Аппаратные средства персональных компьютеров

Astro – кодовое имя высокопроизводительных  процессоров со сверхнизким уровнем  энергопотребления. Рабочая частота  достигнет 1,4 ГГц при 0,5 Вт. В  основе 256-разрядная архитектура.

Compaq

Alpha EV68 – кодовое имя  высокопроизводительных процессоров  с архитектурой, отличной от традиционной х86. Техпроцесс 0,18 мкм. Базируется на ядре Alpha EV6. Более 15 млн. транзисторов. Модель 1 ГГц объявлена в 2001 г.

Alpha EV7 – кодовое имя  высокопроизводительных процессоров.  Техпроцесс 0,18 мкм с использованием  медных соединений. Базируется на  ядре Alpha EV6. Более 100 млн. транзисторов, напряжение питания ядра 1,5 В, мощность тепловыделения 100 Вт, частота 1,2-1,3 ГГц, до 1,75 Мбайт L2, корпус с 1439 контактами. Возможно использование интегрированного контроллера памяти. Выпуск моделей запланирован на 2002 г. В связи с покупкой фирмой Intel в 2001 г. подразделений, патентов и технологий, связанных с процессорами Alpha EVxx, процессоры Alpha EV7 или Alpha EV8, возможно, будут последними разработками этого направления.

Alpha EV8 – кодовое имя  высокопроизводительных процессоров  с архитектурой, отличной от традиционной х86. Техпроцесс 0,13 мкм с использованием SOI. Более 250 млн. транзисторов, суперскалярное ядро (до 8 инструкций за 1 такт), мощность тепловыделения – 150 Вт, частота от 1,4 ГГц, кэш L2 будет составлять ориентировочно 2 Мбайт, корпус с 1800 контактами. Выпуск моделей запланирован на 2004 г. Возможно, последняя разработка этого направления.

Alpha EV9 – кодовое имя  высокопроизводительных процессоров  с архитектурой, отличной от традиционной х86. Техпроцесс 0,10 мкм, 500 млн. транзисторов, частота 2-3 ГГц. Выпуск моделей был запланирован на 2006 г.

Alpha EV10 – кодовое имя  высокопроизводительных процессоров  с архитектурой, отличной от традиционной х86. Техпроцесс 0,07 мкм, 1,5 млрд транзисторов, частота 3-4 ГГц. Выпуск моделей был запланирован на 2008 г.

Оперативная память

Основная часть этого  материала посвящена Dynamic RAM (DRAM), применяемой  на сегодняшний день в подавляющей  части систем. По сравнению с SRAM (Static RAM), применяемой в кеше второго уровня, это - более дешевое решение, однако DRAM работает несколько медленнее из-за необходимости периодического обновления содержимого памяти во избежание потери информации. В настоящее время существуют следующие разновидности DRAM: Fast Page Mode (FPM) и Extended Data Out (EDO), отличающиеся способом доступа к данным и взаимодействием с центральным процессором. Более продвинутыми и технологичными являются Burst EDO (BEDO), Synchronous DRAM (SDRAM), Video RAM (VRAM), Window RAM (WRAM), Synchronous Graphics RAM (SGRAM) и RAMBUS RAM, SDRAM и DDR SDRAM.

В этот список не попали Static RAM (SRAM) и Read Only Memory (ROM). SRAM не нуждается  в периодическом обновлении содержимого  и применяется в кеше. ROM используется в основном для хранения BIOS, где  информация должна сохраняться и  при выключенном питании, что  и позволяет этот тип памяти. ROM включает в себя также PROM, EPROM, EEPROM и FLASH ROM. Память типа EEPROM и FLASH ROM используется в системах BIOS и может быть обновлена  при помощи утилит, поставляемых производителем.

Чипы памяти –  упаковка и особенности работы

Модули памяти DRAM выпускаются в виде: DIP (dual in-line package), SOJ (small outline J-lead) и TSOP (thin, small outline package). DIP - это микросхема с двумя рядами выводов по обе стороны чипа и впаиваемая этими контактами в небольшие отверстия в печатной плате. Изначально, модули DIP устанавливались непосредственно в материнскую плату. Однако, в настоящее время, они используются в первую очередь в кеше второго уровня в устаревших материнских платах и вставляются в панельки, припаянные к материнской плате. SOJ - это «тот же DIP, вид сбоку», потому что их выводы просто загнуты на концах, как буква «J». Чипы типа TSOP отличаются небольшой толщиной и имеющие контакты, выведенные во все стороны. SOJ и TSOP разработаны для установки на печатных платах. Однако некоторые производители видеокарт монтируют контактные площадки для установки модулей типа SOJ на свои изделия.

