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Infos zu FSB, Hypertransport, Referenztakt der AMD-CPUs
Anwender, welche sich schon längere Zeit mit Prozessoren, Overclocking und Tuning beschäftigen, müssen seit Einführung der AMD Athlon 64-Prozessoren umdenken. "Hypertransport", "HTT-Link" und "Referenztakt" lauten die neuen Begriffe, die maßgeblich an der Taktrate der CPU und der Leistungsfähigkeit des Systems beteiligt sind.
Die Zeiten sind (zumindest bei AMD) vorbei, in denen ein zentraler Taktgeber (Front-Side-Bus, kurz FSB) existierte, nach dem sich alle Komponenten wie CPU, RAM, AGP oder PCI zu richten hatten. Wer beispielsweise einen Athlon 64 oder Athlon X2 übertakten möchte, der benötigt das Wissen, wie sich die Taktraten zusammensetzen. Bevor aber auf die neue Technik eingegangen wird, soll zum besseren Verständnis die klassische "Front-Side-Bus-Architektur" näher erläutert werden.
Der klassische Front-Side-Bus (FSB)
In "früheren" Systemen, beispielsweise ein PC mit einem AMD Athlon XP, ist der Front-Side-Bus (FSB) der zentrale Taktgeber. Änderungen an dessen Takt wirken sich unmittelbar auf die Taktraten der eingebauten Komponenten wie CPU, RAM, AGP oder PCI aus, da sich der Takt zum einem aus dem FSB und zum anderen aus einem Multpikator bzw. Teiler zusammensetzt.
Beträgt der FSB beispielsweise 100 MHz und der Multiplikator der CPU 12, so wird diese mit 1200 MHz (100 MHz * 12 = 1200 MHz) getaktet. Beim AGP-Takt, der bei 66 MHz liegen muss, kommt kein Multiplikator zum Einsatz, sondern ein Teiler. Dieser beträgt bei einem FSB 1,5 (100 MHz / 1,5 = 66,6 MHz). Letztendlich läuft es darauf hinaus, dass die einzelnen Taktraten direkt vom FSB abhängig sind.
Eine weitere wichtige Erkenntnis im Vergleich zur neueren AMD-Technik ist die Tatsache, dass die CPU stets über den FSB-Bus via Northbridge mit den restlichen Komponenten (RAM, Grafikkarte, etc) kommunizieren muss. Der FSB-Bus wird somit schnell zum Flaschenhals, wenn größere Datenmengen zwischen CPU und Speicher transportiert werden:
Prinzip klassisches System (Front-Side-Bus)
Die Grafik zeigt, dass die Northbridge die Kommunikation von CPU, RAM und VGA verwaltet. Die Northbridge wiederum ist über einen Hochgeschwindigkeitsbus mit der Southbridge verbunden, welche die restlichen Komponenten verwaltet.
Neue AMD-Technik: Referenztakt, Hypertransport, Memory Controller
Die neue AMD-Technik beispielsweise im Athlon 64 hat dafür gesorgt, dass der zentrale Taktgeber nahezu komplett entfällt. Die Taktraten der Komponenten setzen sich nun anders zusammen, was im Folgenden erklärt wird.
Aus FSB wird Referenztakt, HTT-Link (Hypertransport)
und "Memory-Controller-Takt"
1.) Referenztakt - Taktgeber der CPU
Beginnen wir bei der Taktrate der CPU: beim klassischen Athlon XP-System war der FSB an der CPU angelegt, so dass sich der CPU-Takt aus FSB und Multiplikator zusammengesetzt hat. Da der FSB beim Athlon 64 & Co nun nicht mehr existiert, spricht man von einem so genannten Referenztakt. Der Referenztakt hat keinerlei Auswirkung auf den Rest des Systems oder die Leistungsfähigkeit des Systems. Er dient einzig und allein für die Definition des Prozessortakts. Beim Athlon 64 beträgt der Referenztakt 200 MHz, so dass der Multplikator des Athlon 64 3200+ mit 2 GHz Taktfrequenz Zehn beträgt (10 * 200 MHz = 2000 Mhz).
