Эволюция шин для видеокарт: от ISA до PCIe
В далеком 1981 году создатели IBM PC и подумать не могли о том, что всего через двадцать пять лет компактные домашние компьютеры смогут выдавать практически фотореалистичную картинку с миллионами полигонов, а игровые миры раскинутся на тысячи виртуальных километров.
Интересно, что сказал бы Герман Холлерит (Herman Hollerith), узнав, что основанная им компания по изготовлению перфокарт и счетных машин в очередной раз оказалась у истоков наших ретро-исследований?
От простого к сложному
В 1981 году компания IBM представила первый в мире персональный компьютер — IBM PC. В нем использовалась допотопная видеокарта с возможностью вывода монохромного изображения, но не это главное. Все наше внимание приковано к шине Industry Standard Architecture ( ISA ), разработанной в недрах IBM. Основное назначение ISA — соединение периферийных компонентов с системой.
Шина ISA использовалась далеко не только (и даже не столько) для нужд видеокарт. Сторонние производители выпустили массу дополнительных устройств для расширения возможностей компьютера. Оно и понятно, ведь тогда в системную плату не устанавливали звуковой кодек, сетевой контроллер и т.д. Все это можно было реализовать лишь с помощью карт расширения. Сами по себе ISA-порты не сильно отличались от более привычных PCI-разъемов.
Предшественниками полноценных видеокарт были чипы с возможностью вывода спрайтов на экран. Графические возможности компьютеров в те времена не волновали людей: когда IBM представила первый в мире чип с поддержкой вывода нескольких цветов, люди и не поняли, зачем это нужно. Графические карты для интерфейса ISA в середине 1980-х выпускали компании Cirrus Logic , Avance Logic , ATI , S3.
Изначально у шины ISA было много ограничений: недостаточная пропускная способность, малое число прерываний, система распределения питания не ахти. Заменить ISA должна была шина Micro Channel Architecture ( MCA ), представленная в 1987 году вместе с компьютером IBM PS/2. Новая разработка решила многие проблемы, свойственные ISA: частота шины поднялась до 10 МГц, появился вменяемый Plug-n-Play (до этого прописывать новое устройство в систему приходилось вручную), шина стала 32-битной. Теоретическая пропускная способность MCA достигала 66 Мб/с, на практике — максимум 40 Мб/с. Устройства наконец-то могли общаться друг с другом напрямую, минуя центральный процессор. С такими улучшениями MCA могла бы стать индустриальным стандартом, но IBM сама все испортила. Компания не стала развивать рынок периферии для новой шины, более того, тщательно тормозила этот процесс — сторонние производители должны были получать специализированный ID для каждого устройства, за право выпуска устройств под MCA нужно было платить лицензионные отчисления и роялти. И это при том, что IBM не получила патенты на шину…
История сохранила лишь несколько упоминаний о видеокартах под MCA. Очевидно, что производители испугались всех трудностей, связанных с лицензированием и получением ID. Да и стоило ли мучиться? Компьютеры с шиной MCA оказались значительно дороже аналогов с использованием ISA. Все большей популярностью пользовались системы от Dell , Research Machines и Olivetti. Самые известные дискретные видеокарты для MCA — это монструозные IBM XGA , XGA-2 , несколько моделей от Infotronic , Actix и ATI. Кстати, примерно в то же время появился разъем VGA (D-sub) для подключения мониторов.
Производителям компьютеров основательно поднадоела политика IBM. В итоге они объединились и начали работать над альтернативным стандартом. Альянс AST Research , Compaq , Epson , Hewlett-Packard , NEC , Olivetti , Tandy , WYSE и Zenith Data Systems шутливо назвали «Бандой девяти». Результаты их труда обозначились уже в 1988 году, когда партнеры представили 32-битную шину Extended Industry Standard Architecture ( EISA ). Она обладала всеми преимуществами MCA, но при этом представляла собой лишь надстройку над классической ISA, что позволило сохранить совместимость с 8- и 16-битными компонентами. Лицензия на шину стоила копейки.
