично ее функции взяла на себя USB (Universal Serial Bus). Одна технология устаревает — на смену ей приходит другая, и вполне возможно, что не одна, а сразу несколько.
Современная системная шина — это не просто "проводочки", соединяющие отдельные устройства. Это прежде всего протокол, с помощью которого происходит обмен данными, и главная проблема состоит именно в разработке этого протокола. Увеличение тактовых частот процессоров, появление таких видов памяти как DDR RAM и Rambus с большой пропускной способностью накладывает свой отпечаток на работу компьютера. Шина перестает справляться с нагрузками, не позволяя наращивать производительность системы за счет увеличения скорости работы процессоров, видеокарт и памяти.
В настоящий момент мы являемся свидетелями изменения приоритетов в индустрии высоких технологий. После того как Intel и AMD оптимизировали свои CPU, они обратили внимание на то, что производительность компьютера можно увеличить еще и за счет оптимизации чипсетов. Следующей на очереди стала память, в результате чего были разработаны спецификации Rambus DRAM и DDR RAM (хотя разработки этих видов памяти велись сторонними фирмами, известно, какое влияние оказали Intel и AMD на их реализацию). Следующим же этапом этой гонки стала борьба за увеличение пропускной способности системной шины. А результатом ее станут, как можно предположить, не только денежные поступления, но и выигрыш в сражении между архитектурами.
Проблема увеличения пропускной способности системной шины затрагивает интересы многих фирм, но прежде всего — производителей процессоров, памяти и видеочипов/видеокарт. Ранее решением проблем такого типа занималась неприбыльная организация PCI Special Interest Group (PCI SIG), в обязанности которой входила разработка, реализация и поддержка спецификации шины PCI. В настоящий момент на рынке образованы две группы, которые продвигают свои собственные стандарты. Первую, под названием HyperTransport Technology Consortium (HTTC), возглавляет AMD. Эта группа продвигает на рынок стандарт под названием HyperTransport. Вторая группа, возглавляемая Intel, имеет название Arapahoe Working Group. Стандарт Arapahoe, продвигаемый этой неприбыльной организацией, призван заменить шину PCI-X.
Табл. 1. Фирмы, входящие в группы поддержки стандартов Arapahoe и HyperTransport
| Arapahoe SIG | HTTC |
|---|---|
|
|
Конкуренция между двумя полупроводниковыми гигантами с рынков процессоров и чипсетов перебросилась на рынок архитектур системных шин. В настоящий момент эти стандарты позиционируются на рынок как открытые, но за то время, которое пройдет до их реализации в железе, может многое измениться. Открытый стандарт может превратиться в закрытый, а это повлечет за собой лицензионные отчисления каждого производителя компонентов, который будет использовать этот стандарт. Поэтому вполне понятным становится желание ведущих производителей процессоров откусить лакомый кусочек от этого огромного денежного пирога. Ведь выгода от этого двойная: во-первых, это деньги, которые принесет спецификация в результате лицензионных соглашений, во-вторых — оптимизация архитектуры шины под свои CPU позволит более жестко играть и на процессорном рынке. Однако проблем от такого разделения рынка может быть больше, чем преимуществ. "Arapahoe, продвигаемая на рынок Arapahoe Working Group, и HyperTransport, продвигаемая на рынок HTTC, могут привести к разделению архитектур рынка компьютеров", — заявил Габриэль Сартори (Gabriele Sartori), президент HyperTransport Technology Consortium. Результаты такого разделения могут быть похлеще того, что мы получили в связи с различием между разъемами для процессоров от Intel и AMD.
Фактически, одновременное присутствие на рынке двух шин (причем весьма вероятно, что один отдельно взятый чипсет будет поддерживать либо одну, либо другую, но не обе вместе) может повлечь за собой переориентацию производителей компонентов на платформу только одного из двух производителей, с полным отказом от второго. И, к примеру, видеокарту от NVIDIA, ориентированную только на шину HyperTransport, нельзя будет использовать на платформе Intel или, вполне возможно, для ее корректной работы нужен будет переходник, что не только повысит цену компьютера, но и уменьшит производительность. Но не буду пугать читателя страшными прогнозами, для которых пока нет реальных оснований, так как о равноправной конкуренции этих архитектур говорить еще очень рано. Пожалуй, главным аргументом в борьбе шинных спецификаций является тот факт, что фирма AMD готова выпустить на рынок продукты, поддерживающие HyperTransport, в этом году. Intel же не готова к такому шагу, так как спецификация Arapahoe находится лишь на стадии разработки и сможет увидеть свет только в конце 2003 года. Но обо все по порядку. Хотя стандарты еще не реализованы, информации о них скопилось достаточно, чтобы попытаться сравнить их, что мы с вами и сделаем.
