[img hspace=\'5\' width=\'150\' src=\"http://www.retecivica.novi-ligure.al.it/scuole/smboccardo/ircn/archivio/eventi/ted2003/8.jpg\" align=\'left[/img]Spesso nell’immaginario comune si tende a identificare un computer unicamente con il suo processore, sottovalutando così il ruolo primario ricoperto dalla scheda madre e più in particolare dal suo chipset. Quest’ultimo è il punto centrale per tutti i trasferimenti di dati e agisce da collante tra il processore e tutti i componenti del Pc. Per questo, vista la criticità del ruolo, l’efficienza della scheda madre condiziona pesantemente tanto la stabilità quanto le prestazioni dell’intera piattaforma. Il chipset si può a sua volta suddividere essenzialmente in due componenti: il
Northbridge e il
Southbridge, dove il termine bridge (ponte) si riferisce alla funzione di connettere tra loro bus differenti. Il Northbridge lega tra loro processore, memoria, motore grafico e Southbridge, mentre quest’ultimo ha in gestione le periferiche Pci, i canali Ata, il controller Usb e le altre eventuali periferiche di I/O integrate (come audio, controller di rete modem ecc.). Il fatto che due differenti chip ricoprano ruoli diversi all’interno del chipset è il principale motivo per cui i progettisti mostrano resistenze a integrare tutto in un unico componente. Poiché gli standard delle interfacce mutano rapidamente (per un aggiornamento delle stesse o per l’introduzione di nuove) i costruttori di schede madri possono mantenere invariati alcuni Northbridge e provvedere all’aggiornamento dei soli Southbridge. Il rovescio della medaglia è nel collegamento che unisce i due componenti, che può trasformarsi in collo di bottiglia per l’intero sistema.
Inizialmente Northbridge e Southbridge erano collegati tramite il bus Pci, che, con la scomparsa progressiva dell’Isa, ha successivamente preso in carico tutte le periferiche. Questa connessione, con bus a 32 bit e frequenza di 33 MHz, supporta una banda passante di 133 MByte/s che deve però essere condivisa da tutte le unità che sono agganciate al bus. L’utilizzo del Pci come collegamento tra Northbridge e Southbridge si è rilevato presto insufficiente e tutti i produttori hanno sviluppato soluzioni con bus non-condiviso.
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I[/size]ntel è stata la prima, con la famiglia 800, a introdurre una nuovo tipo di connessione (denominata
Hub Link) con bus di soli 8 bit e frequenza di funzionamento a 133 MHz in modalità doppio fronte (266 MHz equivalenti) per una ampiezza di banda riservata di 266 MByte/s. Per il resto i chipset Intel mantengono un’architettura tradizionale, anche se la casa di Santa Clara ha preferito coniare il termine di” architettura a hub”, con il
Gmch/Mch (Graphics e Memory Controller Hub) che riveste il ruolo di Northbridge e l’
Ich (I/O Con troller Hub) quello di Southbridge.
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A[/size]nche la taiwanese VIA ha progettato una soluzione proprietaria, denominata
V-Link, per la connessione tra il Northbridge e il Southbridge dei suoi diversi chipset. Il suo bus è a 8 bit come quello Intel, mentre la frequenza di lavoro è di 66 MHz in modalità Qdr (Quad Data Rate) per una ampiezza di banda di 266 MByte/s. L’originario V-Link, che ha equipaggiato i chipset VIA precedenti al KT333 (incluso) è stato sostituito dal nuovo V-Link denominato dalla casa taiwanese, forse con poca chiarezza,
V-Link 8X. Il bus e la modalità Qdr sono rimaste invariate mentre è raddoppiata la frequenza di lavoro (533 MHz effettivi) che ha portato l’ampiezza di banda a 533 MByte/s.
Molto simile al V-Link è la soluzione SiS
MuTIOL (Multi-Threaded I/O Link): anche in questo caso il progetto originario prevede una frequenza di lavoro a 66 MHz Qdr ma, grazie a un bus bidirezionale a 16 bit, l’ampiezza di banda è di 533 MByte/s. Segnaliamo infine che anche SiS, come VIA, ha recentemente raddoppiato la frequenza portandola a 133 MHz Qdr con banda effettiva di 1,06 GByte/s.
