Современные внутренние шины

Введение

С учетом всего вышеперечисленного у нас остается только один весомый аргумент в пользу X570 – апгрейд NVMe SSD. Процессоры AMD Zen 2 Ryzen 3000 – это первые в мире процессоры пользовательского класса с поддержкой версии интерфейса PCI-Express 4.0, которая предлагает вдвое большую пропускную способность по сравнению с PCIe 3.0. Каждая линия обеспечивает передачу данных со скоростью 16 Гбит/с (или 2 ГБ/с) – таким образом, четырехлинейный интерфейс M.2 NVMe SSD дает максимальную скорость 8 ГБ/с. На Computex-2019 было представлено много моделей M.2 NVMe SSD популярных марок, поддерживающих PCI-Express 4.0 и предлагающих скорости последовательной передачи данных в районе 5000 МБ/с и выше. Такие показатели производительности заведомо выше тех, которые может предложить версия интерфейса PCIe 3.0 x4: там теоретический лимит скорости на четырех линиях составляет 4 ГБ/с, а фактические значения ближе к 3.5 ГБ/с. Увеличение скорости SSD всегда приветствуется, поскольку накопители по-прежнему остаются одними из самых медленных компонентов современных ПК.

Исходя из этого, мы решили протестировать на платформе Ryzen 3000 один из таких недавно анонсированных SSD с поддержкой PCI-Express 4.0, а именно – модель NVMe SSD Gen4 серии GIGABYTE AORUS – диск формата M.2-2280, объединяющий в себе контроллер Phison PS5015-E16, флэш-память 3D TLC NAND от Toshiba и DRAM-кэш. Согласно документации, этот накопитель предлагает скорости чтения и записи до 5000 и 4400 МБ/с соответственно. Что интересно – похоже, все выпущенные к настоящему моменту пользовательские диски с PCIe 4.0 имеют в своем составе этот контроллер.

В данном обзоре мы рассмотрим результаты тестирования вышеупомянутого диска GIGABYTE AORUS на материнской плате ASRock X570 Taichi с текущим флагманским процессором AMD Ryzen 9 3900X; основной исследуемый вопрос здесь – как изменяется производительность SSD в реальных приложениях в зависимости от версии интерфейса PCIe: 4.0, 3.0 и 2.0. Мы специально сфокусировались на тестах из реальной практики, поскольку не хотели просто гонять программу, которая может выдать более презентабельный результат, чем тот, который вы получите в работе со своими приложениями.

Для сравнения мы протестировали на платформе AMD также диск ADATA SX8200 Pro с интерфейсом PCI-Express 3.0, который работал настолько быстро, насколько мог. Эти результаты показывают производительность, предлагаемую SSD с предыдущей версией интерфейса и другим контроллером (Silicon Motion SM2262ENG).

Впечатляющие результаты синтетических тестов приведены ниже. Они подтверждают, что PCI-Express 4.0 действительно предлагает более высокую скорость по сравнению с предыдущими версиями PCI-Express.

Direct Media Interface

Пару слов стоит сказать и о такой разновидности системной шины, как Direct Media Interface (DMI). DMI предназначена для соединения между двумя основными микросхемами чипсета – северным и южным мостами. Впервые шина типа DMI была использована в чипсетах Intel в 2004 г.

Шина DMI имеет свойства архитектуры, объединяющие ее с такой шиной для подключения периферийных устройств, как PCI Express. В частности, DMI использует линии с последовательной  передачей данных, а также имеет отдельные проводники для передачи и приема данных.

Место DMI (обозначена красным) в архитектуре компьютера.

Оригинальная реализация DMI обеспечивала передачу данных до 10 ГБит/c в каждом направлении. Современная же версия шины, DMI 2.0, может поддерживать скорость в 20 ГБ/c в обоих направлениях. Многие мобильные версии DMI имеют вдвое меньшее количество сигнальных линий по сравнению с версиями DMI для настольных систем.

Процессорная шина

Любой процессор архитектуры x86CPU обязательно оснащён процессорной шиной. Эта шина служит каналом связи между процессором и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жёстким диском и так далее. Так, классическая схема организации внешнего интерфейса процессора (используемая, к примеру, компанией Intel в своих процессорах архитектуры х86) предполагает, что параллельная мультиплексированная процессорная шина, которую принято называть FSB (Front Side Bus), соединяет процессор (иногда два процессора или даже больше) и контроллер, обеспечивающий доступ к оперативной памяти и внешним устройствам. Этот контроллер обычно называют северным мостом , он входит в состав набора системной логики ( чипсета ).

