50032 (Интегрированые чипсеты H55 и H57)

Введение

В данной курсовой работе я буду рассматривать "Интегрированные" чипсеты Intel H55 и H57. В самом начале января 2010-го компания Intel практически завершила славную эпоху процессоров, основанных на микроархитектуре Core. Теперь, по иронии судьбы, на Core будут (еще какое-то время) выпускаться только ультрабюджетные модели под торговой маркой Celeron для Socket 775. Как вы уже знаете из представления процессоров на ядре Clarkdale, обновленная платформа подразумевает включение новых чипсетов — H55 и H57 — в число возможных вариантов применения. Однако нельзя сказать, что использование новых чипсетов — условие непременное или позволяющее раскрыть потенциал новых процессоров полностью: где-то потенциал раскроется полнее, а где-то и прикроется вовсе. Что ж, давайте познакомимся с первыми "интегрированными" чипсетами под Nehalem (точнее, Clarkdale).

1. История создания фирмы INTEL

Началось все с того, что в 1955 году изобретатель транзистора Уильям Шокли открыл собственную фирму ShockleySemiconductorLabs в Пало-Альто (что, кроме всего прочего, послужило началом создания Кремниевой долины), куда набрал довольно много молодых исследователей. В 1959 году по ряду причин от него ушла группа в восемь инженеров, которых не устраивала работа "на дядю" и они хотели попробовать реализовать собственные идеи. "Восьмерка предателей", как их называл Шокли, среди которых были в том числе Мур с Нойсом, основала фирму FairchildSemiconductor.

Боб Нойс занял в новой компании должность директора по исследованиям и разработкам. Позднее он утверждал, что придумал микросхему из лени – довольно бессмысленно выглядело, когда в процессе изготовления микромодулей пластины кремния сначала разрезались на отдельные транзисторы, а затем опять соединялись друг с другом в общую схему. Процесс был крайне трудоемким – все соединения паялись вручную под микроскопом! – и дорогим. К тому моменту сотрудником Fairchild, тоже одним из сооснователей – Джином Герни (JeanHoerni) уже была разработана т.н. планарная технология производства транзисторов, в которой все рабочие области находятся в одной плоскости. Нойс предложил изолировать отдельные транзисторы в кристалле друг от друга обратносмещенными p-n переходами, а поверхность покрывать изолирующим окислом, и выполнять межсоединения с помощью напыления полосок из алюминия. Контакт с отдельными элементами осуществлялся через окна в этом окисле, которые вытравливались по специальному шаблону плавиковой кислотой.

Причем, как он выяснил, алюминий отлично приставал как к кремнию, так и к его окислу (именно проблема адсорбции материала проводника к кремнию до последнего времени не позволяла использовать медь вместо алюминия, несмотря на ее более высокую электропроводность). Такая планарная технология в несколько модернизированном виде сохранилась до наших дней. Для тестирования первых микросхем использовался единственный прибор – осциллограф.

Между тем выяснилось, что Нойса в благородном деле создания первой микросхемы опередили. Еще летом 1958-го сотрудник TexasInstruments Джек Килби продемонстрировал возможности изготовления всех дискретных элементов, включая резисторы и даже конденсаторы, на кремнии.

Планарной технологии в его распоряжении не было, поэтому он использовал так называемые меза-транзисторы. В августе он собрал работающий макет триггера, в котором отдельные изготовленные им собственноручно элементы соединялись золотыми проволочками, а 12 сентября 1958 г. предъявил работающую микросхему – мультивибратор с рабочей частотой 1,3 МГц. В 1960 году эти достижения демонстрировались на публике – на выставке американского Института радиоинженеров. Пресса очень холодно встретила открытие. В числе прочих отрицательных особенностей "integratedcircuit" называлась неремонтопригодность. Хотя Килби подал заявку на патент еще в феврале 1959, а Fairchild сделала это только в июле того же года, последней патент выдали раньше – в апреле 1961 г., а Килби – только в июне 1964 г. Потом была десятилетняя война о приоритетах, в результате которой, как говорится победила дружба. В конечном счете, Апелляционный Суд подтвердил претензии Нойса на первенство в технологии, но постановил считать Килби создателем первой работающей микросхемы. В 2000 Килби получил за это изобретение Нобелевскую премию (среди двух других лауреатов был академик Алферов).

Роберт Нойс и Гордон Мур ушли из компании FairchildSemiconductor и основали свою фирму, а вскоре к ним присоединилсяЭндиГроув. Тот же финансист, который ранее помог создать Fairchild, предоставил $2.5 млн, хотя бизнес-план на одной страничке, собственноручно отпечатанный на пишущей машинке Робертом Нойсом, выглядел не слишком впечатляюще: куча опечаток, плюс заявления весьма общего характера.

