Усовершенствование материнской платы

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Процессор на материнской плате находится в специальных колодках, которые носят название сокет или слот 1. Подавляющее большинства моделей процессоров установлены именно в сокетах. Слот использовали 2 поколение процессоров Пентиум и используют процессоры АМД.

В основе работы современных процессоров лежит вероятностная модель. Её смысл заключается в том, что процессор предсказывает последующие действия программы или пользователя, основываясь на их предыдущих действиях.

Немаловажным фактом при анализе процесса является фирма изготовитель.

Существует несколько таких фирм, это: Intel, AMD, Cyrix, IBM, Texas Instruments. (Размышления на тему процессоров). В принципе все фирмы производители конфигурировали свои процессоры, таким образом, чтоб они были Intel совместимы. Долгое время лидирующие места на рынке процессоров занимала фирма Intel. В основном это связано с тем, что до шестого поколения процессор фирмы AMD, у данных процессоров существовала серьезная проблема, связанная с плавающей точкой. (Заключается в том, округления производимые компьютером при вычислениях, при суммировании давали существенную ошибку). Сегодня эта ошибка компанией AMD устранена. На сегодняшний день данной фирмой разработано и выпущено в серийное производство семь поколений процессоров Pentium.

К первому поколению относятся процессоры 8086.

Второе поколение процессоров - это 286, 386, 486.

Третье поколение процессоров - Пентиум 1

Четвертое поколение - Пентиум ММХ

Пятое поколение - Пентиум 2

Шестое поколение - Пентиум 3

Седьмое поколение - Пентиум 4.

Современные процессоры Intel выпускаются в двух модификациях полная модель и более дешевая модель, не имеющая кеша второго уровня, которая называется Celeron, что отражается на производительности компьютера. (Немного философии). Компания Intel выпускает 32-разрядные процессоры, компанией AMD был выпущен 64-разрядный процессор, который имеет удвоенную внутреннюю шину, за счет чего быстродействие его значительно повысилось по сравнению с процессорами фирмы Intel. Что сделало процессоры фирмы AMD более востребованными по сравнению с процессорами фирмы Intel. (Соотношение цена -качество, однако только для бытовых целей).

Рассмотрим архитектуру современного компьютера фирмы Intel.

Intel Pentium 4 - это первый процессор в семействе 32-битных процессор седьмого поколения от Intela. В след за ним в этом семействе разработаны процессоры с кодовыми именами Foster (модифицированный Intel Pentium 4, предназначенный для использования в серверах) и Northwood (модификация Intel Pentium 4, изготавливаемая по 0,13 - микронной технологии).

Позиционируется Intel Pentium 4 как процессор высокопроизводительных настольных компьютеров и рабочих станций начального уровня.

Его основные характеристики:

- тактовая частота: 1,30-3,06 ГГц;

- технология производства - 0,18 мкм (но это все скоро умрет вместе с кремнием, будущее за алюминием, в продаже пока нет);

- L1-кэш 200 Кбайт;

- L2-кэш 256 Кбайт, работает на тактовой частоте ядра, интегрирован на одном кристалле с процессором, поддерживает ECC-механизм обнаружения и коррекции ошибок при обмене данными с ядром процессора, обмен данными с ядром процессора идет по 256-битной шине;

- частота системной шины: физическая - 100 МГц, эффективная - 400МГц;

- напряжение питания ядра процессора 1,70 В;

- поддерживается SSE и SSE2 наборы SIMD-инструкции;

- исполнение: PGA-микросхема с 423 контактными ножками;

- процессорный разъем Socket 478.

Несмотря на то что Intel Pentium 4 сильно отличается от архитектуры процессоров Р6 (в него входят процессоры Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Pentium III, Intel Celeron, Intel Xeon) и даже получило специальное название - NetBurst. В числе основных новшеств, появившихся в NetBurst - Hyper Pipelined Technology, Advanced Dynamic Execution, Trace Cache, Rapid Execute Engine, Streaming SIND Extension 2 (SSE2).

Hyper Pipelined Technology.

