ערכת שבבים

תרשים המתאר את פעילות ערכת השבבים של לוח אם של מחשב אישי, בתצורה המסורתית של חלוקה לגשר צפוני ודרומי.

ערכת שבבים (Chipset) היא קבוצה של מעגלים משולבים (שבבים) אשר מתוכננים לעבוד ביחד, ובדרך כלל מסומנים כמוצר אחד. לדוגמה: ערכת שבבים של כרטיסי הרחבה למחשב אישי.

ערכת שבבים של לוח אם של מחשב אישי

בתחום המחשבים האישיים, המושג ערכת שבבים מתייחס לרוב לשבבים מיוחדים המיועדים ללוחות אם. היצרן של ערכות שבבים אלו יכול להיות יצרן עצמאי שאינו קשור ליצרן של לוח האם. בנוסף, ערכות שבבים אלו תומכת לרוב במעבדים שונים (כגון AMD ואינטל). תפקידה של ערכת השבבים הוא לסייע למעבד המרכזי בניהול משאבי הזיכרון, שליטה על זרימת המידע וניהול פעולת הציוד ההיקפי. ה-Chipset קובע במידה רבה את סוג המעבד שהמחשב יוכל לעבוד איתו ואת מהירותו, והוא אחד הרכיבים המשמעותיים ביותר לביצועי המחשב בכלל.

בלוחות אם המיועדים לעבוד עם מחשבים תואמי PC, בעלי מעבדי אינטל ו-AMD, המושג "ערכת שבבים" מתייחס לרוב לשני שבבים:

הגשר הצפוני שהיה מכונה על ידי אינטל Memory Controller Hub או בקיצור MCH אצל אינטל.
הגשר הדרומי שהיה מכונה גם I/O Controller Hub או בקיצור ICH אצל אינטל, ו Fusion Controller Hub אצל AMD.

הגשר הצפוני מגשר בין המעבד לבין חלקי חומרה שהמידע צריך לעבור בינם לבין המעבד במהירות גבוהה. דהיינו מקשר אל הזיכרון הפנימי ואפיק כרטיס המסך (ה-AGP או ה-PCI Express). כמו כן הגשר הצפוני מקשר את המעבד אל הגשר הדרומי. בנוסף, בגשר הצפוני ממוקם בקר הזיכרון, מה שקובע למעשה את סוג הזיכרון שיתאים למחשב, ובלוחות אם מסוימים היה מותקן בו גם בקר תצוגה פשוט שאיפשר לחבר התקני תצוגה ישירות אל לוח האם, ומכונה בפשטות "כרטיס מסך מובנה".

כיוון שהגשר הדרומי אינו מקושר ישירות למעבד הוא מקושר לשאר ההתקנים שלא צריכים גישה מהירה למעבד כמו כרטיסי הרחבה למיניהם (PCI ו-ISA), התקני IDE ועוד. יש התקנים שצורכים עוד פחות משאבים מכך, כגון בקר תקליטונים או ציוד היקפי כמקלדת ועכבר, ולשם כך הגשר הדרומי מאציל סמכויות אלו על רכיב נפרד הנקרא בקר קלט/פלט Super I/O.

השונות בין ערכות שבבים שונות מתבטאת בחלוקת התפקידים בינן לבין הרכיבים האחרים של לוח האם (למשל, יש מחשבים שבהם בקר הזיכרון נמצא דווקא בגוף המעבד ולא בגשר הצפוני) במתחים של האותות החשמליים העובדים בינם לבין הרכיבים האחרים ובצורתם. הבדל צורני בולט הוא קיומו או אי קיומו של גוף קירור על הגשר הצפוני.

בין היצרניות הבולטות של ערכות השבבים למערכות מחשב תואמות PC, ניתן למצוא את AMD, אינטל, nVidia, SiS ו-VIA.