Arapahoe
Стандарт системной шины, продвигаемый на рынок Arapahoe Working Group (также называемой Arapahoe Special Interest Group (Arapahoe SIG)), имеет второе название 3GIO (3D Generation Input/Output). Важным фактором, влияющим на продвижение этой архитектуры, является то, что входящие в Arapahoe SIG компании входили также и в PCI SIG и принимали активное участие в разработках шины PCI. Роджер Тайпли (Roger Tipley), президент PCI SIG, заявил, что переход с шины PCI на шину Arapahoe должен произойти так же плавно, как произошел переход с ISA на PCI. Столь самоуверенное заявление должно иметь под собой твердую почву. Итак, давайте рассмотрим шину Arapahoe и ее преимущества перед другими технологиями. Далее нам никак не обойтись без технических терминов и нескольких цифр.
- Arapahoe — симметричная, двунаправленная (bi-directional) шина, которая позволяет передачу данных со скоростью до 2.5 ГБ/с, что почти в 2.5 раза больше, чем пропускная способность шины PCI-X, и более чем в 9 раз быстрее скорости работы шины PCI (мы приняли за "скорость работы PCI" значение 266 МБ/с, как среднее между двумя возможными — 133 МБ/с для 32-битовой 33-мегагерцовой и 512 МБ/с для 64-битовой 66-мегагерцовой).
- Технология подключения периферийных устройств использует мост (host bridge) и несколько оконечных точек, позволяющих подключать периферийные устройства с помощью переключателя (switch). Switch может быть выполнен как отдельный логический элемент или интегрирован в host bridge. Переключатель в первую очередь предназначен для того, чтобы направлять потоки данных между периферийными устройствами, не используя host bridge, то есть позволяя так называемое peer-to-peer подключение. Данное решение должно меньше загружать компьютер передачей данных между конечными устройствами за счет отсутствия кэширования в памяти передаваемых данных.
- О пропускной способности шины Arapahoe нельзя говорить, как о чем-то фиксированном. Огромное отличие этой шины от PCI в том, что она будет иметь изменяемую пропускную способность (scalable bandwidth). Это значит, что каждый производитель, использующий эту спецификацию, сможет наращивать пропускную способность шины или уменьшать ее в зависимости от своих потребностей, добавляя или уменьшая количество линий.
- Адресация будет поддерживаться 32- и 64-битная. Каждый пакет данных будет иметь один из трех уровней приоритетов, так что система сможет разделить поток данных от периферийных устройств по приоритетам и обрабатывать данные согласно организованной в результате этого очереди.
- Архитектура будет иметь три уровня организации: физический уровень, уровень данных и уровень транзакций. Уровень транзакций будет пересылать запросы на чтение и запись данных от периферийных устройств и назад, а также организовывать пакеты данных для передачи на уровень данных.
- Одним из несомненных преимуществ стандарта Arapahoe может стать поддержка DDR RAM и Q(uadro)DR RAM, что позволит работать с памятью соответственно вдвое и вчетверо быстрее, чем это было ранее.
По заявлению руководства Arapahoe SIG, технология позиционируется на рынок прежде всего как конкурент аналогичным по своим задачам архитектурам AMD (HyperTransport) и Motorola (RapidIO). Другими словами, Arapahoe не претендует на то, чтобы быть единственной шиной "для всего". Среди "претендентов на сожительство" Луис Барнс (Louis Burns), вице-президент и главный менеджер Intel's Desktop Platforms Group, назвал InfiniBand, IEEE 1394b (FireWire), USB 2.0, Serial ATA и 1/10-Gb Ethernet.
Технология, призванная расширить возможности шины PCI, может и не увидеть свет из-за большой конкуренции на этом рынке. Не будем забывать, что до реализации этой шины в железе осталось еще 2 года, а конкуренты уже готовы выпустить на рынок свои продукты, которые даже сейчас будут лучше, чем планируемые Intel на срок через 2 года.