2.) Integrierter Memory Controller
AMD hat beim Athlon 64 & Co den Memory Controller (Speicherinterface) direkt in der CPU implementiert. Das bedeutet, dass die CPU Daten direkt mit dem Arbeitsspeicher austauschen kann, ohne einen Umweg über den Chipsatz (Northbridge) zu gehen. Der Arbeitsspeicher und dessen Takt sind nun nicht mehr vom Chipsatz, sondern direkt von der CPU abhängig.
Jetzt ergibt sich aber folgendes Problem: der integrierte Memory Controller unterstützt (zur Zeit) PC1600 (DDR200), PC2100 (DDR266), PC2700 (DDR333) und PC3200 (DDR400) Arbeitsspeicher. DDR-Speicher werden wie folgt getaktet:
PC1600 (DDR200) = 100 MHz
PC2100 (DDR266) = 133 MHz
PC2700 (DDR333) = 166 MHz
PC3200 (DDR400) = 200 MHz
Es ist natürlich einleuchtend, dass beispielsweise der im Athlon 64 3200+ (2 GHz) System eingesetzte DDR400-Arbeitsspeicher nicht mit 2 GHz betrieben werden kann. Hier kommt nun ein Teiler zum Einsatz, so dass der Takt des Arbeitsspeichers vom Takt der CPU abhängig ist. Folgende Beispielrechnung soll das Prinzip verdeutlichen:
BEISPIEL: Athlon 64 3200+ (2 GHz)
DDR400 = RAM-Teiler 10 (2000 MHz / 10 = 200 MHz)
DDR333 = RAM-Teiler 12 (2000 MHz / 12 = 166 MHz)
DDR266 = RAM-Teiler 15 (2000 MHz / 15 = 133 MHz)
DDR200 = RAM-Teiler 20 (2000 MHz / 20 = 100 MHz)
Beim Athlon 64 3200+ mit 2 GHz Taktfrequenz geht die Rechnung sauber auf. Da der Multiplikator eine ganze Zahl sein soll, können nun "krumme" Taktraten beim Arbeitsspeicher auftreten:
BEISPIEL: Athlon 64 3400+ (2,2 GHz)
DDR400 = RAM-Teiler 11 (2200 MHz / 11 = 200 MHz)
DDR333 = RAM-Teiler 14 (2200 MHz / 14 = 157 MHz)
DDR266 = RAM-Teiler 17 (2200 MHz / 17 = 129 MHz)
DDR200 = RAM-Teiler 22 (2200 MHz / 22 = 100 MHz)
Wie man unschwer erkennen kann, läuft bei einem Athlon 64 3400+ 2,2 GHz System DDR333 und DDR266 unter den eigentlichen Spezifikationen. Natürlich könnte man den Teiler niedriger setzen, was aber eine Übertaktung des Speichers bedeuten würde, was nicht im Sinne der Hersteller ist. Im BIOS kann man in der Regel nur festlegen, welchen Speichertyp (DDR400, DDR333, etc) man einsetzt. Dieser "Alias" legt nun den RAM-Teiler fest, welcher sich aus der eingesetzten CPU ergibt. Für jede Speicherart hat der Athlon 64 mehrere Teiler für die verschiedenen Taktungsschritte.
3.) Hypertransport - Peripherieschnittstelle
Der integrierte Speichercontroller ermöglicht also den direkten Zugriff auf den Arbeitsspeicher. Wie sieht es aber nun mit dem Rest des Systems (Grafikkarte, Festplatte, PCI-Karten) aus? Dies erfolgt über den Hypertransport-Link (HTT-Link), welches ein unabhängiger Datenbus ist und keine direkte Abhängigkeit zum Arbeitsspeicher hat. Die HyperTransport Technologie ist eine Point-to-Point (Punkt-Zu-Punkt) Hochgeschwindigkeitsverbindung, welche den Datenaustausch von CPU und den oben genannten Systemkomponenten ermöglicht. Der Hypertransport-Link wird auch als Peripherie-Schnittstelle bezeichnet.