Выбор имени оказался нелегким делом. Предлагались десятки вариантов, но все они были отброшены. Кстати, вам ничего не говорят названия CalComp или CompTek? А ведь они могли бы принадлежать не тем популярным фирмам, которые носят их сейчас, а крупнейшему производителю процессоров — в свое время их отвергли среди прочих вариантов. В итоге было решено назвать компанию Intel, от слов "интегрированная электроника". Правда, сначала пришлось выкупить это название у группы мотелей, зарегистрировавшей его ранее.

Итак, в 1969 году Intel начинала работу с микросхем памяти и добилась некоторого успеха, но явно недостаточного для славы. В первый год существования доход составил всего $2672.

Сегодня Intel производит чипы в расчете на рыночные продажи, но в первые годы своего становления компания нередко делала микросхемы на заказ. В апреле 1969 года в Intel обратились представители японской фирмы Busicom, занимающейся выпуском калькуляторов. Японцы прослышали, что у Intel самая передовая технология производства микросхем. Для своего нового настольного калькулятора Busicom хотела заказать 12 микросхем различного назначения. Проблема, однако, заключалась в том, что ресурсы Intel в тот момент не позволяли выполнить такой заказ. Методика разработки микросхем сегодня не сильно отличается от той, что была в конце 60-х годов XX века, правда, инструментарий отличается весьма заметно.

В те давние-давние годы такие весьма трудоемкие операции, как проектирование и тестирование, выполнялись вручную. Проектировщики вычерчивали черновые варианты на миллиметровке, а чертежники переносили их на специальную вощеную бумагу (восковку). Прототип маски изготовляли путем ручного нанесения линий на огромные листы лавсановой пленки. Никаких компьютерных систем обсчета схемы и ее узлов еще не существовало. Проверка правильности производилась путем "прохода" по всем линиям зеленым или желтым фломастером. Сама маска изготавливалась путем переноса чертежа с лавсановой пленки на так называемыйрубилит - огромные двухслойные листы рубинового цвета. Гравировка на рубилите также осуществлялась вручную. Затем несколько дней приходилось перепроверять точность гравировки. В том случае, если необходимо было убрать или добавить какие-то транзисторы, это делалось опять-таки вручную, с использованием скальпеля. Только после тщательной проверки лист рубилита передавался изготовителю маски. Малейшая ошибка на любом этапе - и все приходилось начинать сначала. Например, первый тестовый экземпляр "изделия 3101" получился 63-разрядным.

Словом, 12 новых микросхем Intel физически не могла потянуть. Но Мур и Нойс были не только замечательными инженерами, но и предпринимателями, в связи с чем им сильно не хотелось терять выгодный заказ. И тут одному из сотрудников Intel, Теду Хоффу (TedHoff), пришло в голову, что, раз компания не имеет возможности спроектировать 12 микросхем, нужно сделать всего одну универсальную микросхему, которая по своим функциональным возможностям заменит их все. Иначе говоря, Тед Хофф сформулировал идею микропроцессора - первого в мире. В июле 1969 года была создана группа по разработке, и работа началась. В сентябре к группе присоединился также перешедший из FairchildСтэнМазор (StanMazor). Контролером от заказчика в группу вошел японец Масатоси Сима (MasatoshiShima). Чтобы полностью обеспечить работу калькулятора, необходимо было изготовить не одну, а четыре микросхемы. Таким образом, вместо 12 чипов требовалось разработать только четыре, но один из них - универсальный. Изготовлением микросхем такой сложности до этого никто не занимался.

Что такое чипсет (chipset)

Чипсет ( Chipset ) – основа системной платы, - это набор микросхем системной логики. Посредством чипсета происходит взаимодействие всех подсистем ПК. Чипсеты обладают высокой степенью интеграции, и представляют собой (чаще всего) две микросхемы (реже встречаются однокристальные решения), в которых реализованы интегрированные контроллеры, обеспечивающие работу и взаимодействие основных подсистем компьютера.

Практически у всех современных чипсетов, набор системной логики состоит двух микросхем северного и южного мостов. Название микросхем обусловлено их положением относительно шины PSI: северный - выше, южный - ниже.

Микросхема северного моста обеспечивает работу с наиболее скоростными подсистемами.

Он содержит: контроллер системной шины, посредством которого происходит взаимодействие с процессором; контроллер памяти, осуществляющий работу с системной памятью контроллер графической шины AGP (Accelerated Graphics Port), обеспечивающий взаимодействие с графической подсистемой (сегодня большинство чипсетов поддерживают интерфейсы 1х/2х/4х, скоро в перспективе 8-я скорость AGP); контроллер шины связи с южным мостом (PCI – шины в классическомпонимании).

