Iniciantes: Entendendo o chipset

Publicado em 17/11/2009 – 17:05
por Carlos Morimoto

Nos primeiros PCs, os chips controladores da placa-mãe ficavam espalhados em diversos pontos da placa. Não é preciso dizer que este design não era muito eficiente, já que mais componentes significam mais custos, mas era necessário na época, já que os chips eram muito mais simples. Era usado então um chip separado para o coprocessador aritmético, para o controlador de teclado, para os controladores de disco e assim por diante:

Com o avanço da tecnologia, os circuitos passaram a ser integrados em alguns poucos chips. Isso trouxe duas grandes vantagens: a primeira é que, estando mais próximos, os componentes podem se comunicar a uma velocidade maior, permitindo que a placa-mãe seja capaz de operar a frequências mais altas. As segunda é a questão do custo, já que produzir dois chips (mesmo que mais complexos) sai mais barato do que produzir vinte.

Muitas vezes, temos a impressão de que novas tecnologias (sobretudo componentes miniaturizados) são mais caras, mas, na maior parte dos casos, o que acontece é justamente o contrário. Produzir chips utilizando uma técnica de 45 nanometros é mais barato do que produzir utilizando uma técnica antiga, de 90 ou 180 nanometros, pois transistores menores permitem produzir mais chips por wafer, o que reduz o custo unitário.

Usando uma técnica de 180 nanometros (0.18 micron), temos transistores 16 vezes maiores que ao utilizar uma técnica de 45 nanometros. Isso significa que, utilizando aproximadamente o mesmo volume de matéria-prima e mão de obra, é possível produzir quase 16 vezes mais chips.

É bem verdade que migrar para novas tecnologias implica um grande custo inicial, já que a maior parte do maquinário precisa ser substituído. Os fabricantes aproveitam o impulso consumista do público mais entusiasta para vender as primeiras unidades por preços muito mais altos (o que cria a impressão de que a nova tecnologia é mais cara), mas uma vez que os custos iniciais são amortizados os produtos da nova geração acabam custando o mesmo, ou menos que os anteriores, mesmo incluindo mais funções.

Assim como os demais componentes, os chipsets evoluíram e incorporaram mais funções. Nos micros 386, até mesmo as interfaces IDE e portas seriais eram adicionadas através de placas de expansão, enquanto a maioria das placas atuais incluem, além das interfaces básicas, também interfaces vídeo, som e rede onboard, ou seja, oferecem a um custo muito baixo funções que antes precisavam ser adicionadas através de placas extras.

A grande maioria dos chipsets segue o projeto tradicional, onde as funções são divididas em dois chips, chamados de porte norte (north bridge) e ponte sul (south bridge). Nos últimos anos essa designação anda um pouco fora de moda, com os fabricantes adotando nomes pomposos, mas ainda pode ser utilizada como uma definição genérica.

A ponte norte é o chip mais complexo, que fica fisicamente mais próximo do processador. Ele incorpora os barramentos "rápidos" e as funções mais complexas, incluindo o controlador de memória, as linhas do barramento PCI Express (ou AGP, no caso das placas antigas) além do chipset de vídeo onboard, quando presente. As placas para processadores AMD de 64 bits e para os Core i5 e i7 não possuem o controlador de memória, já que ele foi movido para dentro do processador.

Nas placas atuais, a ponte norte do chipset é sempre coberta por um dissipador metálico, já que o chip responde pela maior parte do consumo elétrico e, consequentemente, da dissipação de calor da placa-mãe. Em muitos casos, os fabricantes utilizam coolers ativos ou até mesmo heat-pipes para refrigerá-lo.

A ponte sul é invariavelmente um chip menor e mais simples que o primeiro. Nas placas atuais ela incorpora os barramentos mais lentos, como o barramento PCI, portas USB, SATA e IDE, controladores de som e rede:

É comum que os fabricantes adicionem funções adicionais ou substituam componentes disponíveis na ponte sul, incluindo controladores externos. Com isso, podem ser adicionadas portas SATA ou IDE adicionais, o controlador de áudio pode ser substituído por outro de melhor qualidade ou com mais recursos, uma segunda placa de rede onboard pode ser adicionada e assim por diante. Entretanto, com pouquíssimas exceções, as funções da ponte norte do chipset não podem ser alteradas. Não é possível adicionar suporte a mais linhas PCI Express ou aumentar a quantidade de memória RAM suportada (por exemplo) adicionando um chip externo. Estas características são definidas ao escolher o chipset no qual a placa será baseada.