Производители наносят на каждую микросхему маркировку, включающую название производителя, конфигурацию чипа, скорость доступа и дату производства. Эта маркировка наносится не на поверхность, а внедрена в пластмассовый корпус чипа. Единственный способ удалить  эту маркировку - спилить ее шкуркой  или напильником. Далее на чип  наносится защитное покрытие, предающее  ему презентабельный вид. Кроме  того, некоторые производители наносят  на верхнюю часть микросхемы небольшую  рельефную точку для обозначения  первого вывода чипа и для идентификации  перемаркировок, выполненных кустарно.

Выпускаются чипы различной  емкости (измеряемой в Мегабитах - 1Мегабайт=8*1Мегабит), например 1 Мегабит (в этом контексте  обозначение Mb - это именно Мегабит), 4Mb, 16Mb, 64Mb, 128Mb, 256Mb, 512Mb и недавно появившиеся 1024Mb. Каждый чип содержит ячейки, в  которых может храниться от 1 до 16 бит данных. Например, 16Mb-чип может  быть сконфигурирован как 4Mbx4, 2Mbx8 или 1Mbx16, но в любом случае его общая  емкость 16Mb. Таким образом, первое число  маркировки у некоторых производителей указывает на общее количество ячеек  в чипе, а второе - на число бит  в ячейке. Число бит на ячейку также влияет на то, сколько бит  передается одновременно при обращении  к ней.

Ячейки в чипе расположены  подобно двумерному массиву, доступ к ним осуществляется указанием  номеров колонки и ряда. Каждая колонка содержит дополнительные схемы  для усиления сигнала, выбора и перезарядки. Во время операции чтения, каждый выбранный  бит посылается на соответствующий  усилитель, после чего он попадает в  линию ввода/вывода. Во время операции записи все происходит с точностью  до наоборот.

Так как ячейки DRAM быстро теряют данные, хранимые в них, они  должны регулярно обновляться. Это  называется refresh, а число рядов, обновляемых  за один цикл - refresh rate (частота регенерации). Чаще всего используются refresh rates равные 2K и 4K. Чипы, имеющие частоту регенерации 2К, могут обновлять большее количество ячеек за один раз, чем 4К и завершать процесс регенерации быстрее. Поэтому чипы с частотой регенерации 2К потребляют меньшую мощность. При выполнении операции чтения, регенерация выполняется автоматически, полученные на усилителе сигнала данные тут же записываются обратно. Этот алгоритм позволяет уменьшить число требуемых регенераций и увеличить быстродействие.

Несколько управляющих линий  используется для указания, когда  осуществляется доступ к ряду и колонке, к какому адресу осуществляется доступ и когда данные должны быть посланы  или получены. Эти линии называются RAS и CAS (Row Address Select - указатель адреса ряда и Column Address Select - указатель адреса колонки), адресный буфер и DOUT/DIN (Data Out и Data In). Линии RAS и CAS указывают, когда  осуществляется доступ к ряду или  колонке. Адресный буфер содержит адрес  необходимого ряда/колонки, к которым  осуществляется доступ и линии DOUT/DIN указывают направление передачи данных.

Скорость работы чипа асинхронной  памяти измеряется в наносекундах (ns). Эта скорость указывает, насколько  быстро данные становятся доступными с момента получения сигнала  от RAS. Сейчас основные скорости микросхем, присутствующих на рынке - 70, 60, 50 и 45ns. Синхронная память (SDRAM) использует внешнюю частоту  материнской платы для циклов ожидания, и поэтому ее скорость измеряется в MHz, а не в наносекундах.