Durch Hypertransport wird die die Anzahl der Busse in einem System verringert und die Bandbreite im Vergleich zu bestehenden Technologien erhöht. Der HTT-Link kann unterschiedliche Taktraten und Breite (Bit) haben, was sich letztendlich auf die Durchsatzraten auswirkt.
Prinzip / Aufbau System mit Hypertransport
Zusammenfassend kann man sagen, dass der Hypertransport-Link die Verbindungsleitung zu den Peripheriegeräten in einem PC-System darstellt. Je höher der Takt bzw. je breiter das Interface, desto höher sind die Datendurchsatzraten und desto mehr Daten können gleichzeitig transportiert werden.
Bei einem Athlon 64 3200+ beträgt der Takt des Hypertransport-Link physikalische 1000 MHz und die Breite des Interface 16 Bit. Da Hypertransport auf der DDR-Technologie aufbaut und bidirektional fungiert, ergibt sich eine Durchsatzrate von 8 GB pro Sekunde (4 GB/s CPU zum System + 4 GB/s System zur CPU):
1000 MHz * 16 Bit * 2 = 32.000 Mbit/s = 4.000 MB/s = 4 GB/s ==> Bidirektional 4 GB/s * 2 = 8 GB/s
Zusammenfassung der unterschiedlichen Taktraten
Hier noch einmal der Übersicht halber die Zusammensetzung der einzelnen Taktraten:
CPU-Takt = CPU-Multiplikator * Referenztakt
RAM-Takt = CPU-Takt / RAM-Teiler
HTT-Link = LTD-Multiplikator * Referenztakt
Info zu LTD: Man könnte anstatt LTD-Multiplikator auch HTT-Multiplikator schreiben. Hypertransport ging aus einem Projekt von AMD mit dem Namen Lightning Data Transport (LDT) hervor.
Auswirkung der Taktraten auf die Leistungsfähigkeit
Erhöht man den CPU-Takt, so wirkt sich dies positiv auf die Rechenfähigkeit einer CPU aus. Die Leistungsfähigkeit kann vor allem in rechenintensiven Anwendungen (Bsp.: Video-Rendering, Musik-Konvertierung, etc) gesteigert werden. Beispiel: Video-Encoding DVD-Film in das MPG-Format.
Die Erhöhung des RAM-Taktes erhöht Leistungsfähigkeit des Arbeitsspeichers. Anwendungen, welche viele Daten in den Arbeitsspeicher auslagern und oft darauf zugreifen müssen, profitieren von den höheren Speicherdurchsatzraten. Man spricht hier von speicherlastigen Anwendungen. Beispiel: Aufwendige und komplexe 3D-Spiele, welche große Datenmengen an Texturen und Grafiken in dem Arbeitsspeicher zwischenspeichern.
Die Steigerung des Takt des Hypertransport-Links wirkt sich positiv auf die Durchsatzraten mit den Peripheriegeräten wie Festplatte, PCI-Karten, Grafikkarte, etc aus. Sollten auf einem PC-System so viele Daten transportiert werden, so dass die zentrale Datenautobahn in Form des Hypertransport-Links an die Kapazitätsgrenzen stößt, macht die Erhöhung des HTT-Takts Sinn. Da aber in der Regel ein herkömmlicher PC ca. 1,2 bis 1,7 GB/s Daten hin- und herbewegt, wird der HTT-Link nur in Hochleistungssystemen an die Grenzen gebracht. Beispiel: CPU-lastige Grafikkartenanwendungen wie CAD oder hohe Festplatten-Transfer-Raten.