Использование новых процессоров в "очень старых" материнских платах

Ценовая война между фирмами AMD и Intel привела к тому, что цена новых Celeron упала заметно ниже сотни долларов. Это привело к тому, что даже тем, кто не планировал замену процессора в своей машине, захотелось это сделать. Хорошо тому, у кого материнская плата относительно новая, способная работать с нынешними процессорами. А как быть тем, кто этой поддержки лишен? Менять "материнку"? Тогда привлекательность апгрейда резко падает. Однако практика показывает, что можно заставить новые процессоры работать в старых платах ценой совсем небольших усилий.

Подчеркну - речь идет в основном об использовании процессоров Celeron и Celeron II в действительно старых платах, т.е. с разъемом Slot 1 на чипсетах 440FX, 440LX, и так далее, даже на тех, где их поддержка вообще не предусмотрена. Однако эта статья касается и плат с Socket 370, рассчитанных только на Celeron PPGA.

ВНИМАНИЕ!!! Приведенные в статье рекомендации нарушают спецификации как материнских плат, так и процессоров! Любая пайка может лишить вас гарантии. Автор не несет никакой ответственности за вышедшее из строя оборудование. Кроме того, автор не несет ответственности за применимость рекомендаций к конкретной апппаратуре. Применение любых рекомендаций, приведенных к статье, происходит на ваш страх и риск!

Но у меня оно работало. Да и платы такого возраста обычно уже не очень жалко ;)

С момента выхода процессора Pentium Pro и до появления Pentium 4 все процессоры фирмы Intel были электрически совместимы: совпадал как способ передачи сигналов (шина GTL+), так и их набор. Изменялись две вещи - напряжение питания ядра процессора Vcore и напряжение питания терминаторов Vtt. Если с первым все понятно - оно медленно и планомерно снижалось вместе с уменьшением размеров элементов с 3.5 В до 1,5 В, то Vtt изначально составляло 1.5 В, затем поднялось до 2.0 В, потом снова было уменьшено до 1.5 В. Такие странные скачки были связаны с "жульничеством" Intel - при переходе на шину с частотой 100 МГц, классический выход с открытым стоком сменился комбинированным (Assisted GTL, AGTL), когда для убыстрения переходных процессов из "0" в "1" на выход на один такт подавался сигнал высокого уровня, а потом отключался. Intel в своих спецификациях призывает рассматривать такой сигнал, как открытый сток, который все равно требует терминаторов на конце линии или pull-up, для создания напряжения высокого уровня. Так вот: напряжение высокого уровня было равно Vcore, поэтому и Vtt пришлось подгонять под Vcore. Но если внимательно изучить Datasheet на процессоры и чипсеты, выясняется, что превышение в 0.5 В меньше максимально допустимого, и на работоспособность влиять не должно. И вообще: старая материнская плата корректно воспримет сигнал, если он превысит Vtt даже на 1.2 В. Таким образом, возможность работы процессора сводится к обеспечению близкого к номиналу Vcore и поддержке со стороны BIOS.

У всех современных процессоров (произведенных не только Intel, но и АМД) величина питающего напряжения считывается с самого процессора, и стабилизатор обязан обеспечить требуемое значение. Требования к стабилизатору были сведены в документ под названием VRM 8 Spec's еще при появлении процессора Pentium Pro. Выход процессора Pentium II ознаменовал появление VRM 8.1 Specification, выход Pentium II Xeon - VRM 8.2 Specification. С появлением процессоров, изготовленных по технологии 0.25 микрона, связан документ VRM 8.3, а по технологии 0,18 микрона - VRM 8.4.

В двух первых документах фигурировали 4 линии идентификации напряжения, и его диапазон составлял от 2.1 до 3.5 В. В следующих двух появилась пятая линия, которая позволила расширить таблицу вниз до 1.3 В, но черным по белому утверждалось, что поддержки напряжений 1.7 В и ниже не требуется. Тем не менее, они потребовалось для процессоров с ядром Coppermine. Таким образом, имеется три поколения стабилизаторов Vcore - обеспечивающие напряжение не ниже 2.1, не ниже 1.8 и не ниже 1.3 В.

