Файл: Устройство персонального компьютера.pdf

В 2011 году было представлено второе поколение интерфейса, DMI 2.0, в котором скорость передачи данных увеличилась в 2 раза, до 2 ГБ/с в каждую сторону по DMI 2.0 на базе 4 линий. Данный вариант использовался для соединения центральных процессоров Intel 2011-2015 годов с микросхемой Platform Controller Hub (PCH), частично заменившей набор из южного и северного мостов.

DMI 3.0 был представлен в августе 2015. В третьем поколении скорость обменов была увеличена до 8 GT/s на каждой линии. Интерфейс с 4 линиями позволяет передавать данные со скоростью до 3,93 ГБ/с между процессором и PCH. Используется в процессорах с микроархитектурой Skylake (варианты с 2 чипами) и чипсетах Intel серии 100, например Z170.

Чипсет.

Чипсет, иначе называемый набором системной логики, определяет доступ к внешним и внутренним ресурсам платы. Ранее, чипсет состоял из двух микросхем – северного и южного мостов, первый из которых являлся контроллером памяти, но сейчас он интегрирован в ЦПУ – и на системной плате остался только Южный мост, отвечающий за устройства ввода – вывода. Чипсет определяет функциональность системной платы. Он включает в себя интерфейс шины процессора и определяет в конечном счете тип и быстродействие используемого процессора. Определяет во многом тип, объём, быстродействие и вид поддерживаемой памяти, рабочие частоты различных шин, их разрядность и тип, поддержку плат расширения, их количество и тип, и т. д.

Первопроходцами стали разработчики компьютеров серии Amiga с чипсетом OCS (позже его сменил ECS и AGA). Немногим позже компания Chips & Technologies предложила чипсет CS8220 (основной чип 82C206) для IBM PC/AT-совместимых систем. Примерно тогда же появились компьютеры серии Atari ST, также созданные с использованием чипсета.

Являясь по сути основой платформы/системной платы,[2] чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в сотовых телефонах и сетевых медиаплеерах.

BIOS

Все вышеперечисленные компоненты нужно как-то протестировать и настроить перед запуском ОС. Для этого был создан BIOS. Он выполняет следующие функции:

Тестирование элементов материнской платы
Тестирование плат расширения
Тестирование памяти и ЦПУ
Тестирование системы охлаждения.
Установка частоты системной шины.
Установка загрузочного диска.
Чтение загрузочного сектора.
И др.

После этого уже может запускаться ОС или её установка.

BIOS защит в ППЗУ микросхеме на системной плате ПК. Ранее, BIOS нельзя было перепрограммировать, но сейчас, с наличием Flash BIOS и EEEPROM и дублированием микросхем на плате (Dual BIOS) , это не составляет проблемы.

BIOS, в разных вариациях, представлен на всех современных устройствах, включая мобильную технику.

RAM

Оперативная память, используемая через северный мост, хранит в себе выполняемые программы и часто используемые данные, а так же процессы ОС. Доступ к ней медленнее чем к кэшу, но быстрее, чем к SSD или HDD.

В начале истории микросхемы памяти впаивались напрямую на плату, каждый отдельно. Затем, был придуман специальный форм-фактор SIMM, применявшийся в ПК IBM. SIMM эволюционировал в DIMM («двойной» SIMM ) иначе называемый SDRAM. С изобретением DDR память перестали делить на SIMM/DIMM, а сам DDR стал стандартом индустрии и остаётся им до сих пор. Последний разработанный тип памяти – DDR4, используемый на всех современных ПК.

Конструктивно память представляет собой печатную плату, с расположенными на ней микросхемами – банками памяти. В низу платы – электрические контакты, разделённые перемычкой.

Для ноутбуков была создан специальный форм-фактор – SO-DIMM, обладающий меньшей длиной. До сих пор используется в ноутбуках.

Устройства хранения данных.

Ранее данные можно было сохранять только на разнообразные дискеты, магнитные ленты и даже перфокарты, что, конечно, доставляло массу неудобств. Затем, появились жёсткие диски, используемые и поныне.

