Северный мост

Северный мост (англ. northbridge) — это один из двух основных компонентов (наряду с южным мостом) системной логики (чипсета) материнской платы, отвечающий за взаимодействие центрального процессора (ЦП) с оперативной памятью, графическим адаптером (через шину AGP или PCI Express) и, в некоторых архитектурах, с контроллером памяти и кэш-памятью третьего уровня. В современных процессорах, начиная с середины 2010-х годов, функции северного моста, как правило, интегрированы непосредственно в кристалл ЦП, что привело к отказу от его использования в виде отдельной микросхемы на материнской плате.

История

Эпоха раздельных чипсетов

Архитектура с разделением на северный и южный мосты возникла в конце 1990-х — начале 2000-х годов, когда производители материнских плат (Intel, AMD, VIA Technologies, SiS, nVidia) начали выпускать чипсеты, состоящие из двух основных микросхем. Первым массовым чипсетом с такой компоновкой стал Intel 440BX (1998 год), который поддерживал процессоры Pentium II и III, шину AGP 2x и память SDRAM. Северный мост в нём отвечал за связь ЦП с памятью и видеокартой, а южный — за периферийные интерфейсы (IDE, USB, звук, сеть).

Вплоть до середины 2000-х годов северный мост оставался ключевым элементом, определяющим производительность системы: его частота, пропускная способность шины и поддерживаемые стандарты памяти (DDR, DDR2, DDR3) напрямую влияли на скорость работы приложений, особенно в играх и задачах, связанных с обработкой графики.

Переход к интеграции

С развитием технологий и ростом тактовых частот процессоров возникла необходимость в уменьшении задержек при доступе к памяти. В 2003 году компания AMD впервые реализовала встроенный контроллер памяти в процессорах Opteron и Athlon 64, что позволило обойтись без северного моста для связи с ОЗУ. Однако графический интерфейс (AGP, затем PCI Express) по-прежнему обслуживался отдельным чипом.

В 2008 году Intel выпустила процессоры Core i7 (архитектура Nehalem), в которых контроллер памяти и шина PCI Express были интегрированы в кристалл ЦП. Это привело к тому, что северный мост в классическом понимании перестал быть необходимым. В чипсетах для платформы LGA 1156 (Intel P55) и более поздних «северный мост» фактически отсутствует как отдельная микросхема — его функции выполняет сам процессор или объединённый чип, называемый Platform Controller Hub (PCH), который выполняет роль южного моста.

Функции и устройство

Основные задачи

Классический северный мост выполнял три ключевые функции:

• Управление оперативной памятью: контроллер памяти, встроенный в северный мост, обеспечивал доступ ЦП к ОЗУ. Поддерживаемые типы памяти (DDR, DDR2, DDR3, иногда DDR4) и максимальный объём определялись характеристиками конкретной модели чипсета.
• Связь с графическим адаптером: через шину AGP (до 2004 года) или PCI Express (начиная с 2004 года) северный мост соединял процессор с видеокартой. Пропускная способность этой шины часто была узким местом в игровых системах.
• Взаимодействие с южным мостом: для передачи данных между ЦП и периферийными устройствами (жёсткие диски, USB-порты, звуковая карта) северный мост соединялся с южным мостом по выделенной шине — например, Hub Interface (Intel) или HyperTransport (AMD).

Архитектура

Северный мост представлял собой микросхему, расположенную на материнской плате, как правило, в верхней части, рядом с процессорным разъёмом. Для отвода тепла на неё устанавливался радиатор (иногда с вентилятором), так как чип выделял значительное количество тепла (до 15–30 Вт). Внутренняя структура включала:

• контроллер памяти (Memory Controller Hub);
• контроллер шины AGP/PCI Express;
• интерфейс для связи с южным мостом;
• арбитр шины, управляющий очередностью запросов.

Классификация чипсетов по наличию северного моста

Чипсеты с двумя мостами (классическая архитектура)

• Intel 440BX, 845, 865, 875P — для процессоров Pentium III и Pentium 4.
• AMD 760, 780G, 790FX — для процессоров Athlon и Phenom.
• nVidia nForce 4, nForce 680i — для платформ AMD и Intel.
• VIA KT133, KT400 — для процессоров AMD Athlon.

Чипсеты с одним мостом (PCH)

Начиная с платформ Intel LGA 1156 (2009 год) и AMD AM3+ (2011 год), производители перешли на одночиповую архитектуру, где все функции северного и южного мостов объединены в одном чипе — Platform Controller Hub (Intel) или Fusion Controller Hub (AMD). В таких системах контроллер памяти и шина PCI Express находятся в процессоре, а PCH отвечает за периферию (SATA, USB, Ethernet, звук).

Современные системы (SoC)

В процессорах для мобильных устройств, ноутбуков и встраиваемых систем (например, Intel Core U-серии, AMD Ryzen Mobile) северный мост полностью интегрирован в кристалл ЦП (System-on-Chip, SoC). В десктопных процессорах, начиная с Intel Core 2-го поколения (Sandy Bridge, 2011 год) и AMD Ryzen (2017 год), контроллер памяти и шина PCI Express также находятся в процессоре, а чипсет выполняет лишь роль концентратора ввода-вывода.

Применение и значение

Влияние на производительность

В эпоху раздельных чипсетов производительность системы сильно зависела от характеристик северного моста:

• Частота шины FSB (Front Side Bus) — определяла скорость обмена данными между ЦП и северным мостом. Например, для процессоров Intel Pentium 4 частота FSB составляла 400–1066 МГц.
• Пропускная способность памяти — зависела от поддержки двухканального режима (например, Intel 865PE) и типа памяти (DDR400 против DDR2-800).
• Графическая шина — AGP 8x (2,1 ГБ/с) уступила место PCI Express x16 (до 16 ГБ/с в версии 2.0).

Устаревание

С интеграцией контроллера памяти и шины PCI Express в процессор северный мост перестал быть узким местом. Современные чипсеты (Intel Z790, AMD X670) фактически являются южными мостами, обеспечивающими подключение большого количества периферийных устройств (USB 3.2, SATA, NVMe) и не влияющими на производительность ЦП и памяти.

Интересные факты

• Название «северный мост» происходит от традиционного расположения микросхем на материнской плате: северный мост находился в верхней части (ближе к процессору), а южный — в нижней (ближе к слотам расширения).
• В некоторых чипсетах nVidia (например, nForce 790i) северный мост поддерживал до трёх видеокарт в режиме SLI.
• В серверных платформах (например, Intel Xeon) северный мост часто назывался Memory Controller Hub (MCH) и мог поддерживать до 4 каналов памяти.
• В 2000-е годы разгон северного моста (повышение его частоты и напряжения) был популярным способом увеличения производительности системы, особенно на платформах Intel с процессорами Pentium 4.

Критика

Основным недостатком классической архитектуры с северным мостом было то, что он являлся узким местом: пропускная способность шины FSB ограничивала скорость обмена данными между ЦП и памятью, а также между ЦП и видеокартой. Кроме того, северный мост выделял много тепла, требовал дополнительного охлаждения и занимал место на материнской плате. С интеграцией его функций в процессор эти проблемы были решены.

Источники

• Intel Corporation. «Intel 440BX AGPset: Datasheet». 1998.
• AMD. «AMD 780G Chipset: Technical Reference Manual». 2008.
• Mueller, S. «Upgrading and Repairing PCs». 21st Edition. Que Publishing, 2013.
• Шагурин И. И. «Архитектура материнских плат и чипсетов». М.: ДМК Пресс, 2005.