Минимальное напряжение 2.1 вольта

Рассмотрим самый плохой случай: минимальное выходное напряжение, обеспечиваемое платой, равно 2.1 В, и она никаким образом не может выдать меньше. Такое бывает только на платах с разъемом Slot 1 самых первых разработок. Этот случай действительно очень тяжелый, и преодоление такого препятствия требует серьезной модификации переходника. Если вы на нее не можете решиться, вам придется ограничиться использованием процессора на ядре Mendocino. Если ваш переходник позволяет установить напряжение 2.1 В - устанавливайте смело, и втыкайте процессор (десятки тысяч оверклокеров уже доказали безопасность такого напряжения для этого типа процессоров). Если же вы купили дешевый переходник, не позволяющий устанавливать напряжение, то придется воспользоваться паяльником и скальпелем. Эта операция, хотя и требует терпения и осторожности, проста и может быть проделана любым пользователем.

К сожалению, переход от 2.0 к 2.1 В требует инверсии всех линий VID (в принципе, если есть желание облегчить себе жизнь, можно установить 2.2 В - при этом ничего паять не нужно, а напряжение продолжает оставаться безопасным). Точнее, если вы уверены, что плата не может обеспечивать напряжение меньше, чем 2.1 вольта, то VID4 можно оставить, как есть, - материнская плата ее игнорирует. VID1-VID3 нужно перерезать, а VID0 - соединить с земляным проводом.

Естественно, все вышеописанное относится и к варианту Slot I процессоров Celeron. Но, чтобы не портить процессор, можно заклеить контактные площадки скотчем, суперклеем или лаком для ногтей. А вот для замыкания VID0 на землю, на процессорной плате есть место под SMD-резистор, вместо которого можно припаять маленький кусочек провода или просто каплю припоя.

Такой вариант был проверен на плате ASUS KN97-X.

Чтобы добиться работы процессора Celeron 333 на этой плате, пришлось воспользоваться рекомендациями по обновлению микрокода, описанными здесь. Для этого пришлось пожертвовать возможностью загрузки с контроллера NCR 810, иначе большая таблица микрокода не умещалась в микросхему флэша. BIOS готовился так:

1. Утилитой CBROM.EXE из BIOS P2B-F версии 1013 была извлечена искомая таблица.
2. Из BIOS KN97-Х версии 1.16 были удалены старый микрокод и BIOS контроллера NCR810
3. В полученную прошивку была внедрена таблица, полученная на первом шаге.

Такая переделка позволяет установить на эту (и подобные платы) процессоры с частотой до 533 МГц. К сожалению, из-за того, что чипсет 440FX не поддерживает Memory Interleave, пропускная способность памяти на KN97-X меньше, чем у плат с SDRAM, и производительность самых дешевых Celeron (без L2 Cache) меньше, чем на платах с более новыми чипсетами (однако использование процессоров с ядром Mendocino позволяет несколько ослабить эту проблему).

Переделка переходника, достаточная для того, чтобы запустить на этой плате Coppermine, достойна отдельной статьи, и здесь описываться не будет. Отмечу только, что для снижения напряжения использовались четыре диода КД213А, включенных параллельно.

Минимальное напряжение 1.8 вольта

Среди плат с разъемом Slot 1 таких абсолютное большинство. Тут уже можно применить и процессор последнего (теперь уже предпоследнего) поколения на ядре Coppermine. Несмотря на то, что у этих процессоров номинальное напряжение колеблется от 1.5 до 1.7 В, напряжение в 1.8 является для них безопасным. Хотя статистика по этому предмету не так велика, как по повышению напряжения для Mendocino, но известно, что отозванный Intel процессор PIII 1133 выдавал VID, соответствующие напряжению 1.75 В, несмотря на то, что маркирован был на 1.7 В. На напряжение 1.75 рассчитаны и новые Celeron с частотой шины 100 МГц.

Значит выставляем на переходнике 1.8 В и втыкаем его в плату. Одно маленькое "но" - для этого нужно купить новый переходник. Если же денег в обрез, то можно переделать старый. Конечно, для переходника ценой 120 рублей такая переделка не очень актуальна, но она поможет нам отработать ту же операцию для материнских плат с Socket 370, но без поддержки FCPGA-процессоров. Наиболее заметный выигрыш от этого получает легендарная плата Abit BP6 - первая из плат с двумя Socket 370. После переделки на нее можно установить 2 процессора Pentium III FCPGA, получив, таким образом, почти двукратный прирост скорости.

Суть переделки заключается в удалении контакта AM2 из Socket 370. Процессоры на ядре Coppermine не хотят работать, если он замкнут на землю как того требует спецификация Mendocino. Последнему это, как выяснилось, вовсе не обязательно - так написано в нынешнем Datasheet на процессоры Celeron, включающем в себя и Covington, и Mendocino, и Coppermine 128.