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S[/size]e le soluzioni viste finora sono semplici modifiche delle specifiche Pci, molto più innovativa è la connessione di AMD denominata
Hypertransport (precedentemente nota anche come Ldt o Lightning Data Transfer) e per ora sfruttata da Nvidia, oltre che nella console Xbox di Microsoft, anche nei chipset nForce e nForce2. Ogni connessione HyperTransport è costituita da due link unidirezionali, che possono avere un’ampiezza che spazia dai 2 ai 32 bit con frequenza di lavoio fino a 1,6 GHz. La soluzione sfruttata da Nvidia prevede un bus a 8 bit per canale con frequenza equivalente di 400 MHz. L’ampiezza di banda complessiva, considerando il doppio canale, è in questo caso di 800 MByte/s, mentre il limite teorico di questa architettura è di 12,8 GByte/s. Visto che tra i membri del consorzio Hypertransport figurano anche VIA e SiS è teoricamente possibile che questa connessione, destinata a essere il futuro standard per tutte le piattaforme AMD, sia utilizzata anche per sistemi a processore Intel.
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L’interfaccia Agp, nata come alternativa al bus Pci, doveva permettere al controller grafico di utilizzare la memoria di sistema per immagazzinare le informazioni relative alle texture. In realtà lo sviluppo dei chip grafici ha imposto la realizzazione di un sistema di memoria estremamente veloce integrato direttamente sul Pcb della scheda grafica. Originariamente l’Agp aveva un’architettura simile a quella Pci con bus a 32 bit, ma grazie al suo funzionamento a 66 MHz disponeva di un’ampiezza di banda di 266 MByte/s. Successivamente lo standard si è evoluto in Agp 2X (con trasferimento di due dati per ciclo di clock), Agp 4X (quattro dati per clock) fino ad arrivare all’attuale Agp 8X che, grazie al canale a 32 bit e agli otto dati trasferiti per ciclo di clock, ha raggiunto una ampiezza di banda di 2,1 GByte/s. La tecnologia Agp 8X è stata progettata per essere l’ultima versione dell’interfaccia parallela prima di passare nel 2004 a una soluzione grafica seriale basata su PCI Express.
Rilasciate nel settembre 2002, le specifiche Agp 3.0 (di cui fa parte la tecnologia Agp 8X), sono state velocemente implementate tanto dai produttori di chipset quanto da quelli di schede grafiche. I moderni motori grafici sono progettati per immagazzinare i dati relativi alle texture nel trame buffer della scheda grafica, che dispone di memoria molto più veloce ed efficiente dell’abbinamento tra Agp e memoria di sistema. Ricordiamo, come esempio, che il chip ATI Radeon 9700 Pro, utilizzando una connessione a 256 bit verso la sua memoria Ddr, funzionante a 310 MHz (frequenza equivalente 620 MHz), può contare su una banda passante di quasi 20 GByte/s. E con una memoria dedicata di 128 MByte ormai standard sulle schede grafiche di fascia media, sono davvero pochi i giochi 3D che devono ricorrere alla memoria di sistema per esaurimento di quella locale. Visto che sia il Radeon 9700 che il GeForce FX possono indirizzare fino a 256 MByte di memoria le future schede grafiche ad alte prestazioni preferiranno beneficiare di questa possibilità prima di sfruttare a fondo l’Agp 8X. A questo si può aggiungere che, all’aumentare della complessità della geometria, il collo di bottiglia potrebbe comunque spostarsi al processore, che deve calcolare tutti gli effetti fisici e di collisione. Se con il tempo questa situazione potrebbe mutare, con tutta probabilità il PCI Express, che incrementerà la banda passante tra Gpu e chipset fino a 5 GByte/s, arriverà prima che l’Agp 8X costituisca, rispetto all’Agp 4X, un differenziale percettibile nelle prestazioni 3D.