Внешне порты EISA были похожи на 16-битные разъемы ISA — они точно так же были разделены на части для сохранения совместимости. С точки зрения производителей, шина EISA не сильно отличалась от оригинальной ISA, так что и видеокарт с ее поддержкой было выпущено предостаточно.
Надстройка продлила жизнь ISA, но в начале 1990-х была представлена шина VESA Local Bus ( VL-bus , VLB ). За ее разработку ответственна всем известная ассоциация Video Electronics Standards Association ( VESA ), основанная NEC в середине 1980-х годов. Почему бы не успокоиться на время и не продолжить использование EISA? Все просто — производителям опять не хватало скорости. Решением стала совершенно неудобная по современным меркам «добавка» в виде PCI-образного порта, который располагался в один ряд с 16-битным разъемом ISA, таким образом продлевая его. Устройство с поддержкой VLB устанавливалось сразу в два разъема — порт VLB обслуживал обращения к памяти, а ISA обрабатывал прерывания. Топорное решение, ничего не скажешь.
Несмотря на все недостатки, VLB стала стандартом де-факто в компьютерах с процессорами Intel 80486. Многочисленные производители видеокарт представили длинные модели с двумя разъемами.
В 1991 году ATI выпустила видеокарту Mach 8 , которая могла обрабатывать картинку без помощи процессора. Уже в 1992 году последовала Mach 32 с возможностью ускорения обработки графического интерфейса Windows. Начались первые войны за рынок графики. В стычках участвовали S3, Cirrus Logic, ATI, PowerVR , Rendition и более мелкие игроки. На горизонте замаячили трехмерные пространства и аппаратное ускорение графики…
Назад в будущее
Проследив за компьютерным рынком, Intel решила взять все в свои руки и начала работу над шиной Peripheral Component Interconnect ( PCI ). Intel подошла к вопросу со всей серьезностью и организовала специальную группу для продвижения стандарта — PCI Special Interest Group ( PCI-SIG ). В нее вошли представители наиболее крупных IT-компаний.
Финальные спецификации PCI 1.0 были готовы к 1993 году. В серверах новый интерфейс заменил и EISA, и MCA. Захват рынка настольных компьютеров произошел не сразу — на тот момент люди были вполне довольны возможностями VLB. С появлением мощных процессоров Pentium недостатки шины стали очевидны — пользователям не давали жить постоянные помехи, наводки от оборудования и испорченные данные на жестких дисках.
В один прекрасный момент Intel представила процессор Pentium Pro в паре с новым чипсетом, в нем место VLB не нашлось. Да, вот так просто компания взяла, да и убрала разъем. Силовые наклонности Intel проявляются и по сей день, ведь именно она форсировала переход на Serial ATA, ратовала за отказ от PS/2 в пользу USB. Что интересно, интерфейс EISA тогда сохранили — соответствующие разъемы оставались на платах еще довольно долго.
К выходу Pentium II в 1995 году PCI-SIG представила спецификации PCI 2.0 (33 МГц). В новой версии была решена проблема прерываний и определения установленных устройств — под эти цели отвели дополнительный канал связи. Периферия могла свободно обращаться к памяти, выделять для себя необходимые участки, а технологию Plug-n-Play довели до ума.
Участники PCI-SIG не почивали на лаврах и продолжали работу над стандартом — в последующие годы появились ревизии 2.1, 2.2 и даже 3.0. Самая ходовая версия PCI обладала пропускной способностью 133 Мб/с. Тем временем на рынке видеокарт только разгоралась борьба за место под солнцем. Производители работали над реализацией аппаратного ускорения 3D-графики. Ярчайшие представители той эпохи — разновидности S3 ViRGE и первый комбинированный 2D/3D графический ускоритель ATI Rage. Не выдержав конкуренции, рынок видеокарт начали покидать различные компании. Многие из них — например, Cirrus Logic — перепрофилировались и успешно существуют до сих пор.