Современный жёсткий диск (HDD) имеет два форм-фактора – толстый 3.5'' для настольных ПК и 2.5'' – тонкий, для ноутбуков. Обычная скорость оборотов – 7200 в минуту. Жёсткие диски используют магнетизм в своей работе, и, при отсутствии механического и сильного электромагнитного воздействия, способны работать практически вечно, а данные не потеряются.

Но, к сожалению, современные ОС и ПО сильно прибавили в мегабайтах, и жёсткий диск уже давно отстаёт по производительности от его прямого конкурента – SSD. Этот диск чаще встречается в формате 2.5'', и имеет несколько отличий от традиционных HDD. Среди них, например: высокая скорость чтения/записи (на порядок выше чем у HDD), малые задержки, невосприимчивость к магнитным помехам. С другой стороны, срок службы SSD ограничен, и через несколько лет память начинает деградировать, а диск становится неработоспособным.

Но есть и ещё конкуренты, такие как Intel Optane. Это новейший вид энергонезависимой памяти, подключаемый через PCI-E. В отличие от SSD дисков, построенных на чипах NAND, Optane использует NVMe на чипах 3DXpoint, обладающих большей выносливостью - заявленная износостойкость – 100ГБ записанных данных каждый день в течение 5 лет. Плата памяти гораздо меньше 2.5'', что опять же позволяет использовать её в устройствах малого размера.

SSD:

Intel Optane:

HDD:

Внешние устройства и устройства расширения.

Внутренние устройства расширения.

Со времён IBM PC персональные компьютеры сохранили свою главную особенность (и, конечно же, неоспоримое преимущество) – расширяемость. Это свойство позволяет повысить функциональность ПК без его замены. Современные устройства расширения чаще всего подключаются в разъемы PCI Express, и, соответственно, работают на шине PCI Express, через южный мост материнской платы. Среди плат расширения можно выделить следующие:

Видеокарты. Используются при обработке видео и фото, при трёхмерном проектировании, а так же в многочисленных видеоиграх.
Звуковые карты. Для улучшения качества выводимого звука, и его высококачественной записи. Может использоваться на ПК в студиях звукозаписи.
Карты видеозахвата. Используются, например, при построении систем видеонаблюдения на основе налоговых камер, или для оцифровки изображений с аналоговых источников (например, видеокассет).
Сетевые карты. Встречаются всё реже, сейчас на любой материнской плате уже встроен RJ-45 разъем для подключения к сети. Может использоваться для подключения компьютера более чем к одной сети.
Контроллеры, такие как USB, COM или LPT. Некоторые устройства до сих пор подключаются через старые порты COM и LPT, которых уже нет на современных системных платах, а иногда компьютеру не хватает портов USB.

Внешние устройства расширения.

Благодаря появлению USB как универсальной шины передачи данных, и так же увеличению её пропускной способности, множество устройств расширения подключаются через USB. Среди них такие устройства:

Адаптеры беспроводной сети (WLAN или LTE). Обычно настольные компьютеры подключаются к сети через проводное подключение, но при невозможности его подключения, используется WLAN USB адаптер. Если уж и WLAN подключить не удаётся – операторы связи продают USB LTE модемы, позволяющие подключиться везде, где есть сотовый сигнал.
Внешние переносные устройства хранения данных, такие как USB флеш-накопители и внешние SSD/HDD. Обычно их используют лишь для переноса важной информации между ПК, но можно использовать такое устройство как постоянное хранилище (при этом эффективность падает)
Внешние адаптеры (контроллеры) портов, таких как LPT, COM, USB (USB контроллер-концентратор или USB-хаб), и даже Ethernet. Выполняет ту же функцию, что и платы расширения контроллеров портов внутри ПК, но при этом подключение становится более быстрым и удобным, не выключая при этом ПК (технология PnP – Plug’n’Play).

Вот как выглядят современные платы расширения:

Видеокарта Nvidia GeForce:

Звуковая карта Sound Blaster:

Платы с выводом COM и LPT

А вот пример внешнего устройства расширения – USB Hub

Основные и периферийные подключаемые устройства.

