Techtalk: Frontside-Bus

Was ist der Frontside-Bus? Der Frontside-Bus verbindet den Prozessor mit allen weiteren Komponenten des Computers. Er muss die Daten zum, und nach der Berechnung wieder vom Prozessor weg transportieren. Ihm kommt also die zentrale Bedeutung zu, den Prozessor möglichst flott mit Arbeit zu versorgen.

In diesem Artikel erklären wir, wie der Frontside-Bus funktioniert, was DDR-RAM ist und was es mit dem Schlagwort „quad-pumped“ auf sich hat. Bevor wir uns dem Thema widmen, ist allerdings noch ein kurzer Ausflug in die Rechnerarchitektur nötig.

Nord und Süd

In einem Rechner gibt es schnelle (Hauptspeicher, PCI) und langsame (USB, Firewire) Komponenten. Damit die Daten von diesen Komponenten zum Prozessor gelangen, müssen sie über einen Datenbus mit diesem verbunden werden. Damit langsame Komponenten schnelle nicht ausbremsen, indem sie z. B. den Datenbus belegen, werden sie an getrennte Datenbusse angeschlossen. Die beiden Busse werden von der Southbridge (langsame Komponenten) und der Northbridge (schnelle Komponenten) gesteuert. North- und Southbridge sind ebenfalls untereinander verbunden und die Northbridge bindet schließlich die Peripherie über den Frontside-Bus an den Prozessor an.

Die wichtigste an der Northbridge angeschlossene Komponente ist der Hauptspeicher. Aus dem Hauptspeicher wird der Prozessor mit Befehlen und Daten beliefert. Im letzten Jahrzehnt sind die Taktraten von Prozessoren und Hauptspeicher immer weiter divergiert. Damit der Prozessor nicht immer länger auf Daten warten muss, mussten sich die Ingenieure etwas einfallen lassen.

DDR und QDR

Bei Hauptspeicher wird sogenannter DRAM (Dynamic RAM) verwendet. Vereinfacht gesagt besteht eine Speicherzelle aus einem Kondensator und einem Transistor. Ein aufgeladener Kodensator kann z. B. eine logische 1 repräsentieren, ein leerer eine logische 0. Der Transistor dient dabei als Schalter, die Ladung vom Kondensator abzurufen. Wer sich noch an seinen Physikunterricht in der Schulzeit erinnern kann, weiß, dass ein Kondensator seine Ladung nach einer gewissen Zeit verliert. Deshalb muss der Inhalt eines DRAM-Bausteins nach einer gewissen Zeit aufgefrischt werden. Ein weiterer Nachteil von DRAM ist, dass Daten nach dem Auslesen wieder in das DRAM zurückgeschrieben werden müssen, da beim Auslesen die Information verloren geht. Deshalb lässt sich die Taktrate von DRAM nicht so schnell steigern.

Es gibt zwar mit SRAM (Static RAM) eine schnellere Speichertechnologie, aber für eine Speicherzelle werden mindestens 6 Transistoren benötigt. Deshalb belegt solch ein Speicher sehr viel Fläche auf einem Chip und ist teuer in der Herstellung. Daher kommt SRAM nur bei schnellen Cache-Speichern (z. B. L2-Cache) zum Einsatz.

Damit sich die Geschwindigkeit von DRAM trotzdem steigern lässt, haben die Ingenieure die DDR-Technik entwickelt. DDR steht für „Double Data Rate“. Theoretisch ist damit eine Verdopplung der Datenrate bei gleichem Takt möglich. Normalerweise werden Daten auf einem synchronen Bus bei einer steigenden Flanke des Taktsignals übertragen. Bei DDR-RAM wird für die Übertragung zusätzlich die fallende Taktflanke genutzt. Damit allein müsste allerdings die Zugriffszeit auf die Speicherzellen immer noch verdoppelt werden. Deshalb kommt zusätzlich die sogenannte „Prefetch“-Technik zum Einsatz, bei der pro Zugriff doppelt so viele Daten, wie auf einmal herausgegeben werden können, ausgelesen werden. Die eine Hälfte wird dann mit der steigenden Flanke, die andere Hälfte mit der fallenden Flanke übertragen.

Eine Weiterentwicklung von DDR-RAM ist QDR-RAM. QDR steht für „Quad Data Rate“. QDR-RAM erlaubt gleichzeitigen Lese- und Schreibzugriff über getrennte Lese- und Schreibleitungen. QDR-RAM wird aktuell nur bei Hochgeschwindigkeitsrechnern und verteilten Systemen verwendet, bei denen Kosten eine untergeordnete Rolle spielen.

Um die Geschwindigkeit von DDR-RAM weiter zu steigern wurde DDR2-RAM entwickelt. Hierbei wird der Prefetch-Puffer gegenüber DDR-RAM noch einmal verdoppelt und es wird gegenüber „normalem“ RAM die vierfache Datenmenge ausgelesen. Daten werden wieder mit beiden Taktflanken ausgegeben. Damit gegenüber DDR-RAM die Geschwindigkeit gesteigert werden kann, wird der Takt erhöht, mit dem der Prefetch-Puffer ausgelesen wird. Die aktuelle Ausbaustufe ist DDR3-RAM, bei dem mit einem 8-fach Prefetch-Puffer gearbeitet wird.

Schein und Sein

In Marketingprospekten wird häufig (bewusst?) die Taktfrequenz mit der Datenrate verwechselt. Wenn von einem Quad-Pumped FSB 800 mit einer Busfrequenz von 800MHz die Rede ist, dann ist eigentlich von einem 200MHz-Bus die Rede, an den ein DDR2-Speicher angeschlossen ist. Von Intel gibt es mittlerweile Prozessoren, die FSB1066 und FSB1333 unterstützen. Der daran angeschlossen Speicher wird mit einer Taktfrequenz von 266 bzw. 333MHz betrieben.

Alternativen zum Frontside-Bus

Wie eingangs erwähnt, ist der Frontside-Bus der Flaschenhals bei der Versorgung des Prozessors mit Daten, da er letztlich von allen Komponenten gemeinsam genutzt wird. IBM, AMD und weitere Firmen haben deshalb ein Verfahren entwickelt, mit denen Komponenten mit dedizierten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verbunden werden können. Die Technik ist unter dem Namen „Hypertransport“ bekannt geworden und kommt bei allen aktuellen AMD-Prozessoren zum Einsatz. Der Hauptspeicher erhält eine separate Anbindung an den Prozessor und kann diesen damit kontinuierlich mit Daten versorgen.

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