Задача северного моста - с минимальными задержками организовать обслуживание запросов к системной памяти. Решения этой задачи основаны на реализации контроллера памяти, позволяющего одновременно обрабатывать большое количество запросов и данных, расставляя приоритеты и очерёдность доступа к основной памяти. Для более эффективного использования шины памяти применяется буферизация данных, обеспечивающая одновременную работу с памятью нескольких устройств в режиме разделения времени доступа.

Как уже упоминалось ранее, классическая реализация двух мостовой архитектуры подразумевает использование шины PCI в качестве канала связи между мостами. Но 32-битная PCI-шина, работающая на частоте 33МГц, имеет пиковую пропускную способность 133Мb/c, что недостаточно для обеспечения потребностей современных периферийных устройств. Поэтому большинство производителей для связи микросхем чипсета используют другие интерфейсы, что в свою очередь, позволило вывести контроллер PCI- шины из северного моста в южный. Пионером в этой области стала хаб-архитектура (Intel 800-серии чипсетов). Суть её сводится к переходу на соединение мостов по схеме "точка-точка". При этом была использована специальная 8-битная шина, обеспечивающая полосу пропускания 266МЬ/с. Контроллер этой шины, использующий фирменные технологии, оптимизирует работу с запросами от периферийных устройств к основной памяти. Всё это делает работу хабов (северный и южный мосты) более независимыми и снимает ограничения, которые налагают использование PCI-шины в качестве связующего звена. Подобные технологии реализованы в чипсетах компании VIA (V-Link Hub-архитектура), и в двухпроцессорных решениях компании SiS (MnTIOL-шина).

Южный мост обеспечивает работу с более медленными компонентами системы и периферийными устройствами. Для южного моста стало стандартом наличие следующих контроллеров и устройств:

1. Двухканальный (Primary Secondary) IDE-контроллер, обеспечивающий работу с внутренними (то есть расположенными внутри корпуса ПК) накопителями, в частности с винчестерами и оптическими дисководами (CD-ROM, DVD-ROM, CD-R/RW и т.д.), оснащенными соответствующим интерфейсом.

2. USB-контроллер (один и более), обеспечивающий работу с устройствами, подключаемыми к универсальной последовательной шине (USB), USB должен заменить устаревшие внешние интерфейсы, такие как последовательный RS-232 (COM-порт) и параллельный IEEE-1284 (LPT-порт). Недостатки старых решений: невысокая пропускная способность, невозможность горячей замены и подключение по цепочке нескольких устройств к одному и тому же порту, а также малая длина интерфейсного кабеля.

3. Контроллер шины LPC (Low Pin Count Interface), который пришел на смену устаревшей ISA. Шина LPC имеет 4-битный интерфейс, соединённый с чипом ввода-вывода (Super I/O chip), который поддерживает работу внешних портов (последовательный COM и параллельный LPT, PS/2 и инфракрасного), а так же контроллер флоппи-дисковода.

Большинство современных чипсетов реализуют в своём южном мосте аудиоконтроллер АС’97 (Audio Codec). Спецификация АС’97 подразумевает разделение процессов обработки цифрового и аналогового, каждый из которых выполняется отдельной микросхемой, при этом определяется и интерфейс для их взаимодействия AC-Link. Таким образом в южном мосте осуществляется обработка звукового сигнала в цифровом виде – иными словами в нём реализована цифровая часть (Digital AC’97 Controller). Для реализации всех возможностей предоставляемых спецификацией AC’97, в микросхему южного моста интегрирован контроллер AMP. На поддерживаемых им AMP-картах (Audio/Modem Riser Card) располагаются аналоговые цепи аудиокодека AC’97 и/или модемного кодека MC’97 (Modem Codec). Использование двухкристальных чипсетов позволяет использовать различные комбинации северных и южных мостов, при условии что они поддерживают один и тот же интерфейс. Это даёт возможность создавать наиболее производительные системы с минимальными затратами и в кратчайшее время, поскольку для внедрения последних спецификаций достаточно модернизировать лишь одну микросхему системной логики, а не чипсет в целом.

Intel H55 и H57 Express

Почему чипсеты названы "интегрированными" очевидно, уже хорошо известно: обычно так называют решения со встроенным видео, но теперь графический процессор покинул чипсет и переместился в процессор центральный тем же путем, что и контроллер памяти (в Bloomfield) и контроллер PCI Express для графики (в Lynnfield) ранее. В соответствии с этим слегка изменилась номенклатура продукции Intel: на смену прежней литере G пришла H. H55 и H57 действительно очень близки по функциональности, и H57 из этой пары, безусловно, старший. Однако если сравнить возможности новинок с одиноким доселе чипсетом под процессоры сокета Socket 1156 — P55, выяснится, что максимально похож на него именно H57, имея всего два отличия, как раз и обусловленных реализацией видеосистемы. H55 же — младший PCH в семействе, с урезанной функциональностью.