Alla luce di ciò il consiglio, nel campo consumer, è quello di non mettere tra le priorità di scelta di una scheda madre o di una scheda grafica la presenza o meno dell’Agp 8X. Il discorso cambia nel campo professionale dove l’Agp 8X può effettivamente migliorare le prestazioni grafiche delle workstation nelle applicazioni 3D intensive (come il rendering volumetrico). Segnalo infine, sempre per il campo professionale, che le specifiche Agp 3.0 prevedono l’integrazione, sulla stessa scheda madre, di più di una scheda grafica Agp, fattore che favorirà le soluzioni multi-monitor evolute.
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In vetta alla gerarchia della memoria troviamo la cache, piccola quantità di memoria ad altissima velocità utilizzata da processore per mantenere immediatamente disponibili le informazioni a cui accede più frequentemente. Se le informazioni richieste si trovano nella cache (cache hit), allora la Cpu le caricherà da lì. Differentemente dovrà andare a reperire le informazioni esternamente (Cache miss), a volte leggendo in un livello successivo della memoria cache o leggendo dalla memoria di sistema, fattore che introduce però tempi di latenza. Per questo, a dispetto delle sue dimensioni ridotte, la memoria cache influenza in maniera sensibile le prestazioni e poterne integrare un quantitativo maggiore garantisce spesso un notevole incremento nelle prestazioni.
Questa strada è stata in tempi recenti seguita da Intel per migliorare le prestazioni del Pentium 4: se confrontiamo, a parità di frequenza, il core Willamette (con 256 KByte di cache L2) con quello Northwood (con 512 KByte di cache L2) lo scotto pagato in termini di prestazioni è notevole. Identica la linea d’azione di AMD che raddoppia la memoria cache di secondo livello (portandola a 512 KByte) in quello che presumibilmente sarà l’ultimo processore K7 della casa di Sunnyvale: Barton.
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Proseguendo nella gerarchia della memoria abbiamo, scendendo di un livello dalla cache, la memoria di sistema, collegata al processore attraverso il Northbridge. In questo caso i parametri su cui si può operare per incrementare le prestazioni sono molteplici: incrementare la frequenza del Front Side Bus (bus che collega il processore al Northbridge), ottimizzare l’architettura del controller della memoria, aumentare la frequenza di lavoro delle memorie e diminuire i loro tempi di latenza. Rispetto alla memoria cache l’incremento di prestazioni è maggiormente legato al modello di utilizzo: sono infatti i flussi multimediali a giovarsi maggiormente dell’ampiezza di banda. A conferma di ciò prendiamo anche in questo caso come campione il Pentium 4 (la sua evoluzione è davvero un ottimo modello didattico) a frequenza di 2,4 GHz nelle due diverse versioni con Fsb a 400 MHz e a 533 MHz. Confrontando i risultati ottenuti nei benchmark riscontriamo che nei test di tipo office (Business Winstone) i due processori si differenziano di un 3,5%. Molto più significativo lo scarto con il Content Creation Winstone, test per la creazione di contenuti multimediali, che si attesta su un 10,4%.
Inoltre, in linea teorica, per ottimizzare le prestazioni la capacità della banda dati da e verso il processore dovrebbe corrispondere a quella della banda dati da e verso la memoria. L’iniziale vantaggio prestazionale delle architetture con tecnologia Rambus risiedeva appunto nella possibilità di funzionamento con un doppio canale di memoria. Grazie al Fsb a 400 MHz del Pentium 4 i dati disponevano di un’ampiezza di banda costante (di 3,2 GByte/s) tra processore e memoria. Anche se la memoria Rdram sta attraversando una difficile fase di flessione, l’architettura con doppio canale di memoria Ddr2 diventerà il futuro standard sulle piattaforme desktop di fascia alta. Attualmente la famiglia di chipset dotata del supporto al doppio canale Ddr è l’nForce2 di Nvidia, VIA con il KT400A, che aggiunge al KT400 il supporto ufficiale alla Ddr 400 e quello per il doppio canale di memoria ed altri.