Некоторые устройства являются универсальными, а иногда и совсем самостоятельными единицами техники, но их можно подключать к ПК. Среди них:

Принтеры, МФУ, сканеры. Чаще всего используются в офисах, иногда могут присутствовать и дома.
Устройства воспроизведения звука (аудиоколонки).
Игровые манипуляторы (джойстики, рули).
Очки виртуальной реальности.

Есть и основные устройства, наличие которых необходимо. Среди них:

Клавиатура.
Мышь.
Монитор.

Часть 3. Будущее ПК.

Возможности кремниевых ЦПУ достигают своего предела?

Дальнейшее развитие ЦПУ.

Основным катализатором развития ПК является развитие полупроводниковых технологий и технологий проектирования ЦПУ – ведь ЦПУ – центральная часть ПК.

Широко известно, что все процессоры сейчас создаются на основе кремния – полупроводникового материала. С момента появления первого процессора техпроцесс улучшался, а транзисторы приобрели нанометровые размеры – последний техпроцесс, достигнутый людьми – 3 нм. В мобильной технике уже используется 7 нм, а процессорах для настольных ПК – 10 и 14 нм.

Такое уменьшение не может продолжаться бесконечно, и рано или поздно технология упрётся в физические барьеры.

Сейчас, вместо простого уменьшения техпроцесса, наблюдается подход к изменению самой логики построения ЦПУ - Samsung и TSMC работают с 7 нм, используя транзисторы finFET, [14] и оба производителя собираются продолжать это и на 5 нм. В отличие от традиционных планарных транзисторов, finFET – это трёхмерные структуры, с лучшей производительностью и меньшими утечками.

Судя по всему, индустрии придётся готовиться к переходу на новую архитектуру 3 нм техпроцесса, и следующего промежуточного техпроцесса на 2 нм, судя по планам развития одной организации, работающей в этой области.

«5 нм – это всё ещё finFET, — сказал Наото Хоригучи, программный директор в Imec. – Допустим, что на 3 нм мы вступим в переходный период от finFET к другим архитектурам. Мы считаем, что это будут нанослои».

Нанослойные FET относятся к архитектуре транзисторов с круговым затвором (gate-all-around, GAA).[14] И это не единственный из возможных вариантов. «Индустрия весьма консервативная. Её участники попытаются выжать из finFET всё до предела, — сказал Хоригучи. – На техпроцессе 3 нм у нас есть возможность использовать finFET. Но нам потребуется совершить несколько инноваций finFET, улучшить его в общем и целом».

«Следующее поколение GAA на 3 нм и ниже добавляет очередной порядок сложности в производство, — сказал Ричард Готшо, вице-президент и технический директор Lam Research. – На первый взгляд, она выглядит, как модификация finFET. Однако требования усиливаются, и сложность этой архитектуры GAA значительно выше, чем у finFET».

В процессе производства нанослойных чипов первый шаг – размещение тонких чередующихся слоёв SiGe [14] и кремния на подложке. «У нас получается стопка кремний, кремний-германий, кремний. Мы называем это сверхрешёткой», — сказал в недавнем интервью Намсун Ким, главный директор инженерного управления Applied Materials. «Имея германиевое содержимое, необходимо обеспечить ему хороший слой изоляции».

Как минимум, пачка должна состоять из трёх слоёв SiGe и трёх кремния. Затем на пачку наносятся крохотные листовые структуры. После этого формируется изоляция с канавками, а потом – внутренние разделители.

Затем слои SiGe удаляются из сверхрешётки, оставляя кремниевые слои с пустым пространством между ними. Каждый кремниевый слой формирует основание листа или канала в устройстве. Затем необходимо нанести материал с высокой диэлектрической проницаемостью для создания затвора. «Между нанопроводами минимальное расстояние. Очень маленькое. Проблема в том, чтобы поместить туда металл рабочей толщины», — сказал Ким.

Индустрия годами работала над созданием технологии GAA, однако всё ещё остаются определённые проблемы. «Одна из главных – паразитная ёмкость, — сказал Ким. – Если вы спросите меня, каковы главные проблемы технологии GAA, то их две. Внутренние разделители и изоляция подложки».