Эволюция серверных НМС Intel

Евгений Рудометов, Виктор Рудометов
rudometov@mail.ru

---

В статье были использованы технические материалы компании Intel.

Как известно, основу архитектуры серверов составляют системные платы, которые с помощью встроенных в их структуру электронных элементов обеспечивают работу центральных процессоров и осуществляют (через встроенные контроллеры и специализированные платы расширения) логические и электрические связи между компонентами всей системы, а также с разнообразными внешними устройствами.

Системные платы относятся к функционально сложным компьютерным комплектующим, аккумулирующим большое число новейших технологий. Эти технологии реализуются через архитектуру, дизайн и входящие в состав системных плат электронные элементы. Из этих элементов ключевую роль в архитектуре системных плат, а соответственно, и всей серверной системы играют наборы микросхем (НМС) системной логики, или чипсеты. Они в значительной степени определяют потенциальные возможности компьютерных систем. Учитывая, что для серверов сравнительно высокая стоимость не столь критична, как для компьютерной техники других классов, на них отрабатываются перспективные архитектуры и технологии, в том числе и касающиеся НМС.

Долгое время НМС для процессоров Intel (http://www.intel.com)
выпускали сторонние фирмы. Однако, начиная с процессоров 486 (P4), компания
всерьез занялась этим сектором рынка и быстро вошла в число крупнейших производителей
НМС, выпуская их для широкого спектра компьютеров, включая серверы.

Сегодня серверные чипсеты Intel хорошо известны пользователям как своего рода эталон качества. Даже те построенные на их основе системы, которые уже давно не выпускаются, благодаря своей надежности и широким возможностям способны работать еще в течение длительного времени. Многие из таких морально устаревших серверных систем, выпущенных иногда более десяти лет назад, до сих пор находятся в эксплуатации у пользователей. Качество серверных систем основано на использовании в них лучших компьютерных технологий и отработанных архитектур, прошедших длительную эволюцию в многочисленных наборах микросхем системной логики.

Серверные НМС прошлых лет

Известны успешные попытки выпуска на рынок серверных вариантов систем для процессоров Intel 486, созданных на основе соответствующих НМС. В качестве примера можно привести серверы Xpress на базе следующих полупроводниковых элементов: 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 т. д. Перечисленные микросхемы по времени разработки и выпуска соответствуют процессорам Intel 386 — 486; тем не менее по сути история серверных НМС от Intel началась после появления процессоров Intel Pentium и поддерживающих их наборов.

Рассматривая особенности архитектуры наборов микросхем системной логики для компьютеров с процессорами Intel Pentium и оценивая их достоинства, а также — с позиции современных знаний — и недостатки, необходимо помнить, что на эволюцию НМС большое влияние оказывали особенности развития архитектуры самих процессоров. Например, по технологическим и экономическим причинам кэш-память 2-го уровня (L2) довольно долгое время не входила в состав кристалла процессора, а была по отношению к нему внешней. Она реализовывалась с помощью нескольких микросхем сравнительно быстродействующей статической памяти, интегрированных в архитектуру системной 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 такой кэш-памятью осуществляли процессор и НМС, которых за время развития архитектуры Pentium компанией Intel было разработано и выпущено немало.

430NX PCIset

Обсуждение эволюции наборов микросхем системной логики целесообразно начать с чипсета Intel 430NX PCIset. Это был первый НМС, ориентированный на системы одно- и двухпроцессорных конфигураций на основе Intel Pentium второго поколения с тактовыми частотами от 75 МГц. При этом наибольшее распространение получили решения с процессорами, тактовые частоты которых составляли 75-100 МГц. Данный НМС, как и поддерживаемые им процессоры, был рассчитан на сравнительно высокие по тем временам частоты шины процессора — 50, 60 и 66 МГц.

Основные компоненты Intel 430NX PCIset — это 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 обеспечивал поддержку до 256 Мбайт SIMM DRAM оперативной памяти FPM и кэш-памяти 2-го уровня (L2) объемом 256 Кбайт (асинхронный кэш) или 256/512 Кбайт (синхронный кэш). Контроллеры LBX обеспечивали мост между процессорной шиной и шиной PCI (Host-to-PCI bridge), а также совместно с PCMC осуществляли управление подсистемой оперативной памяти. Компоненты PCEB и ESC обеспечивали мост между шинами PCI и EISA (рис. 1).

Рис. 1. Структура двухпроцессорного сервера на основе НМС Intel 430NX PCIset.

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

440HX PCIset

Особого внимания среди серверных НМС прошлых лет заслуживает Intel 440HX PCIset. Этот чипсет, вобравший в себя достижения компьютерной индустрии того периода, был предназначен для одно- и двухпроцессорных систем с процессорами Intel Pentium или аналогичными от других производителей. Данный НМС был рассчитан на тактовые частоты шины процессора 50, 60 и 66 МГц.