Для операции потребуется четыре тонких плоских отвертки, или других аналогичных инструмента. Нужно аккуратно разогнуть четыре из шести фиксаторов, удерживающих крышку Socket 370. Пластмасса, из которой сделано процессорное гнездо, обладает определенной эластичностью, но все же нужно проявить осторожность, чтобы не сломать крышку. После того, как вы освободите четыре боковых фиксатора, крышка повиснет на двух задних. Снимая крышку с них, надо внимательно следить за рычагом, чтобы суметь потом поставить его на место.

Если вы все же сломали крышку сокета на материнской плате, не отчаивайтесь - одно отломанное "ухо" не мешает работе сокета. А для сохранения внешнего вида ее можно снять с другого такого же разъема, например, с неисправной платы, или, в худшем случае, купить переходник с таким же разъемом за четыре-пять "условных единиц".

После снятия крышки нужно вооружиться вязальным крючком N1 из стали и паяльником на 40 Вт с заточенным на конус жалом. Такой мощный паяльник нужен потому, что сплошная земляная плоскость, в которую впаян контакт AM2, хорошо отводит тепло от выпаиваемой ножки. Переходник лучше всего зажать в тисках через несколько слоев бумаги в том месте, где на нем нет высоких деталей. Контакт в ZIF Socket обычно имеет форму флажка, поэтому его удобно подцеплять вязальным крючком, нужно лишь, чтобы крючок был достаточно тонким. Можно воспользоваться и пинцетом с тонкими губками, и другим инструментом, главное - не повредить пластмассу. Теперь выпаиваем роковую ножку.

Первые два экземпляра мне удалось переделать "на ура". А вот с третьим вышла незадача. В нем контактные ламели сокета были изготовлены из такого тонкого металла, что мне не удалось их зацепить так, чтобы выпаять. В попытках я оборвал жалом паяльника одну дорожку, и ее пришлось восстановить куском провода ПЭЛШО. Правда, несмотря на утраченный товарный вид, свойства переходника не ухудшились. В итоге я просто отломил ламели с помощью пинцета с тонкими губками. Марка этого упрямого переходника MATRIX CPU Converter.

Мораль - небольшие разрушения, причиненные при переделке, абсолютно не фатальны.

Способ с удалением контакта из разъема гораздо лучше предложенного Томом Пабстом, который просто отломал ножку у процессора, - лучше сохранить гарантию на новый процессор, чем на старую "материнку" или, тем более, на переходник. Удаление этого контакта никак не влияет на работу процессоров Mendocino, и при надлежащей аккуратности можно это сделать совершенно незаметно.

Но, к сожалению, переделка VID с 1.5 на 1.8 В несколько более сложна. Если речь идет о переходнике, там все просто - режем и паяем, но вот с материнской платой так поступать не хочется. Может быть, правда, это и не нужно, если микросхема стабилизатора обеспечивает и напряжения, меньшие 1.8 В. Если вам не повезло, то почти единственно возможный способ - изготовить квадратики скотча размером 2х2 мм, и наклеить их на нужные контакты прямо внутрь разобранного сокета. Способ этот трудоемок и не очень надежен, зато обратим (в отличие от выпаивания контактов).

После того, как мы наклеили скотч на контакт VID2, собираем сокет. Использование скотча внутри сокета невозможно проконтролировать тестером на FCPGA корпусе, так как его ножки не выходят на верхнюю сторону, в отличие от PPGA. Если у вас есть процессор в PPGA корпусе, можно использовать его для проверки качества работы, т.е отсутствия контакта между выводом процессора и выводом сокета, но при этом скотч как раз может отклеиться. Проверять контакт AM2 с помощью PPGA бесполезно, - он замкнут на землю еще и в процессоре.

Что касается сигнала RESET, то, в отличие от Penium III Coppermine, у новых Celeron он использует тот же вывод, что и у старых, поэтому припаивать проводок, соединяющий "старый" и "новый" RESET, как у Пабста, необязательно. Он необходим только для "взрослых" Coppermine.

Итак, предположим, мы добились нужного результата. Тогда встает вопрос, - поддерживает ли BIOS этой платы процессоры с новым ядром? Если да, то можно работать. Так дело обстоит, например, у ASUS P2B ранних ревизий. Если нет, но BIOS произведен фирмой AWARD, нужно провести с ним хирургическую операцию, подобную описанной в этой статье.