Embora incorpore mais funções (em número) as tarefas executadas pela ponte sul são muito mais simples e os barramentos ligados a ela utilizam menos trilhas de dados. Normalmente os fabricantes utilizam as tecnologias de produção mais recentes para produzir a ponte norte, passando a produzir a ponte sul utilizando máquinas ou fábricas mais antigas.

No caso de um fabricante que produz de tudo, como a Intel ou a AMD, é normal que existam três divisões. Novas técnicas de produção são usadas para produzir processadores, a geração anterior passa a produzir chipsets e chips de memória, enquanto uma terceira continua na ativa, produzindo chips menos importantes e controladores diversos. Isso faz com que o preço dos equipamentos seja mais bem amortizado. No final, o maquinário obsoleto (a quarta divisão) ainda acaba sendo vendido para fabricantes menores.

O chip MCH (ponte norte) do chipset P35, lançado pela Intel em julho de 2007, por exemplo, era ainda produzido em uma técnica de 90 nanômetros (0.09 micron), a mesma utilizada na produção do Pentium 4 com core Prescott, cuja produção foi encerrada mais de um ano antes.

O chip ICH9 (ponte sul), por sua vez, era produzido utilizando uma técnica de 0.13 micron, a mesma usada no Pentium 4 com core Northwood e no Pentium III com core Tualatin, ainda mais antigos. A diferença na técnica de produção é justificável pela diferença de complexidade entre os dois chips. Enquanto o MCH do P35 possui 45 milhões de transistores (mais que a versão inicial do Pentium 4, que possui apenas 42 milhões), o ICH9 possui apenas 4.6 milhões, quase 10 vezes menos.

Conforme os processadores foram migrados para a técnica de produção de 45 nanômetros, os chipsets passaram a ser produzidos na técnica anterior, de 65 nm, como é o caso do chipset P45 (lançado em 2008) e do X58 (lançado em 2009).

Uma curiosidade é que nos antigos chipsets para placas soquete 7 e slot 1, como o Intel i440BX e o VIA Apollo Pro, a ligação entre a ponte norte e ponte sul do chipset era feita através do barramento PCI. Isso criava um grande gargalo, já que ele também era utilizado pelas portas IDE e quase todos os demais periféricos. Nessas placas, até mesmo o barramento ISA era ligado no sobrecarregado barramento PCI, através de um chip conversor, o PCI-to-ISA bridge.

Nas placas atuais, a ligação é feita através de algum barramento rápido, que permite que a troca de informações seja feita sem gargalos. No caso dos chipsets da Intel, por exemplo, a ligação é feita através do barramento DMI:

Não existe uma padronização para a comunicação entre os dois chips, de forma que (com poucas exceções) os fabricantes de placas-mãe não podem utilizar a ponte norte de um chipset em conjunto com a ponte sul de outro, mesmo que ele seja mais barato ou ofereça mais recursos.

Devido a diferenças no barramento e outras funções, o chipset é sempre atrelado a uma família de processadores específica. Não é possível desenvolver uma placa-mãe com um chipset AMD que seja também compatível com processadores Intel, por exemplo.

O chipset é de longe o componente mais importante da placa-mãe. Excluindo o chipset, a placa não passa de um emaranhado de trilhas, conectores, reguladores de tensão e controladores diversos. Placas que utilizam o mesmo chipset tendem a ser muito semelhantes em recursos, mesmo quando fabricadas por fabricantes diferentes.

Como o chipset é também o componente mais caro, ele também é um indicador da qualidade geral da placa-mãe, já que placas com chipsets baratos, sobretudo as com os modelos mais simples da SiS e VIA tendem a ser "baratas" também em outros aspectos. Por outro lado, é raro que um fabricante utilize um chipset mais caro, da Intel ou nVidia, em uma placa de segunda linha.

Para o futuro, a tendência é que as linhas PCI Express e os chipsets de vídeo onboard sejam movidos para dentro do processador, reduzindo a importância do chipset. Um bom exemplo são as placas para o Core i7 baseadas nos chipsets P55 e H57, onde em vez de um "chipset", temos um único chip (que corresponde à ponte sul), já que os componentes da ponte norte do chipset foram movidos para dentro do processador.