フロントサイドバス

フロントサイドバス（FSB ）は、1990年代から2000年代にかけてIntelチップベースのコンピュータでよく使われていたコンピュータ通信インターフェース（バス）です。EV6バスは競合するAMD CPUで同じ機能を果たしていました。どちらも通常、中央処理装置（CPU）とノースブリッジと呼ばれるメモリコントローラハブの間でデータを伝送します。^[1]

実装によっては、 CPU をキャッシュに接続するバックサイド バスを備えたコンピュータもあります。このバスとそれに接続されたキャッシュは、フロントサイド バス経由でシステム メモリ (または RAM) にアクセスするよりも高速です。フロントサイド バスの速度は、コンピュータのパフォーマンスの重要な指標としてよく使用されます。

オリジナルのフロントサイド バス アーキテクチャは、HyperTransport、Intel QuickPath Interconnect、Direct Media Interfaceに置き換えられ、その後、Intel Ultra Path Interconnectと AMD のInfinity Fabricに置き換えられました。

この用語は、1990 年代に Pentium ProおよびPentium II製品が発表された頃に Intel 社によって使用されるようになりました。

「フロントサイド」とは、プロセッサからコンピュータシステムの残りの部分への外部インターフェースを指し、バックサイドバスがキャッシュ（および場合によっては他のCPU）を接続するバックサイドとは対照的です。^[2]

フロントサイド バス (FSB) は、主に PC 関連のマザーボード(パーソナル コンピュータやサーバーを含む) で使用されます。組み込みシステムや同様の小型コンピュータで使用されることはほとんどありません。FSB 設計は、過去数十年間の単一システム バス設計よりもパフォーマンスが向上しましたが、これらのフロントサイド バスは「システム バス」と呼ばれることもあります。

フロントサイド バスは通常、チップセットを介して CPU とその他のハードウェアを接続します。Intelはこれをノースブリッジとサウスブリッジとして実装しています。Peripheral Component Interconnect (PCI)、Accelerated Graphics Port (AGP)、メモリ バスなどのその他のバスはすべて、接続されたデバイス間でデータが流れるようにチップセットに接続されます。これらのセカンダリ システム バスは通常、フロントサイド バス クロックから派生した速度で動作しますが、必ずしもそれに 同期しているわけではありません。

AMDのTorrenza構想に応えて、IntelはFSB CPUソケットをサードパーティのデバイスに開放した。^{[3] 2007年春に北京で開催された}Intel Developer Forum で行われたこの発表以前は、IntelはFSBへのアクセス権を厳重に管理し、CPUソケットにはIntelプロセッサのみを許可していた。最初の例は、 Intel- Xilinx - Nallatech ^[4]とIntel -Altera -XtremeData（2008年に出荷）のコラボレーションの成果であるフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）コプロセッサだった。^{[5] [6] [7]}

プロセッサ (CPU) の動作周波数は、場合によっては、フロントサイド バス (FSB) 速度にクロック乗数を適用することによって決定されます。たとえば、3200 MHzで動作するプロセッサは、400 MHz FSB を使用している可能性があります。これは、内部クロック乗数設定 (バス/コア比とも呼ばれる) が 8 であることを意味します。つまり、CPU はフロントサイド バスの周波数の 8 倍で動作するように設定されています: 400 MHz × 8 = 3200 MHz。異なる CPU 速度は、FSB 周波数または CPU 乗数のいずれかを変更することによって実現されます。これは、オーバークロックまたはアンダークロックと呼ばれます。

FSB 速度の設定は、システムで使用するメモリの速度グレードに直接関係します。メモリ バスはノースブリッジと RAM を接続し、フロントサイド バスは CPU とノースブリッジを接続します。多くの場合、これら 2 つのバスは同じ周波数で動作する必要があります。ほとんどの場合、フロントサイド バスを 450 MHz に上げると、メモリも 450 MHz で動作します。

新しいシステムでは、メモリ比率が「4:5」などになることがあります。この状況では、メモリは FSB の 5/4 倍の速度で動作します。つまり、400 MHz のバスではメモリが 500 MHz で動作します。これは、「非同期」システムと呼ばれることがよくあります。CPU とシステム アーキテクチャの違いにより、FSB とメモリの比率が変わると、システム全体のパフォーマンスが予期しない形で変化することがあります。

大きなデータ セットの各要素に対して少量の作業を実行する画像、オーディオ、ビデオ、ゲーム、FPGA合成、科学アプリケーションでは、FSB 速度がパフォーマンス上の大きな問題になります。FSB が遅いと、CPU はシステム メモリからデータが到着するのを待つのにかなりの時間を費やすことになります。ただし、各要素に関連する計算がより複雑な場合は、プロセッサが計算を実行するのにかかる時間が長くなります。そのため、メモリへのアクセス速度が遅くなるため、FSB はペースを維持できます。

メモリ バスと同様に、PCI バスと AGP バスもフロントサイド バスとは非同期に実行できます。古いシステムでは、これらのバスはフロントサイド バス周波数の一定の割合で動作します。この割合は BIOS によって設定されていました。新しいシステムでは、PCI、AGP、およびPCI Express周辺バスは独自のクロック信号を受信することが多く、タイミングに関してフロントサイド バスに依存する必要がなくなりました。