SDRAM (Synchronous DRAM) - наиболее  перспективный из представленных  на рынке типов памяти. Все  операции в SDRAM синхронизированы  с внешней частотой системы.  Это позволяет отказаться от  необходимости использования аналоговых  сигналов RAS и CAS, требуемых для асинхронной DRAM, что увеличивает производительность. SDRAM позволяет использование частоты шины до 133MHz и выше. Это очень важно для общей производительности системы, так как частота шины ввода/вывода - узкое место для большинства компьютеров, ограничивающее функции современных систем.

Печатные платы  для модулей памяти

Современные печатные платы  состоят из нескольких слоев. Сигналы, питание и масса разведены  по разным слоям для защиты и разделения. Стандартные печатные платы имеют  четыре слоя, однако отдельные производители  плат памяти (например, NEC, Samsung, Century, Unigen и Micron) используют шестислойные печатные платы. Пока идут споры, действительно  ли это лучше, теория говорит, что  два дополнительных слоя улучшает разделение линий данных, уменьшает возможность  возникновения шумов и перетекания  сигнала между линиями.

Следует обратить внимание на разводку и материал из которого изготовлена печатная плата. Например, обычная четырехслойная плата сделана с двумя сигнальными слоями с внешних сторон, питанием и массой - внутри. Это обеспечивает легкий доступ к сигнальным линиям, например, при ремонте. К сожалению, такая архитектура плохо защищена от шумов, возникающих снаружи и внутри. Лучшая конфигурация - расположение сигнальных слоев между слоями массы и питания, что позволяет защититься от внешних шумов и предотвратить внутренние шумы от смежных модулей.

Модули памяти

Многие думают, что модули памяти, которые они приобретают, произведены такими производителями  полупроводников как Texas Instruments, Micron, NEC, Samsung, Toshiba, Motorola и т.д., чья маркировка стоит на чипах. Иногда это так, но существует множество производителей модулей памяти, которые сами чипов  не производят. Вместо этого они  приобретают компоненты для производства модулей памяти либо у производителей, либо у посредников. Случается, такие  сборщики приклеивают наклейки на готовые  модули для своей идентификации. Хотя нередко можно встретить  модули вообще без опознавательных  знаков, они сделаны третьими производителями.

Крупные производители модулей  памяти имеют контракты с производителями  чипов для получения высококачественных микросхем класса А. Обычно имя производителя  микросхемы остается, однако некоторые  производители модулей памяти имеют  специальные договоренности, по которым  производители микросхем наносят  их маркировку вместо своей. Это - фабричная перемаркировка, никак не сказывающаяся на качестве чипа.

Модули памяти могут быть выполнены в виде SIPP (Single In-line Pin Package), SIMM (Single In-line Memory Module), DIMM (Dual In-line Memory Module) или SO DIMM (Small Outline DIMM). Наиболее употребительны сегодня модули DIMM. SO DIMM чаще используется в ноутбуках. Выводы (контакты) модулей  памяти могут быть позолочены или  с оловянным покрытием в зависимости  от материала, из которого выполнен слот для памяти. Для лучшей совместимости  следует стремиться использовать модули памяти и слоты с покрытием  из одинакового материала.

Модули DIMM подразделяются по напряжению питания и алгоритму  работы. Стандартными для PC является небуферизированные модули с напряжением питания 3.3 вольта и менее, поэтому другие на рынке практически отсутствуют.

Число чипов на модуле определяется как размером микросхем памяти, так  и емкостью всего модуля. Например, требуется 32Mb для модуля емкостью 4 Мегабайта (8 бит - байт, поэтому число  мегабит необходимо разделить на 8). Таким образом, 256-мегабайтный  модуль может содержать либо восемь 256Mb чипов, либо четыре 512Mb. В связи  с тем, что появляются новые чипы большей емкости, становятся доступными и модули памяти большей емкости, которые позволяют увеличивать  общий объем оперативной памяти системы.

Установка большого количества чипов на один модуль может привести к его перегреву и выходу из строя всего модуля.

DIMM - это не более, чем форм-фактор, и сам по себе вопрос, лучше они или хуже, чем SIMM, некорректен. Единственное заведомое достоинство 168-пинового модуля DIMM - это то, что в пентиумную плату их можно устанавливать по одному, в то время как модули SIMM ставятся парами. Очевидно, что это достоинство крайне несущественно. Однако для, скажем, EDO DIMM оно фактически единственное. Другое дело, что все практически все производимые в настоящее время модули DIMM оснащены памятью типа SDRAM.