Используемая Intel в настоящее время эволюция FSB – QPB , или Quad-Pumped Bus, способна передавать четыре блока данных за такт и два адреса за такт! То есть за каждый такт синхронизации шины по ней может быть передана команда либо четыре порции данных (напомним, что шина FSB–QPB имеет ширину 64 бит, то есть за такт может быть передано до 4х64=256 бит, или 32 байт данных). Итого, скажем, для частоты FSB, равной 200 МГц, эффективная частота передачи адреса для выборки данных будет эквивалентна 400 МГц (2х200 МГц), а самих данных – 800 МГц (4х200 МГц)3.

3Кстати, именно результирующей «учетверённой» частотой передачи данных (как и в случае с «удвоенной» передачей DDR-шины, где данные передаются дважды за такт) хвастаются производители и продавцы, умалчивая тот факт, что для многочисленных мелких запросов, где данные в большинстве своём умещаются в одну 64-байтную порцию (и, соответственно, не используются возможности DDR или QDR/QPB), на чтение/запись важнее именно частота тактирования.

SSD-накопитель

Диск Gigabyte Aorus NVMe Gen4 содержит четыре чипа флэш-памяти и два чипа DRAM; все чипы памяти обмениваются данными с контроллером SSD Phison.

Диск Gigabyte оснащен большим радиатором, который может показаться неожиданно тяжелым из-за высокого содержания меди. В отличие от других радиаторов, он охватывает диск со всех сторон, обеспечивая отвод тепла с верхней и нижней поверхности диска.

Phison PS5016-E16-32 – это новый восьмиканальный контроллер SSD, который был впервые представлен в этом году на Computex в Тайване. В его состав входит двухъядерный ARM-контроллер, работающий совместно с двумя «ядрами CO-X-процессора», которые, по-видимому, являются частью проприетарного ускоряющего блока Phison.

В чипах флэш-памяти Toshiba TABHG65AWV BiCS4 используется 96-слойная память 3D TLC NAND.

Два выделенных чипа DRAM SKhynix H5AN8GNCJRVKC DDR4-2133 предоставляют 2 ГБ быстрой памяти под адресные таблицы контроллера.

Hypertransport

Шина Hypertransport является разработкой AMD. Hypertransport имеет рабочие характеристики, сближающие ее с шиной QuickPath, но при этом она была создана на несколько лет раньше последней. Шину отличают оригинальные архитектура и топология, совершенно непохожие  на архитектуру и топологию FSB. В основе шины Hypertransport лежат такие составные элементы, как тоннели, мосты, линки и цепи. Архитектура шины призвана исключить узкие места в схеме соединений между отдельными устройствами материнской платы и передавать информацию с высокой скоростью и небольшим количеством задержек.

Существует несколько версий Hypertransport, работающих на разной тактовой частоте – от 200 МГц до 3,2 ГГц. Максимальная пропускная способность шины для версии 3.1 составляет более 51 ГБ/с (в обоих направлениях).  Шина используется как для замены шины FSB в однопроцессорных системах, так и в качестве основной шины в многопроцессорных компьютерах.

Схема расположения шины Hypertransport

Концентраторы Fusion Controller (FCH)

Для моделей AMD APU с 2011 по 2016 год. AMD продает свои чипсеты как Fusion Controller Hubs (FCH), внедряя это во все свои продукты в 2017 году одновременно с выпуском архитектуры Zen. До этого только APU использовали FCH, в то время как другие их процессоры по-прежнему использовали северный и южный мосты. Концентраторы контроллеров Fusion аналогичны по функциям концентраторам контроллеров платформы Intel .

Secure Digital:

Кодовое имя:

UMI:

Суммарные показатели производительности

По результатам проведенных тестов разница между PCI-Express 4.0 и PCI-Express 3.0 в реальных приложениях составила всего 1%. Однако, если мы посмотрим на устаревающую версию интерфейса PCI-Express 2.0, то увидим заметно большую разницу – целых 4%.

Одна из наиболее популярных моделей SSD с PCIe 3.0 – диск ADATA SX8200 Pro с контроллером SMI. Несмотря на более слабую версию интерфейса (Gen3), он все-таки смог превзойти SSD Gigabyte Gen4.

Отдельного внимания заслуживает результат этого же диска, выделенный серым цветом (с пометкой «Intel»). Этот результат получен в составе системной конфигурации с процессором Core i7-7700K, которую мы обычно используем для тестирования SSD. И хотя сравнение здесь не совсем корректное (с точки зрения соответствия друг другу отдельных компонентов каждой тестовой конфигурации), данный пример наглядно показывает, насколько сильно на производительность накопителя может повлиять апгрейд системы – в той ее части, которая вообще не относится к подсистеме хранения данных, – гораздо сильнее, чем апгрейд самого накопителя до SSD с интерфейсом PCIe 4.0.