המעבר לכיוון שילוב חלק מתפקודי ערכת השבבים במעבד עצמו

באופן מסורתי, הדרך העיקרית בה היה מתקשר המעבד עם יתר רכיבי המחשב הייתה דרך הגשר הצפוני של ערכת השבבים. כאמור לעיל, הגשר הצפוני היה אחראי על קיום קשר דו-כיווני בין המעבד לבין רכיבים הפועלים במהירות רבה יותר (חריצי זיכרון הRAM, ואפיקי AGP ובהמשך גם PCIe x16 ששימשו את כרטיס המסך), וכתוצאה מכך גם צורכים יותר משאבים. קשר דו-כיווני זה היה נקרא FSB (ראשי תיבות של Front Side Bus) ומהירותו הייתה נמדדת במגה-הרצים ועל כן הכינוי המקובל בקרב טכנאים לאפיק זה היה בפשטות "מהירות לוח האם". אפיק דומה, מסוג PCI, היה מחבר בין הגשר הצפוני לגשר הדרומי, שהיה מטפל ביתר ההתקנים.

עד 2003, כל תקשורת בין המעבד לבין התקן ככרטיס זיכרון או ככרטיס מסך, הייתה נשלטת על ידי הגשר הצפוני, כביכול "בשמו" של המעבד. ככל שמהירויות ההתקנים גדלו, הדבר יצר צוואר בקבוק והוביל לכך שביצועי ההתקנים בחומרת המחשב היו מוגבלים למעשה על ידי מהירות אפיק ה-FSB שחיבר את המעבד ליתר ההתקנים. הדבר השתנה כשחברת AMD הוציאה באותה שנה את מעבדי Athlon 64 ששווקו עם לוחות אם בתושבת 754. לוחות אם שכאלו הכילו רק רכיב אחד ששולט על מרבית ההתקנים, בעוד שבקר הזיכרון הוטמע ישירות בתוך המעבד, והמעבד "מדבר" עם רכיבי הזיכרון ישירות דרך אפיק שנקרא HyperTransport‏^[1]. אינטל אימצה מגמה זו בשנת 2008, עם יציאת המעבדים הראשונים מסדרת Core iX בארכיטקטורת Nehalem וערכת השבבים X58, שם המעבד היה "מדבר" ישירות עם הזיכרון דרך אפיק הנקרא QPI (ראשי תיבות של Quick Path Interconnect) שהחליף את ה-FSB.

בשלב יותר מאוחר, העמיקה עוד יותר מגמה זו לכיוון שילוב לא רק של בקר הזיכרון ואפיק הגישה לזיכרון, אלא גם של הבקר השולט באפיקי כרטיס המסך ואף של כרטיס המסך המובנה של לוח האם, שעד כה היה מצוי בתוך הגשר הצפוני, אל המעבד עצמו, והעברה של יתר הפונקציות אל רכיב בודד על לוח האם. המימוש של אינטל לשילוב הנ"ל הגיע עם יציאת הדור השני של מעבדי Core iX בארכיטקטורת Sandy Bridge, וכאן יצאו לוחות אם המכילים רכיב בודד הנקרא PCH (ראשי תיבות של Platform Controller Hub). מגמה זו נמשכת למעשה עד היום. הרכיב המקביל בלוחות אם מודרניים של AMD נקרא FCH (ראשי תיבות של Fusion controller hub) אך מאז יציאת הארכיטקטורה של מעבדי Ryzen נקרא הרכיב בפשטות בשם "ערכת שבבים".

גלריה

ערכת שבבים בחלוקה המסורתית בלוח אם תוצרת MSI. הגשר הצפוני מדגם SiS 650 הוא החלק המכוסה בגוף קירור ירוק, בראש התמונה. הגשר הדרומי, מדגם SiS 961, בתחתית התמונה.
בלוח אם מודרני זה של חברת GIGABYTE ניתן לראות את רכיב ה-PCH (מלבן מכוסה) שהחליף את תפקידי הגשר הדרומי, בעוד שתפקידי הגשר הצפוני עברו למעבד.
קטע מלוח אם של מחשב נייד י.ב.מ טי 42. החלקים מסומנים בתמונה כדלקמן: CPU=מעבד מרכזי. NB=גשר צפוני. GPU=מעבד גרפי. SB=גשר דרומי.