Скорость памяти

SDRAM

Synchronous (синхронная) DRAM синхронизирована с системным таймером, управляющим центральным процессором. Часы, управляющие микропроцессором, также управляют работой SDRAM, уменьшая временные задержки в процессе циклов ожидания и ускоряя поиск данных. Эта синхронизация позволяет также контроллеру памяти точно знать время готовности данных. Таким образом, скорость доступа увеличивается благодаря тому, что данные доступны во время каждого такта таймера, в то время как у EDO RAM данные бывают доступны один раз за два такта, а у FPM - один раз за три такта. Технология SDRAM позволяет использовать множественные банки памяти, функционирующие одновременно, дополнительно к адресации целыми блоками. Но время SDRAM уже ушло.

RDRAM

RDRAM - многофункциональный  протокол обмена данными между  микросхемами, позволяющий передачу  данных по упрощенной шине, работающей  на высокой частоте. RDRAM представляет  собой интегрированную на системном  уровне технологию. Ключевыми элементами RDRAM являются:

· модули DRAM, базирующиеся на Rambus;

· ячейки Rambus ASIC (RACs);

· схема соединения чипов, называемая Rambus Channel.

RamBus, впервые использованный в графических рабочих станциях в 1995 году, уже практически вытеснен DDR вследствие высокой себестоимости.

DDR SDRAM

Synchronous DRAM II, или DDR (Double Data Rate - удвоенная скорость передачи  данных) - следующее поколение существующей SDRAM. Уже давно, еще со времен 486 процессоров, отставание скорости системной шины PC от скорости убыстряющихся CPU все более увеличивалось. Именно тогда Intel впервые отказался от частоты процессоров, синхронной с частотой системной шины, и применил технологию умножения частоты FSB. Этот факт отразился даже в названии - 486DX2. Хотя частота системной шины осталась той же, несмотря на название, производительность процессора выросла почти вдвое.

В дальнейшем разброд в  тактовой частоте различных системных  компонентов только увеличивался: в  то время, как частота системной шины выросла сначала до 66 МГц, а затем и до 100, шина PCI осталась все на тех же давних 33 МГц, для AGP стандартной является 66 МГц и т.д. Шина памяти же до самого последнего времени оставалась синхронной с системной шиной (название обязывает - Synchronous DRAM, SDRAM). - Так появились спецификации PC66, затем PC100, потом, с несколько большими организационными усилиями, PC133 SDRAM.

Однако за то время, за которое  частота шины памяти увеличилась  на треть и, соответственно, на столько же возросла ее пропускная способность (с 800 Мбайт/с до 1,064 Мбайт/с), частота процессоров увеличилась в два с половиной раза - с 400 МГц до 1 ГГц. Наблюдается некоторый дисбаланс, не так ли? Пропускная способность PC133 SDRAM составляет лишь 1,064 Мбайт/с, тогда как сегодняшним PC требуется по крайней мере: 1 Гбайт/с для процессора с частотой системной шины 133 МГц, столько же - для графической шины AGP 4X, 132 Мбайт/с для 33 МГц шины PCI. То есть, около 2.1 Гбайт/с - как и говорилось только что, дисбаланс более чем в два раза.

Однако дальнейшее увеличение частоты SDRAM при современном техническом  уровне оснащения ее производителей невозможно: уже 166 МГц SDRAM получается слишком  дорогой, особенно с учетом сегодняшних  объемов оперативной памяти в PC. В то же время отказываться от синхронизации  шины памяти с системной шиной  по ряду причин не хотелось бы.

Технологии, пытающиеся залатать SDRAM путем добавления кэша SRAM, вроде ESDRAM, или же путем оптимизации  ее работы, вроде VCM SDRAM, не помогли. На выручку  пришла популярная в последнее время  в компонентах PC технология передачи данных одновременно по двум фронтам  сигнала, когда за один такт передаются сразу два пакета данных. В случае с используемой сегодня 64-бит шиной - это два 8-байтных пакета, 16 байт за такт. Или, в случае с той же 133 МГц шиной, уже не 1,064, а 2,128 Мбайт/с. Те самые 2.1 Гбайт/с, что и требуются для сегодняшних PC.