Названием Hyper Pipelined Technology конвейер (буфер содержащий команды процессора) Pentium 4 обязан своей длине - 20 стадий. Для сравнения - длина конвейераPentium III составляет 10 стадий. Чего же достиг Intel, так удлинив конвейер? Благодаря декомпозиции выполнения каждой команды на более мелкие этапы, каждый из этих этапов теперь может выполняться быстрее, что позволяет беспрепятственно увеличивать частоту процессора. Так, если при используемом сегодня технологическом процессе 0.18 мкм предельная частота для Pentium III составляет 1 ГГц (ну или, по более оптимистичным оценкам, 1.13 ГГц), Pentium 4 сможет достигнуть частоты 2 ГГц.

Однако, у чрезмерно длинного конвейера есть и свои недостатки. Первый недостаток очевиден - каждая команда теперь, проходя большее число стадий, выполняется дольше. Поэтому, чтобы младшие модели Pentium 4 превосходили по производительности старшие модели Pentium III, частоты Pentium4 начинаются с 1.4 ГГц. Если бы Intel выпустил бы Pentium 4 1 ГГц, то этот процессор, несомненно, проиграл в производительности гигагерцовому PentiumIII. Второй недостаток длинного конвейера вскрывается при ошибках в предсказании переходов. Как и любой современный процессор, Pentium 4 может выполнять инструкции не только последовательно, но и параллельно, соответственно не всегда в том порядке, как они следуют в программе и не всегда доподлинно зная направления условных переходов. Для того чтобы выбирать в таких случаях ветви программы для дальнейшего выполнения, процессор прогнозирует результаты выполнения условных переходов на основании накопленной статистики. Однако, иногда блок предсказания переходов все же ошибается, и в этом случае приходится полностью очищать конвейер, сводя на нет всю предварительно проделанную процессором работу по выполнению не той ветви в программе. Естественно, при более длинном конвейере, его очистка обходится дороже в том смысле, что на новое заполнение конвейера уходит больше процессорных тактов, а, следовательно, и времени.

Advanced Dynamic Execution.

Целью ряда ухищрений в архитектуре Pentium 4, под общим названием Advanced Dynamic Execution, как раз и является минимизация простоя процессора при неправильном предсказании переходов и увеличение вероятности правильных предсказаний. Для этого Intel улучшил блок выбор конструкций для внеочередного выполнения и повысил правильность предсказания переходов. Правда, для этого алгоритмы предсказания переходов были доработаны минимально, основным же средством для достижения цели было выбрано увеличение размеров буферов, с которыми работают соответствующие блоки процессора. Так, для выборки следующей инструкции для исполнения используется теперь окно величиной в 126 команд против 42 команд у процессора Pentium III. Буфер же, в котором сохраняются адреса выполненных переходов и на основании которого процессор предсказывает будущие переходы, теперь увеличен до 4 Кбайт, в то время как у Pentium III его размер составлял всего 512 байт. Результатом этого, а также благодаря небольшой доработке алгоритма, вероятность правильного предсказания переходов была улучшена по сравнению с Pentium III на 33%. Это - очень хороший показатель, поскольку теперь Pentium 4 предсказывает переходы правильно в 90-95% случаев.

Trace Cache.

Вместо обычного L1 кеша, который в Pentium III был разделен на область инструкций и область данных в Pentium 4 применен новый подход. Инструкции в L1 кэше не сохраняются, он предназначен теперь только для данных. Для кэширования инструкций теперь используется Trace Cache, однако по сравнению с обычным L1-кешем он имеет много преимуществ, направленных опять же на минимизацию простоев процессора при выполнении неправильных предсказаний переходов. Первое, и основное - в Trace Cache сохраняются уже декодированные инструкции. Это значит, что в нем хранятся не классические x86 инструкции, а так называемые микрокоманды, более простые операции, которыми непосредственно оперирует процессорное ядро. Сохранение в Trace Cache микроопераций позволяет избежать повторного декодирования x86 инструкций при повторном выполнении того же участка программы или при неправильном предсказании переходов.