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

НМС Intel 440HX PCIset предназначался для серверов и мощных рабочих станций (рис. 2). Встроенный в него контроллер кэш-памяти 2-го уровня был рассчитан на объем 256 и 512 Кбайт, а встроенный контроллер оперативной памяти поддерживал от 4 до 512 Мбайт памяти EDO/FPM DRAM. Для повышения надежности были предусмотрены поддержка контроля четности и, что особенно важно, автоматическая коррекция ошибок (ECC). Эти встроенные возможности стали обязательными атрибутами серверных решений.

Рис. 2. Структура однопроцессорного сервера на основе НМС Intel 440HX PCIset.

450KX/GX PCIset

Несмотря на достоинства НМС Intel 440HX PCIset, после разработки и выпуска процессоров линейки Intel Pentium Pro потребовались соответствующие наборы микросхем системной логики, способные реализовать функциональные возможности архитектуры новых продуктов. Кстати, модели этой линейки были оптимизированы для выполнения 32-разрядных приложений. Из особенностей их архитектуры необходимо отметить наличие встроенной кэш-памяти 2-го уровня, работающей на частоте ядра, что обеспечивало высокую производительность устройств. Были и другие важные отличия от предшественников, например, расширенная система команд.

Для реализации потенциальных возможностей всех нововведений в архитектуре процессора Intel Pentium Pro были выпущены более функционально насыщенные НМС Intel 450KX/GX PCIset. Они были ориентированы на многопроцессорные системы, в состав которых входили процессоры линейки Intel Pentium Pro — самые в то время производительные, совершенные и дорогие.

Данные НМС были предназначены для использования в серверах, мощных рабочих станциях и высокопроизводительных компьютерах. Архитектура данных НМС и компьютерных систем допускает масштабирование. Это означает, что рост производительности обеспечивается за счет использования дополнительных модулей и увеличения числа центральных процессоров в системе.

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

НМС Intel 450GX PCIset обеспечивает реализацию еще больших функциональных возможностей по сравнению с Intel 450KX PCIset. В состав этого чипсета входят следующие модули: 82454GX PCI Bridge (PB) и Memory Controller (MC). Контроллер памяти в нем состоит из микросхем 82453GX DRAM Controller (DC), 82452GX Data Path (DP) и четырех 82451GX Memory Interface Controllers (MIC).

Из архитектурных особенностей и основных параметров этих НМС следует отметить, что средства Host Bus рассчитаны на поддержку процессоров Intel Pentium Pro с тактовой частотой процессорной шины 60 и 66 МГц, 64-бит шины данных и 36-бит 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. (рис. 3).

Рис. 3. Структура четырехпроцессорного сервера на основе НМС Intel 450GX PCIset.

Контроллер памяти MC (Memory Controller), входящий в состав комплекта микросхем, поддерживает до 1 Гбайт (Intel 450KX) или до 4 Гбайт памяти (на каждую микросхему 82453GX в составе комплекта); организацию оперативной памяти с чередованием (2-Way interleaved или, в случае Intel 450GX, 2/4-Way interleaved) и без чередования (non-interleaved); для Intel 450GX может быть до 2 MC в системе; 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.

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

450NX PCIset

К той же линейке Intel 450xx относится и еще более совершенный, мощный и функционально насыщенный чипсет Intel 450NX PCIset, созданный как основа мощных серверов. Здесь следует напомнить, что данный набор был представлен в двух конфигурациях. Первая из них, более мощная и ставшая основной, получила наименование Intel 450NX. Она предусматривала до 8 Гбайт оперативной памяти и использование шин PCI следующих характеристик: 4х32 бит/2х64 бит, работающих на частоте 33 МГц. Вторая, упрощенная конфигурация, известна как Intel 450NX Base. Она предполагала несколько меньший объем оперативной памяти — до 4 Гбайт. Сокращены были и возможности шины PCI: 2х32 бит, тактовая частота 33 МГц.

Итак, НМС 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 (64-бит шина, контроль четности и ECC, 16 и 64 Мбит, 60 нс и 50 нс, 3,3 В EDO DRAM, скорость до 1 Гбайт/c). Данный НМС также включает компоненты PIIX3 и PIIX4E South Bridges (южные мосты), которые поддерживают PCI-to-ISA Bridge, USB, контроллер enhanced DMA, системный таймер, контроллер IDE. Поскольку Intel 450NX PCIset ориентирован на рынок мощных серверов, он не предусматривает использование шины AGP, так как обычно в серверах не требуются мощные средства поддержки графики.

Состоит Intel 450NX PCIset из четырех компонентов, представленных 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) или одной (шириной 64 бит) с тактовой частотой 33 МГц; обе они удовлетворяют спецификации Rev.2.1 Compliant PCI bus.

Подчеркнем, что для достижения высокой производительности систем на основе этого НМС каждый из компонентов RCG поддерживает до четырех 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 напряжении питания 3,3 В. Отсюда нетрудно оценить, что потребляемый ток достигает весьма высокого для чипсетов того времени значения. Учитывая аналогичные параметры процессоров и плат расширения, очевидно, что эти особенности НМС требуют адекватных средств электропитания, а также средств поддержания оптимальных температурных режимов эксплуатации.

