Chipset : la plate-forme centrale de la carte mère

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Chipset : la plate-forme centrale de la carte mère
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Par Le Crabe

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Le chipset est un jeu de composants qui gère les communications entre le processeur et les composants connectés à la carte mère de l’ordinateur (mémoire vive, carte graphique, disque dur…) ainsi que les périphériques externes. En d’autres termes, le chipset fait office de passerelle entre le processeur et les autres composants. C’est la plate-forme centrale de la carte mère ! Vous allez le voir, le chipset joue un rôle crucial dans les performances de votre système 🙂

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Les chipsets sont généralement conçus pour fonctionner avec une famille spécifique de processeurs. De fait, une nouvelle génération de processeur arrive presque toujours avec une nouvelle génération de chipset. Les chipsets doivent en effet suivre l’évolution des composants (processeur, mémoire vive…) qui utilisent des technologies toujours plus performantes. Par exemple, en 2017, le chipset AMD B350 est arrivé en même temps que les processeurs AMD Zen ; en 2013, le chipset Intel Z87 est arrivé en même temps que les processeurs Intel Haswell.

Quelles différences peut-on trouver entre deux chipsets d’une même famille ?

Par exemple, pour les chipsets de la famille Intel série 6 lancés en même temps que les processeurs Intel Sandy Bridge, il y a des modèles qui incorporent un processeur graphique mais qui ne permettent pas d’overclocker son processeur (Intel H67), d’autres sans processeur graphique mais qui permettent l’overclocking (Intel P67) ou encore des modèles qui possèdent des fonctions supplémentaires comme le SSD Caching ou l’USB 3.0 (Intel Z68).

Pendant longtemps, le chipset était basé sur l’architecture Northbridge/Southbridge, deux puces installées sur la carte mère.

Un chipset à deux puces Northbridge et Southbridge – Source : karbosguide.com

Architecture Northbridge/Southbridge

La puce Northbridge gère les communications entre le processeur et les périphériques rapides tels que la mémoire vive (via le bus mémoire), la carte graphique (via le bus graphique PCI Express) et le Southbridge (via un bus interne). Le Northbridge est directement connecté au processeur via le front-side bus (FSB).

Le Northbridge était généralement associé à un Southbridge. Le Southbridge gérait les communications avec les périphériques d’entrée/sortie (IDE, SATA, USB, Ethernet…). A part le moniteur, tous les périphériques que vous branchiez sur votre PC transitaient par cette puce.

Source : bbc.co.uk

Par souci d’exhaustivité, voici toutes les fonctions du Northbridge et celles du Southbridge :

  • Northbridge : bus système (FSB), bus mémoire, bus graphique (AGP ou PCI Express), clock buffer, clock generator et Southbridge.
  • Southbridge : bus PCI, ISA, SATA, IDE, USB, PS/2, audio, réseau et clock generator.

Intel Hub Architecture (IHA)

En 1999 et à partir du chipset Intel 810, le Northbridge et le Southbridge ont été respectivement remplacés par le Memory Controller Hub (MCH) – ou le Graphics and Memory Controller Hub (GMCH) lorsque celui-ci intégrait un processeur graphique – et le I/O Controller Hub (ICH). Ces deux contrôleurs sont reliés par un bus interne et forment l’Intel Hub Architecture (IHA).

Le MCH est similaire au Northbridge et permet de contrôler la carte graphique en AGP et la mémoire vive ; l’ICH est quant à lui similaire au Southbridge et permet de contrôler les périphériques d’entrée/sortie.

Intel Hub Architecture (IHA) – Source : Ars Technica

Grâce à un bus haut-débit de 266 Mo/s qui relie l’ICH au MCH, l’Intel Hub Architecture (IHA) est beaucoup plus rapide que l’ancienne architecture Northbridge/Southbridge, qui connectait ses deux puces via un bus PCI avec une bande passante de 133 Mo/s. Beaucoup plus tard, en 2008, la version 10 de l’ICH implémentera une nouvelle interface bidirectionnelle – DMI (Direct Media Interface) – de 10 Go/s, accélérant les échanges entre le MCH et l’ICH.

Platform Controller Hub (PCH)

Au fil des années, cette architecture système a fini par montrer ses limites. En effet, la vitesse des processeurs a continué d’augmenter alors que la bande passante du FSB n’a pas progressé, provoquant ainsi un goulot d’étranglement. Pour schématiser, c’était comme si nous étions dans une chaine de travail avec un ouvrier (le processeur) et un convoyeur (le FSB) : l’ouvrier effectue ses tâches très rapidement mais le convoyeur est tellement lent qu’il met du temps à lui en transmettre de nouvelles. Pendant ce temps-là, le processeur poirote et la chaine de travail (le système) tourne au ralentit.