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All’inizio, in mancanza di un chipset per piattaforme Pentium 4, diversi produttori hanno integrato, nelle loro schede di fascia alta, l’Intel E7205, conosciuto con il suo nome in codice Granite Bay. Anche in questo caso la banda, per offrire maggiori prestazioni, è sincrona e, grazie al Fsb a 533 MHz e al doppio canale Ddr 266, ha una ampiezza di 4,2 GByte/s. In questo caso si trattava di una soluzione di ripiego: l’E7205 è stato infatti progettato dalla casa di Santa Clara non per i sistemi desktop, ma per le workstation professionali, segmentò in cui costituisce l’alternativa monoprocessore (Pentium 4 o Xeon) al1’E7505 (Placer) dotato invece di supporto per sistemi dual processor.
In campo informatico fare previsioni, anche a corto raggio, è arduo e i fattori che possono entrare in gioco e mescolare di colpo le carte sono molti. Nell’ottobre 2002, nel corso del VIA Technology Forum, alcuni tra i maggiori produttori di memorie avvertivano che la Ddr 400 sarebbe nata solo come transizione verso la Ddr2 e destinata a una nicchia di mercato. Solo tre mesi dopo, nel dicembre 2002, Nanya (trai primi insieme a Samsung e ProMOS a introdurre le Ddr 400) dichiarava che entro marzo 2003 il 50% della sua produzione sarebbe stato costituito proprio da Ddr 400. Questo repentino cambio di orientamento del mercato è stato causato da Intel, che il 15 novembre scorso ha reso note le specifiche dei suoi prossimi chipset. A differenza da quanto precedentemente trapelato le famiglie i865 (Springdale) e i875 (Canterwood), supportano la Ddr 400 sia nella versione a singolo sia in quella a doppio canale. Per questo i produttori di memoria, prima frenati dalla scarsità di chipset e dalla mancata di ufficializzazione da parte del Jedec dello standard Ddr 400, hanno dato il via libera alle linee produttive. Le prove condotte con le schede madri VIA KT400 e Nvidia nForce 2 hanno mostrato un’alta sensibilità verso le differenti marche di moduli di Ddr 400 impiegati. Per questo, in mancanza di un negoziante particolarmente disponibile che vi faccia testare i diversi moduli a catalogo, vi consigliamo molto cautela nell’abbinamento tra Ddr 400 e VIA KT400 o Nvidia nForce2.
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L’ultimo gradino, nella gerarchia della memoria, sono le unità disco, sicuramente le più capaci in termini di byte, ma di un ordine di grandezza più lente. L’Ata, che sopravvive dal 1989 (anno della sua prima introduzione) è sicuramente il componente che meno è stato in grado di seguire l’evoluzione del resto della piattaforma. L’ultima sua versione, l’Ata 133, garantisce un flusso (peraltro teorico) di soli 133 MByte/s. Sostituire uno standard così consolidato e presente in tutte le piattaforme ha richiesto un apposito consorzio (Serial Ata Working Group) e quasi due anni di studi. Il Serial Ata (o Sata) abbandona il collegamento di tipo parallelo dell’Ata tradizionale in favore di un collegamento di tipo punto-punto, seriale e ad alta velocità, e offre una banda teorica di 150 MByte/s. In mancanza di chipset con controller Serial Ata integrato, le schede madri dotate di connettori Sata si affidano a chip di terze parti. Questo artificio è decisamente meno efficiente delle soluzioni integrate, sia perché introduce maggiori tempi di latenza sia perché sfrutta per la connessione il bus Pci, che deve dunque condividere con le altre periferiche. Per questo allo stadio attuale il vantaggio principale che offrono le schede madri dotate di connettori Serial Ata è nella flessibilità verso il futuro standard e non in un apprezzabile incremento delle prestazioni. E utile comunque avere un altro canale per l’aggiunta di HD supplementari a quelli installabili nei due canali IDE in standard ATA ormai di serie.
EDIT: Articolo sulle prime sk grafiche con supporto allo standard PCI Express
qui.