オーバークロックとは、コンピューターのコンポーネントが動作するように設定されている周波数を操作し、必要に応じてコンポーネントに送信される電圧を変更して、より高い周波数でより安定して動作できるようにすることで、コンピューターのコンポーネントを標準のパフォーマンス レベルを超えて動作させる方法です。

多くのマザーボードでは、ジャンパーや BIOS 設定を変更することで、ユーザーがクロック乗数と FSB 設定を手動で設定できます。現在、ほぼすべての CPU メーカーが、プリセット乗数設定をチップに「ロック」しています。ロックされた CPU の一部はロック解除できます。たとえば、一部の AMD Athlonプロセッサは、CPU 表面のポイント間で電気接点を接続することでロック解除できます。AMD や Intel の他のプロセッサは、工場でロック解除されており、この機能があるため、エンド ユーザーや小売業者によって「愛好家向け」プロセッサとしてラベル付けされています。すべてのプロセッサで、FSB 速度を上げると、 CPU とノースブリッジ間の 待ち時間が短縮され、処理速度が向上します。

この方法は、コンポーネントを仕様以上に酷使し、不安定な動作、過熱、早期故障を引き起こす可能性があります。コンピュータが正常に動作しているように見えても、高負荷がかかると問題が発生する場合があります。Hewlett -PackardやDellなどの小売業者やメーカーから購入したほとんどのPC では、不安定な動作や故障の可能性があるため、ユーザーが乗数や FSB 設定を変更することはできません。カスタム マシンを構築するために別途購入したマザーボードでは、ユーザーが PC の BIOS で乗数や FSB 設定を編集できる可能性が高くなります。

フロントサイド バスは、最初に設計されたときは、柔軟性が高く、コストが低いという利点がありました。シンプルな対称型マルチプロセッサでは、共有 FSB に複数の CPU を配置しますが、帯域幅のボトルネックによりパフォーマンスは直線的に拡張できませんでした。

フロントサイドバスは、2008年頃までIntel Atom、Celeron、Pentium、Core 2、Xeonプロセッサのすべてのモデルで使用されていましたが^[8]、2009年に廃止されました。^[9]もともと、このバスはすべてのシステムデバイスとCPUの中心的な接続ポイントでした。

より高速なCPUの潜在能力は、命令やデータを実行するのと同じくらい速くフェッチできなければ無駄になります。CPUはメインメモリのデータの読み取りや書き込みを待つ間、かなりの時間をアイドル状態に費やす可能性があるため、高性能プロセッサには高帯域幅と低レイテンシのメモリアクセスが必要です。フロントサイドバスは、システムパフォーマンスを制限する古くて遅い技術であるとAMDから批判されました。 ^[10]

より現代的な設計では、AMDのHyperTransportやIntelのDMI 2.0、QuickPath Interconnect (QPI)などのポイントツーポイントおよびシリアル接続が使用されています。これらの実装では、従来のノースブリッジが削除され、CPUからシステムメモリ、高速周辺機器、プラットフォームコントローラハブ、サウスブリッジ、またはI/Oコントローラへの直接リンクが採用されています。^{[11] [12] [13]}

従来のアーキテクチャでは、フロントサイド バスは、CPU とシステム内の他のすべてのデバイス (メイン メモリを含む) 間の直接的なデータ リンクとして機能していました。HyperTransport および QPI ベースのシステムでは、システム メモリはCPU に統合されたメモリ コントローラによって独立してアクセスされ、HyperTransport または QPI リンクの帯域幅は他の用途に使用されます。これにより、CPU 設計の複雑さが増しますが、スループットが向上し、マルチプロセッサ システムでのスケーリングが向上します。

フロントサイド バスの帯域幅または理論上の最大スループットは、データ パスの幅、クロック周波数 (サイクル/秒)、およびクロック サイクルごとに実行されるデータ転送数の積によって決まります。たとえば、 100 MHz の周波数で動作し、サイクルごとに 4 回の転送を実行する 64ビット(8バイト) 幅の FSB の帯域幅は 3200メガバイト/秒(MB/秒) です。

8 バイト/転送 × 100 MHz × 4 転送/サイクル = 3200 MB/秒

クロック サイクルあたりの転送数は、使用するテクノロジによって異なります。たとえば、GTL+ は1 サイクルあたり 1 転送、EV6 は2 転送、AGTL+ は4 転送/サイクルです。Intel は、サイクルあたり 4 転送の手法をQuad Pumpingと呼んでいます。

多くのメーカーはフロントサイド バスの周波数を MHz 単位で公開していますが、マーケティング資料には理論上の有効信号速度 (一般にメガ転送/秒または MT/s と呼ばれます) が記載されていることがよくあります。たとえば、マザーボード (またはプロセッサ) のバスが 200 MHz に設定され、クロック サイクルごとに 4 回の転送を実行する場合、FSB の定格は 800 MT/s になります。

以下に、いくつかの世代の一般的なプロセッサの仕様を示します。