Все описанные тогдашние модели использовали интерфейс PCI — до поры до времени он обеспечивал достаточную пропускную способность. История шины как идеального интерфейса для видеокарт стала подходить к концу с появлением на рынке компаний 3Dfx и NVIDIA. К 1997 году последняя представила сравнительно мощную Riva 128 , ATI продолжила развивать Rage, а 3Dfx выпустила легендарные 3D-акселераторы Voodoo и Voodoo 2. Несмотря на то, что шина PCI позволяла вытворять фокусы, вроде установки двух Voodoo 2 и объединения их в режим SLI, пропускной способности стало не хватать. И снова на арену вышла Intel.
Главное уязвимое место шины PCI заключается в том, что 133 Мб/с делятся между всеми установленными устройствами. Стало быть, для требовательной графической карты нужен обособленный разъем. На разработку Accelerated Graphics Port ( AGP ) ушло немного времени. Первую версию интерфейса представили вместе с процессорами Pentium II для Slot 1. Шина AGP 1x обеспечила пропускную способность до 266 Мб/с. Впервые соединение с процессором было прямым — их «общению» никто больше не мешал. Появилась дополнительная адресация, которая позволила видеокартам посылать новый запрос во время получения уже заказанных данных.
Первая волна видеокарт под AGP не заставила себя долго ждать. В числе пионеров были Rendition Verite V2200 , 3dfx Voodoo Banshee , NVIDIA RIVA 128 , 3Dlabs PERMEDIA 2 , Intel i740 , ATI Rage , Matrox Millennium II и S3 ViRGE GX/2. Разумеется, многие из них при работе задействовали переходной мост.
В дальнейшем Intel совершенствовала шину AGP — появились AGP 2x , AGP 4x и AGP 8x. Каждая новая версия отличалась от предыдущей еще большей пропускной способностью и улучшенными электротехническими характеристиками. AGP 8x обладала внушительной пропускной способностью 2133 Мб/с. Достигнуть этого предела производители видеокарт не успели, по команде Intel индустрия двинулась дальше.
«Дикая утка» IBM
На протяжении всей истории человечества всегда находились провокаторы в хорошем смысле слова, выдумщики и просто светлые головы. Люди, которые никогда не сидели на месте и старались привнести в мир что-то новое. Встречайте одного из таких — Чета Хита (Chet Heath).
Этот сотрудник IBM с тридцатилетним стажем отвечал за разработку многих ключевых компонентов, которые в том или ином виде присутствуют в компьютерах и по сей день. В нашей статье мы затронули сразу два из них — шину MCA и технологию Plug-n-Play. Подобных ему в IBM называют «дикими утками» (wild duck), и именно они вращают колесо прогресса.
Хит пока является единственным сотрудником IBM, дважды получившим награду компании за технологические достижения! Зная, какое влияние оказал «Голубой гигант» на компьютерную индустрию, можно предположить, что Чету мы обязаны многим.
В июне 2000 года Хит покинул родные пенаты. Стало тесно — руководство компании не захотело принимать в оборот предлагаемую им серверную технологию, а раз так, надо двигать дальше. В данный момент наш герой трудится в роли технологического директора на славу компании OmniCluster. Посмотрим, что еще он явит миру…
Задел на будущее
Переход на PCI Express вызвал немало вопросов. К моменту появления интерфейса в 2004 году многие лишь недоуменно поднимали бровь — зачем нужна пропускная способность порядка 4 Гб/с, если видеокарты до сих пор не используют всех возможностей AGP 8x? И зачем возвращаться к PCI?
Уже потом люди узнали, что от PCI-архитектуры в PCI Express осталось только название, шина таит в себе много новых возможностей. Так, инновационный интерфейс вернул позабытую технологию 3Dfx SLI в виде подретушированных NVIDIA SLI и ATI CrossFire. Как обычно, при переходе на новую шину широко использовали переходные мосты. История повторяется вот уже который раз, и с каждым новым витком она становится все интереснее!