Второе преимущество Trace Cache заключается в том, что микрооперации в нем сохраняются именно в том порядке, в каком они выполняются. Правда, правильный порядок определяется на основании предсказания переходов, однако вероятность того, что переходы предсказываются неправильно, достаточно мала для того, чтобы отказаться от очевидного выигрыша, получаемого путем отказа от повторных декодирований и предсказаний переходов.

Intel не раскрывает размеров своего Trace Cache в килобайтах, однако, известно, что в нем может быть сохранено до 12000 микроопераций.

Rapid Execute Engine.

Наиболее простая часть современного процессора - это ALU (арифметико-логическое устройство). Благодаря этому факту, Intel счел возможным увеличить его тактовую частоту внутри Pentium 4 вдвое по отношению к самому процессору. Таким образом, например, в 1.4 ГГц Pentium 4 ALU работает на частоте 2.8 ГГц.

В ALU исполняются простые целочисленные инструкции, поэтому, производительность нового процессора при операциях с целыми числами должна быть очень высокой. Однако, на производительности Pentium 4 при операциях с вещественными числами, MMX или SSE двукратное ускорение ALU никак не сказывается.

Таким образом, латентность ALU существенно снижается. В частности, на выполнение одной инструкции типа add Pentium 4 1.4 ГГц тратил всего 0.35нс, в то время как выполнение этой команды у Pentium III 1 ГГц занимает 1 нс.

SSE2.

Реализовав в своем процессоре Athlon новый конвейерный FPU (флоуд Floud), AMD очень сильно обогнала интеловский Pentium III в производительности при операциях с вещественными числами. Однако, Intel в своем Pentium 4 не стал сосредотачиваться на совершенствовании своего FPU, а просто увеличил возможности блока SSE. В результате, в Pentium 4 имеет место расширенный набор команд SSE2, в котором к имеющемуся набору из 70 инструкций было добавлено еще 144. Такое решение - результат NetBurst идеологии, основной целью которой является увеличение скорости работы с потоками данных. Инструкции SSE позволяли оперировать с восемью 128-битными регистрами XMM0..XMM7, в которых хранились по четыре вещественных числа одинарной точности. При этом все SSE операции проводились одновременно над четверками чисел, в результате чего специально оптимизированные программы, в которых производилось большое количество однотипных вычислений (а к ним, помимо обработки потоков данных в какой-то мере относятся и 3D-игры), получали существенный прирост в производительности.

SSE2 же оперирует с теми же самыми регистрами, и обратно совместим с SSE процессора Pentium III. А столь впечатляющее расширение набора команд вызвано тем, что теперь операции со 128-битными регистрами могут выполняться не только как с четверками вещественных чисел двойной точности, но и как с парами вещественных чисел двойной точности, с шестнадцатью однобайтовыми целыми, с восемью короткими двухбайтовыми целыми, с четырьмя четырехбайтовыми целыми, с двумя восьмибайтовыми целыми или с 16 байтовыми целыми. То есть, теперь SSE2 представляя собой симбиоз MMX и SSE и позволяет работать с любыми типами данных, влезающими в 128-битные регистры.

SSE2 гораздо более гибок, позволяя добиваться впечатляющего прироста в производительности. Однако, использование нового набора команд требует специальной оптимизации программ, поэтому ждать его внедрения сразу после выхода нового процессора не стоит. Со временем же,SSE2 имеет достаточно большие перспективы. Поэтому, даже AMD собирается реализовать SSE2 в своем новом семействе процессоров Hammer. Старые же программы, не использующие SSE2, а полагающиеся на обычный арифметический сопроцессор, никакого прироста в производительности при использовании Pentium 4 не получат. Более того, несмотря на то, что Intel говорит о том, что блок FPU в Pentium 4 был слегка усовершенствован, время, необходимое на выполнение обычных операций с вещественными числами возросло по сравнению с Pentium III в среднем на 2 такта.

L1 кэш

Что касается кеша первого уровня в Pentium 4, то поскольку теперь команды хранятся в Trace Cache, он предназначен только для хранения данных. Однако, его размер в Pentium 4, основанном на ядре Willamette составляет всего 8 Кбайт. Intel был вынужден сократить объем кеша первого уровня в Pentium 4, так как ядро этого процессорами без того получалось слишком большим. Тем не менее, архитектура этого процессора может поддерживать L1-кеш и большего размера, поэтому, скорее всего, при переходе на технологический процесс 0.13 мкм и новое ядро Northwood, этот кэш будет увеличен.