Ancienne architecture avec le MCH et le FSB (chipsets Intel série 4) – Source : Dr Dobb’s

Pour remédier au problème et améliorer les performances du système, le FSB a donc été remplacé par l’HyperTransport chez AMD et par le QuickPath Interconnect (QPI) chez Intel. Ainsi, l’ouvrier (le processeur) ne travaille plus avec l’ancien convoyeur (le FSB), mais avec un tout nouveau ultra-rapide (le QPI ou l’HyperTransport) qui lui donne les nouvelles tâches à accomplir beaucoup plus rapidement ! Les premières implémentations du QPI avec les processeurs Intel Nehalem proposeront une bande passante de 25,6 Go/s, soit le double de ce que propose un FSB classique avec un processeur Intel Core 2 Extreme (12,8 Go/s).

Mais les fabricants de processeurs ne s’arrêtent pas là : ils décident de retirer le contrôleur mémoire du Northbridge et de l’intégrer directement dans le processeur. Ce changement a porté ses fruits puisqu’il a permis de réduire les temps de latence entre le processeur et la mémoire vive. Dans cette nouvelle architecture, le MCH laisse place au I/O hub (IOH) avec les chipsets Intel série 5 « Tylersburg » (Intel X58).

Nouvelle architecture avec l’IOH et le bus QPI (chipsets Intel série 5 « Tylersburg ») – Source : Dr Dobb’s

Et ce n’est pas fini ! En parallèle, le contrôleur graphique PCI Express, qui gère la communication entre le CPU et la carte graphique, est lui aussi déplacé dans le processeur avec les chipsets Intel série 5 « Ibex Peak ».

Ces implémentations ont signé la mort du traditionnel Northbridge qui va disparaitre. Une nouvelle architecture système – qui est toujours en place aujourd’hui – voit le jour : comme les fonctions principales du Northbridge sont intégrées au sein du processeur, toutes les fonctions du Southbridge et quelques-unes restantes du Northbridge (ex. : clock buffer) sont consolidées dans une seule et nouvelle puce : le Platform Controller Hub (PCH), reliée au CPU par l’interface Direct Media Interface (DMI).

A gauche, l’ancienne architecture (chipsets Intel série 4) ; à droite, la nouvelle (chipsets Intel série 5 « Ibex Peak ») – Source : National Instruments

Désormais, les fonctions principales de l’ancien Northbridge sont intégrées dans le processeur : en plus des cœurs du CPU, on y retrouve le contrôleur mémoire et le contrôleur graphique PCI Express.

Die d’un processeur Intel Lynnfield, on y trouve un contrôleur mémoire et un contrôleur graphique PCI Express

Ainsi, le chipset évolue d’une architecture IHA à deux puces (GMCH et ICH) à une architecture PCH à une puce. Cette nouvelle architecture réduit la taille de la carte mère et fait le bonheur des appareils de petite taille.

Le chipset PCH Intel X99 (chipset Intel série 9) à une puce avec son dissipateur thermique – Source : ocdrift.com

Le chipset PCH Intel X99 (chipset Intel série 9) à une puce sans son dissipateur thermique – Source : ocdrift.com

Comment ça marche ?

Le schéma suivant vous permettra d’y voir plus clair :

A droite, la nouvelle architecture système avec les chipsets Intel série 5 – Source : DailyTech

Le processeur (Processor) intègre un contrôleur mémoire (IMC) pour communiquer avec la mémoire vive (DDR 3) et un contrôleur graphique (iGFX) pour communiquer avec la carte graphique en PCI Express (PCIe Graphics). Le processeur est relié au PCH (Intel 5 Series Chipset) – lequel communique avec les périphériques d’entrée-sortie – via une interface propre à Intel, nommée DMI (Direct Media Interface). Seul le contrôleur graphique (iGFX) – intégré dans le processeur – utilise une interface spécifique, nommée FDI (Flexible Display Interface), afin que les images générées par la carte graphique (PCIe Graphics) soient envoyées au PCH qui se chargera de les envoyer au moniteur (Display).

Toujours en vie ? 😛

En 2010, à partir des processeurs Intel de génération Westmere, une nouvelle étape est franchie : le processeur graphique, que l’on pouvait trouver en option dans le PCH, est déplacé dans le package du processeur. Le chipset, dans sa forme PCH, perd une fois de plus une fonction importante, après le contrôleur mémoire et le contrôleur graphique PCI Express.

Processeur Intel Westmere (à droite) intégrant un processeur central, un processeur graphique et un contrôleur mémoire sur deux puces et dans le même package

Vous le voyez, au fil des années, le rôle du chipset a bien changé. Et même s’il a perdu quelques plumes, il reste un composant essentiel de votre système : c’est encore lui qui gère les ports USB, SATA, PCI Express, LAN et HD Audio ! Pour le moment… 😉

Sources :

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  • Je me suis jamais intéressé au « côté hardware de la force » et là j’ai appris.
    Cette formule est pas mal du tout : comment ça fonctionne et comment ça a évolué.
    Bien joué 😉

    • Merci pour ton commentaire !

      Pour l’anecdote, j’étais en train de réécrire l’article sur l’évolution des processeurs Intel Core, quand j’ai voulu donner une petite définition du chipset… et c’est parti en vrille, je me suis passionné pour ce sujet et j’en ai fait un article complet 😛

      Du coup, je vais retourner sur l’article original 😉