440GX AGPset

Кроме рассмотренных специализированных НМС, получивших широкое распространение среди производителей серверных систем, следует отметить и чипсет Intel 440GX AGPset, выпущенный для поддержки процессоров архитектуры Pentium Pro конструктива Slot 1 и Slot 2. Он был анонсирован во время выпуска как основа для высокопроизводительных рабочих станций и серверов масштаба крупного предприятия. НМС был оптимизирован под однопроцессорные системы и поддерживал симметричную мультипроцессорную конфигурацию (Symmetric Multiprocessor Protocol, SMP) из двух процессоров на единой системной шине. Он поддерживал все процессоры Intel Pentium II и Pentium III с разъемами Slot 1 и Slot 2, включая процессоры Pentium II Xeon и Pentium III Xeon, рассчитанные на тактовую частоту процессорной шины 100 МГц (64-бит Host Bus GTL+ и AGL+).

Intel 440GX AGPset представляет собой усовершенствованную модификацию 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.

Данный НМС 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.

Intel 440GX AGPset состоит из двух компонентов, представленных следующими микросхемами: 82443GX и 82371EB (PIIX4E). Форм-фактор совпадает с Intel 440BX AGPset.

В качестве примера серверных решений (рис. 4), выполненных на основе НМС Intel 440GX AGPset, можно привести Intel L440GX+ и Intel С440GX+. Система Intel L440GX+ — это два процессора Intel Pentium II или Pentium III, 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 сходные параметры, за тем исключением, что в нем используются процессоры Pentium II Xeon или Pentium III Xeon.

Рис. 4. Структура двухпроцессорной системы на основе НМС Intel 440GX AGPset.

Несерверные НМС в серверных решениях

Необходимо отметить тот факт, что, в дополнение к описанным выше серверным НМС, 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 НМС — кстати, как и его предшественники Intel 440FX и Intel 440LX, — способен обеспечивать работу конфигураций из двух процессоров Pentium II и Pentium III, а также поддерживать технологии надежной работы с подсистемой оперативной памяти. На основе Intel 440BX AGPset были выпущены серверные системные платы Intel T440BX и Intel N440BX, предназначенные для малых серверов. Можно найти аналогичные примеры сравнительно простых серверных решений и на основе Intel 440FX и Intel 440LX.

Рассматривая возможности конструирования серверных систем с использованием несерверных НМС, нельзя обойти молчанием и модель Intel 840. Этот чипсет относится к следующей после Intel 440xx линейке Intel 8xx. Хотя НМС Intel 840 в основном был ориентирован на сектор мощных рабочих станций, на его основе успешно выпускались и серверные системы.

НМС Intel 840 (i840 Сhipset) специально разработан для высокопроизводительных мультипроцессорных систем на базе процессоров Intel Pentium III и Pentium III Xeon. Он имеет хабовую архитектуру, сходную с архитектурой родоначальника подобных НМС — Intel 810.

Главные отличительные признаки Intel 840 от традиционных НМС, в которых используются две основные микросхемы, выполняющие функции южного и северного моста, заключаются в следующем: в нем реализована тактовая частота системной шины 133 МГц, режим AGP 4X, спецификация PCI 2.2 и используется скоростная локальная шина, соединяющая основные компоненты НМС. Но важнейшая характеристика Intel 840 — это поддержка оперативной памяти RDRAM (Rambus DRAM). Максимальный объем памяти для данного НМС составляет 8 Гбайт. При этом предусмотрена поддержка памяти как PC100 (SDRAM), так и PC600 и PC800 (RDRAM). Кроме того, организована поддержка двухканальной шины памяти RDRAM — dual RDRAM channels, позволяющая достичь скорости передачи до 3,2 Гбайт/с. Это в два раза выше, чем в случае родственного чипсета Intel 820 — кстати, не получившего особой популярности среди пользователей и производителей компьютерных систем в основном из-за сравнительно высокой стоимости модулей RIMM памяти RDRAM.

Базовый комплект 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-бит шины PCI с частотой 33 или 66 МГц), 82803 RDRAM-based memory repeater hub (MRH-R), 82804 SDRAM-based memory repeater hub (MRH-S).

Заключение

Все рассмотренные НМС, несмотря на их функциональную насыщенность, отлаженные полупроводниковые технологии и архитектуру, высокую надежность и популярность, уже ушли в историю. После выпуска серверных версий процессоров с архитектурой NetBurst описанные выше НМС сменила линейка более совершенных чипсетов E75xx, рассчитанных на новые модели процессоров (родоначальник ее — НМС Intel E7500). Представители данной линейки стали основой нового поколения высокопроизводительных серверных систем.

Архитектура и параметры новых моделей НМС Intel, созданных для поддержки 32-разрядных процессоров архитектуры NetBurst и 64-разрядных процессоров семейства Intel Itanium, а также некоторые особенности эксплуатации серверных систем станут темой следующей части данного обзора.