Однако, для увеличения производительности, Intel применил для доступа к L1-кешу новый алгоритм, чем уменьшил в Pentium 4 латентность этого кеша до двух процессорных тактов вместо трех тактов в Pentium III. Таким образом, учитывая большую тактовую частоту Pentium 4, время реакции его L1 кеша составляет всего 1.4нс для 1.4 ГГц модели против 3нс у L1 кеша Pentium III 1 ГГц. Также как и в Pentium III, L1 кэш Pentium 4 является write through и ассоциативным с 4областями ассоциативности. При этом длина одной строки L1 кеша равна 64 байтам.

L2 Advanced Transfer Cache

Процессор Pentium 4 обладает Advanced Transfer Cache второго уровня объемом 256 Кбайт. Так же, как и в Pentium III, L2-кеш имеет широкую 256-битную шину, благодаря которой процессоры от Intel имеют более высокую пропускную способность кеша, чем их конкуренты от AMD, использующие 64-битную шину кеша. Однако, в отличие от Athlon, в Pentium 4 (впрочем, также как и в Pentium III) L2 кэш не является эксклюзивным, то есть он дублирует данные, находящиеся в L1кэше.

Так как Pentium 4 рассчитан на обработку потоковых данных, скорость работы L2-кеша для него является одним из ключевых моментов. Поэтому, Intel увеличил пропускную способность кеша второго уровня в Pentium 4 в два раза. Это усовершенствование было сделано благодаря передаче данных из L2-кеша на каждый процессорный такт, в то время, как данные из L2-кеша Pentium III передаются только на каждый второй такт. Таким образом, пропускная способность L2-кеша Pentium 4, работающего, например, с частотой 1.4 ГГц имеет теперь внушительную величину 44.8 Гбайт/с. Для сравнения - пропускная способность Advanced Transfer Cache у Pentium III 1 ГГц составляет 16 Гбайт/с.

2. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАТЕРИНСКОЙ ПЛАТЫ

2.1 Постановка задачи

Требуется произвести усовершенствование материнской платы. Рассмотрим один из способов увеличения производительности материнской платы.

Часто при разгоне видеокарты ограничивающим фактором повышения частоты становится недостаток напряжения. Чтобы преодолеть этот барьер, прибегают к вольтмоду систем питания.

Слово "вольтмод" взято из английского (voltmodification) и означает "модификация напряжения". Это значит, что вольтмод включает в себя любую модернизацию напряжения питания памяти или ядра (не путать с изменением настроек BIOS материнской платы). В основном вольтмод применяют для модернизации системы питания видеокарт или материнских плат.

Существует два основных типа вольтмода видеокарт: программный и аппаратный. Программный вид применим к узкому кругу видеокарт. Он включает в себя поднятие напряжения через специальные утилиты (например, ATI Tool, Overclocker-x1k) или перепрошивку BIOS (например, NiBiTor, NVIDIA BIOS Modifer). Обычно изменение напряжения столь мало, что особо не отражается на разгоне, а иногда происходит занижение напряжения, что только пагубно сказывается на поднятии частоты.

Аппаратный вид вольтмода - это физическое вмешательство в питающую составляющую ядра или памяти. Всем известно, что напряжение, которое подаётся на процессор, можно изменять из BIOS материнской платы, а видеокарты (в большинстве своём) не имеют такой возможности. Если рассматривать аппаратный вид, то тут можно выявить два метода: вольтмод с помощью резистора или вольтмод с применением карандаша.