Назначение шины FSB

Как известно, сердцем любого персонального компьютера является центральный процессор. Но не только процессор определяет архитектуру ПК. Она также во многом зависит и от используемого на материнской плате набора вспомогательных микросхем (чипсета). Кроме того, процессор не может функционировать и без внутренних шин, представляющих собой набор сигнальных проводников на системной плате. В функции шин входит передача информации между различными устройствами компьютера и центральным процессором. Характеристики внутренних шин, в частности, их пропускная способность и частота во многом определяют и характеристики самого компьютера.

Пожалуй, наиболее важной из шин, от которой больше всего зависит производительность компьютера, является шина FSB. Аббревиатура FSB расшифровывается как Front Side Bus, что можно перевести как «передняя» шина

В основные функции шины входит передача данных между процессором и чипсетом. Точнее говоря, FSB располагается между процессором и микросхемой «северного моста» материнской платы, где находится контроллер оперативной памяти.

Связь же между северным мостом и другой важной микросхемой чипсета, называемой «южным мостом» и содержащей контроллеры устройств ввода-вывода, в современных компьютерах обычно осуществляется при помощи другой шины, которая носит наименование Direct Media Interface. Как правило, процессор и шина имеют одну и ту же базовую частоту, которая называется опорной или реальной

В случае процессора его конечная частота определяется произведением опорной частоты на определенный множитель. Вообще говоря, реальная частота FSB обычно является основной частотой материнской платы, при помощи которой определяются рабочие частоты всех остальных устройств

Как правило, процессор и шина имеют одну и ту же базовую частоту, которая называется опорной или реальной. В случае процессора его конечная частота определяется произведением опорной частоты на определенный множитель. Вообще говоря, реальная частота FSB обычно является основной частотой материнской платы, при помощи которой определяются рабочие частоты всех остальных устройств.

В большинстве старых компьютеров реальная частота системной шины определяла и частоту оперативной памяти, однако сейчас память часто может иметь и другую частоту – в том случае, если контроллер памяти располагается в самом процессоре. Кроме того, следует иметь в виду, что реальная частота шины не эквивалентна ее эффективной частоте, которая определяется количеством передаваемых бит информации в секунду.

В настоящее время данная шина считается устаревшей и постепенно заменяется более новыми – QuickPath и HyperTransport. Системная шина QuickPath является разработкой фирмы Intel, а HyperTransport – компании AMD.

Front Side Bus в традиционной архитектуре чипсета

QuickPath

Шина QuickPath Interconnect (QPI) была разработана Intel в 2008 г. для замены традиционной шины FSB. Первоначально QPI использовалась в компьютерах на основе процессоров Xeon и Itanium. Разработка QPI была призвана бросить вызов уже использовавшейся в течение некоторого времени в чипсетах AMD шине Hypertransport.

Хотя QPI принято называть шиной, тем не менее, ее свойства существенно отличаются от свойств традиционной системной шины, и по своему устройству она представляет собой проводное соединение типа interconnect. QPI является неотъемлемой частью технологии, которую Intel называет архитектурой QuickPath. Всего QPI имеет в своем составе 20 линий данных, а общее количество проводников шины QPI равно 84. Как и Hypertransport, технология QuickPath подразумевает, что контроллер памяти встроен в сам центральный процессор, поэтому она используется лишь для связи процессора с контроллером ввода-вывода. Шина QuickPath может работать на частотах в  2.4, 2.93, 3.2, 4.0 или 4.8 ГГц.

Схема расположения QuickPath Interconnect

Процессор

На данный момент основными производителями процессоров являются Intel и AMD.

AMD
Сокет

Сокет (от англ. socket— разъем) – разъем, предназначенный для процессора. Наличие одинаковых сокетов на процессоре и материнской плате является основным, но не единственным критерием их совместимости.

AM3

Количество сокетов

Материнские платы для домашних ПК, как правило, имеют только 1 сокет. Наличие двух и более сокетов в большинстве случаев является признаком высокопроизводительной серверной материнской платы.

1

Наличие встроенного процессора

Некоторые материнские платы сразу имеют встроенный процессор. Это позволяет избавиться от проблем совместимости.