HyperTransport
Этот стандарт продвигается на рынок HyperTransport Technology Consortium, который в настоящий момент насчитывает около 150 участников, больших и малых фирм, занимающихся разработкой программного и аппаратного обеспечения. Консорциум был организован в 1997 году с целью развития архитектуры системной шины компьютера. Большое число фирм объявили о своем участии в проекте после того, как один из участников консорциума, NVIDIA, заявил о поддержке HyperTransport в своем чипcете nForce. Наиболее яркие представители перечислены в Таблице 1, причем большинство из них являются известными сторонниками открытой архитектуры. Давайте рассмотрим основные преимущества данной технологии по сравнению с существующими шинами PCI и PCI-X, а также теми, которые могут появиться в ближайшее время. Кстати, более детальную информацию по этому вопросу можно получить на сайте www.hypertransport.org.
- HyperTransport, ранее носившая название Lightning Data Transport (LDT), позиционируется как дополнение к технологии InfiniBand на рынок телекоммуникационных и встроенных систем, что налагает свои требования на спецификацию, реализующую преимущества обоих направлений. По заявлению руководства HTTC, технология может быть с одинаковым успехом использована как в серверных системах, так и в настольных и мобильных устройствах. Результатом этого станет некоторое изменение в архитектуре компьютера: связь между контроллерами периферийных устройств будет обеспечивать шина HyperTransport.
- Так же как и Arapahoe, технология позволяет производителям аппаратного обеспечения изменять количество сигнальных линий, что влечет за собой изменение количества выводов на плате, если этого требует реализация, а также изменение потребляемой мощности, так как лишние выводы требуют дополнительного питания. Этот факт может повлиять на широкое распространение технологии в мобильных системах. Кроме того, HyperTransport, так же как и Arapahoe, — это peer-to-peer шина, позволяющая обмениваться информацией между периферийными устройствами без задействования процессора и памяти. Протокол использует пакетированную передачу данных; за передачу данных между устройствами отвечает контроллер шины. Подключение контроллера в двухпроцессорной системе показано на рисунке:
- Шина позволяет передавать данные с частотой в 800 МГц по переднему и заднему фронтам стробирующего импульса, так что суммарная скорость работы шины получается около 12.8 ГБ/с при предаче двух восьмибитных слов за один такт. Давайте сравним эту производительность с производительностью существующих технологий. HyperTransport в 10 раз быстрее, чем InfiniBand (1.25 МБ/с в четырехканальной реализации), в 12 раз — чем PCI-X (1 ГБ/с), и в 48 раз — чем PCI (266 МБ/с).
- В отличие от Arapahoe шина HyperTransport позволяет передавать асимметричные потоки данных от(к) периферийных(м) устройств(ам). Симметричная, то есть одинаковая в обоих направлениях, пропускная способность не всегда нужна в компьютере. Примером могут служить системы, преимущественно отображающие графическую информацию, или системы, активно посылающие запросы в сеть для получения больших объемов информации.
В прошлом месяце фирма NVIDIA объявила о выпуске первого продукта, чипсета nForce, поддерживающего технологию HyperTransport. Большинство участников консорциума заявили, что продукты, поддерживающие шину, выйдут в конце текущего – начале следующего года. Это значит, что в настоящий момент спецификация готова к реализации в отличие от своего конкурента от Intel, причем некоторые параметры реализации технологии ничем не хуже, а некоторые — значительно лучше, чем параметры аналогичной реализации от Intel.
Табл. 2. Сравнительная характеристика стандартов Arapahoe и HyperTransport
| Параметры | Arapahoe | HyperTransport |
|---|---|---|
| Симметричная/асимметричная | симметричная | асимметричная |
| Двунаправленная/однонаправленная | двунаправленная | двунаправленная |
| Скорость передачи | 2.5 ГБ/с | 12.8 ГБ/с |
| Peer-to-peer подключение | + | + |
| Scalable bandwidth | + | + |
| Адресация | 32- и 64-битная | 64-битная |
| Планируемый срок выхода | конец 2003 года | конец 2001 года |
Вместо заключения
Мы рассмотрели всего лишь две, наиболее яркие технологии системных шин от постоянных конкурентов, Intel и AMD. Из этого не следует, что только эти две технологии претендуют на лидерство в построении архитектуры будущих компьютеров, просто они пока являются наиболее поддерживаемыми со стороны разработчиков. Вполне возможно, что будущее каждой из системных шин нового поколения определится самым простым образом: чем больше производителей аппаратного обеспечения поддержат ту или иную спецификацию, тем больше у нее будет возможностей занять лидирующее положение. Две рассмотренные спецификации не так уж сильно отличаются друг от друга, однако скорость появления продуктов на основе HyperTransport может стать решающим фактором.