Увеличение напряжение само по себе еще не увеличивает производительность, но ускоряет переходные процессы в кристалле, за счет чего его предельная тактовая частота возрастает. А вместе с ней возрастает и тепловыделение, причем греется не только основной кристалл, но и вспомогательные элементы. Микросхемы, в штатном режиме работающие без радиатора, могут потребовать охлаждения, также возможно придется доработать схему фильтрации, добавив несколько дополнительных шунтирующих керамических конденсаторов в обвязку электролитических, а сами электрические - заменить, отобрав хорошие и качественные экземпляры с низким ESR. Пренебрежение этим правилом обычно приводит к провалу всей операции и вольмод не удается - даже при незначительном увеличении напряжения начинаются "глюки".

2.2 Метод с применением резистора

Рассмотрим один из способов вольтмонда - метод с применением резистора. Подстроечные, или переменные, резисторы выглядят так как изображено на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Подстроечные резисторы

Чтобы наиболее подробно представить переменный резистор, рассмотрим рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 - Принцип действия переменного резистора

Выбрав резистор для вольтмода, следуйте требованиям по отбору проводов для него: они должны быть мягкими, тонкими, изолированными, не очень ломкими и небольшой длины.

Для воспроизводства вольтмонда рассмотрим схему на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Типовая схема микросхемы

На рисунке 2.3 представлена типовая схема фирмы RichTek с маркировкой RT9232A. Обычно она устанавливается на платы Sapphire x1300/1600. Чтобы провести вольтмод, надо припаять переменный резистор к FB (5-я нога, feedback) и к GND (7-я нога, земля). Нумерация ног начинается от небольшой ямочки на микросхеме и продолжается против часовой стрелки. Припаивать провода резистора к ногам надо аккуратно, иначе возможны короткое замыкание и выход микросхемы из строя.

Припаяв регулируемый резистор в нужном месте, мы с лёгкостью сможем управлять значением сопротивления в цепи и тем самым изменять напряжение. Но допустим, мы нашли нужную микросхему, а необходимый номинал резистора и выходное напряжение нам неизвестны. В этом случае пользуются несколькими расчётными формулами (Rmax - итоговое сопротивление после перепайки переменного резистора):

Rmax = 1 / ( ( 1/Rfb) + (1/Rvr) ) (2.1)

где Rfb - это уже имеющееся сопротивление между FB и GND, Rvr - сопротивление добавляемого переменного резистора, выставленное на максимум.

Приблизительная оценка уровня минимального поднятия напряжения находится так:

Vmin = Vdef * Rfb / Rmax (2.2)

Здесь значение Vdef - напряжение по умолчанию.

Таким образом, зная расчётные формулы, мы без особого труда можем определить итоговое сопротивление и выходное напряжение.

2.3 Замена системы охлаждения перед усовершенствованием

В случае разгона с применением вольтмода к системе охлаждения надо подходить особым образом. Ведь мы имеем дело с полупроводниковыми материалами, а известно, что полупроводниковые приборы весьма подвержены внешним факторам воздействия окружающей среды и при перегреве могут выйти из строя. В основном при вольтмоде видеокарт охлаждать надо GPU и память, но раз мы осуществляем вольтмод системы питания, то и силовые элементы питания тоже желательно охладить. Об охлаждении памяти и графического ядра многие производители уже позаботились, и в продаже имеется множество эффективного охлаждения, которое можно применить при разгоне.

2.4 Вольтмод видеокарты Palit GeForce 7600GT

После того как была изложена теория, появилась необходимость проверить всё в действии. Для опытов была взята видеокарта Palit GeForce 7600GT. Ещё она была выбрана потому, что эта видеокарта пользуется некоторой популярностью среди начинающих оверклокеров.

Palit 7600GT имеет частоты GPU/Mem - 560/1400. Напряжение по умолчанию на GPU составляет 1.36В в 2D-режиме и 1.38В в 3D. Память работает при напряжении питания 2.00 В. Показания напряжений снимались с помощью недорогого цифрового мультиметра M830B. Температура GPU без нагрузки на заводских частотах составляет 49°С, а в максимальной нагрузке 64°С.

Разгон чипа не осуществлялся на родном охлаждении, оно сразу было заменено на более эффективное. Охладителем стал модернизированный для установки на видеокарту кулер IceHammer-2800WFCA

После всех работ над охлаждением видеокарта стала выглядеть так, как изображено на рисунке 2.4.

Страницы: 1, 2, 3