нет

Название встроенного процессора
—

Максимальная частота шины FSB, МГц

FSB (Front Side Bus) – системная шина (интерфейс передачи данных), соединяющая процессор и материнскую плату, а точнее ее «северный мост». Чем выше частота FSB, тем быстрее данные передаются от процессора к материнской плате. Для совместимости с процессором материнская плата должна поддерживать его частоту FSB, то есть частота FSB процессора должна быть не меньше минимальной частоты, которую поддерживает материнская плата и не больше максимальной.

Почти все современные материнские платы поддерживают процессоры, сокет которых совпадает с сокетом материнской платы (поэтому частота FSB часто не указывается). Данная проблема совместимости наблюдается, как правило, только на старых материнских платах (с сокетами S478 и т.д).

HyperTransport

Минимальная частота шины FSB, МГц

FSB (Front Side Bus) – системная шина (интерфейс передачи данных), соединяющая процессор и материнскую плату, а точнее ее «северный мост». Чем выше частота FSB, тем быстрее данные передаются от процессора к материнской плате. Для совместимости с процессором материнская плата должна поддерживать его частоту FSB, то есть частота FSB процессора должна быть не меньше минимальной частоты, которую поддерживает материнская плата и не больше максимальной.

Почти все современные материнские платы поддерживают процессоры, сокет которых совпадает с сокетом материнской платы (поэтому частота FSB часто не указывается). Данная проблема совместимости наблюдается, как правило, только на старых материнских платах (с сокетами S478 и т.д).

HyperTransport

Поддержка Hyper-Threading

При наличии технологии Hyper-Threading процессор способен выполнять дополнительный поток задач (на каждое ядро). Это дает преимущество в производительности перед процессорами, в которых данная технология не реализована. Но процессоры с большим количеством ядер, как правило, являются более производительными.

нет

Поддержка многоядерных процессоров
есть

Поддерживаемые процессоры
AMD PhenomII/AthlonII/Sempron 100 Series

Рабочие температуры

Хотя это не вполне соответствует теме данного обзора, некоторые читатели интересуются температурными показателями. Я измерил температуру диска в процессе последовательной записи с максимальной скоростью, при котором выделяется наибольшее количество тепла и записывается больший объем данных (в ГБ) по сравнению со случайной записью. В этом тесте диск работал без какого-либо воздушного охлаждения – я отключил вентиляторы чипсета и видеокарты.

Без радиатора диск нагрелся до 100 °C за 30 секунд, и это еще хороший результат – за такое короткое время диск успел записать 120 ГБ данных. После этого начался троттлинг и скорость записи упала до уровня 300-500 МБ/с, то есть нагрев диска до 100 °C означает выход за пределы рабочего диапазона температур.

С радиатором диск Gigabyte в том же режиме максимальной нагрузки нагрелся только до 80 °C, никакого троттлинга не было – очень впечатляющий результат.

Итоги

Как мы видим, последовательные интерфейсы пришли в компьютерную индустрию всерьёз и надолго. Не за горами времена, когда такие почётные долгожители, как PCI, IDE(PATA), SCSI, совсем уйдут со сцены, ибо преемники – PCI Express, Serial ATA, Serial Attached SCSI – уже агрессивно отвоёвывают позиции у «старичков». В стане процессорных шин пока паритет – архитектура K8 компании AMD c организацией процессорной шины на основе HyperTransport уже зарекомендовала себя как удачное решение, но и компания Intel с «последней редакцией» параллельной шины FSB (QPB) чувствует себя довольно уверенно и не собирается от неё отказываться.

Что касается возможной войны технологий PCI Express и HyperTransport, то здесь не тот случай – уж слишком разные сферы применения уготованы разработчиками этим решениям. Для вторжения в сферу сверхбыстрых передач у PCI Express недостаточно пропускной способности (максимум 8 ГБ/с для х16 против 41 ГБ/с у HyperTransport). Что касается работы HyperTransport с периферийными контроллерами, то данная шина не обладает для этого достаточными возможностями протоколов в силу своего изначального предназначения – замены процессорной шины, первое упоминание о «горячем» подключении появилось лишь в спецификации HyperTransport 3.0, да и стандартом пока что не предусмотрено внешних разъёмов.

Заключение

Системная шина является своеобразной кровеносной «артерией» любого компьютера, обеспечивающей передачу данных от «сердца» материнской платы – процессора к остальным микросхемам материнской платы и, прежде всего, к северному мосту, управляющем работой оперативной памяти. В настоящее время в различных архитектурах материнских плат можно встретить как традиционную шину FSB, так и имеющие сложные топологии высокоэффективные шины Hypertransport и QPI. Характеристики, производительность и архитектура системной шины являются важными факторами, которые определяют потенциальные возможности компьютера.