Этот вариант был проверен на плате 6LX2 производства Lucky Star. Там таблица обновления микрокода целиком категорически не помещалась. Справедливости ради надо добавить, что эта машина стартует с немодифицированным BIOS, несмотря на отсутствие в нем нужного микрокода, но зависает при загрузке с винчестера. Удалось загрузиться только с DiskOnChip2000. А DMI этот BIOS не поддерживает. Пришлось кромсать таблицу микрокода по живому. С помощью двоичного редактора нужный двухкилобайтный блок (C CPUID 0683) был вставлен на место блока с CPUID 0632. После этой процедуры надо обязательно сбросить CMOS и загрузить значения по умолчанию. Критерием загрузки правильного обновления микрокода служит точное определение тактовой частоты платой.

То же самое было проделано и с ASUS P2L97A. Правда, там самый последний BIOS уже понимает и Coppermine, но таблицу микрокода пришлось на всякий случай подновить. Разница состоит в том, что из-за интегрированного видео в P2l97A использована 2-мегабитная микросхема флэша, и в нее все влезает с запасом.

В случае же BIOS AMI можно попытаться обновить микрокод через DMI. Тому, кто использует Win9x, можно посоветовать загружать микрокод DOS'овской программой, а пользователям других операционных систем придется надеяться на то, что их ошибки не затронут.

Когда статья была уже совсем готова к отправке в редакцию, мне указали на еще один возможный источник несовместимости. Дело в том, что шина P6 поддерживает так называемые "отложенные транзакции" (в английском оригинале - outstanding transactions), и процессоры с кодовыми именами Klamath, Deschutes, Covington, Mendocino и Katmai поддерживают одну отложенную транзакцию, а вот Пентиум Про, и Коппермайн - восемь! Этому механизму требуется поддержка на уровне чипсета (правда, я так и не понял до конца, зачем), и "настоящие пентиум-прошные" чипсеты поддерживают до восьми отложенных транзакций. А вот 440LX, 440BX, и тому подобное - только одну. Поэтому в BIOS какая-то поддержка Coppermine, помимо микрокода, должна быть. Но, вроде бы, у новых Celeron тоже максимум одна отложенная транзакция, поэтому на результаты это не повлияло.

Ну, преодолев все трудности и загрузив систему, можно приступать к оценке того, что же мы получили. К сожалению, в полном объеме провести такое тестирование я так и не успел. Думаю, что люди, прочитавшие эту статью и решившиеся повторить насилие над старенькой "материнкой", могут дополнить приведенные ниже результаты.

Понятно, что процессор при столь заметно повышенном напряжении питания должен хорошо разгоняться, но чипсет 440LX ограничивает возможности разгона частотой 83 МГц. Поскольку никаких проблем со стабильностью процессоров замечено не было, все бенчмарки производились именно на этой частоте. А вот стабильность памяти оказалась у 440LX хуже, чем у BX - имеющийся PC100 DIMM, нормально работавший в P2B-F на 100 МГц при CAS Latency 2 согласился работать на частоте 83 МГц в P2L97 только при CAS Latency 3.

И старый Celeron 333, и новый Celeron 566 были разогнаны, до 417 и 708 МГц соответственно. Для сравнения приведены также бенчмарки процессора Celeron 300 (без кэша L2). Для оценки производительности использовались SiSoft Sandra 2000 и Quake II в режиме программного рендеринга. Программный рендеринг был выбран, во-первых, потому что Ati 3D Rage Pro, распаянный на P2L97A, не тянет на гордое звание 3D-ускорителя, а во-вторых, потому, что сейчас хочется сравнить процессоры.

Конечно, это очень поверхностная оценка, к тому же, она не учитывает новых возможностей процессора (пользователи Adobe PhotoShop, например, получат гораздо большую прибавку за счет использования SSE).

Каждый волен сам решать, стоит ли овчинка выделки, надо ли пытаться вдохнуть новую жизнь в старое "железо", или уж лучше поменять систему целиком. Побочным результатом этих исследований стало подтверждение тезиса о том, что большая часть изменений вносилась в аппаратуру для того, чтобы лишний раз заставить пользователя раскошелиться. Ведь это Intel дал в спецификации диапазон напряжений 3.5-2.1 В, а потом выпустил процессор с номинальным питанием 2.0 В. А потом та же история повторилась "один к одному" - вместо 1.8 В понадобилось 1.65, а затем и 1.5 В, хотя процессорам, в общем-то, все равно. Intel использовал для шестого поколения процессоров четыре различных форм-фактора (Socket 8, Slot 1, Socket 370 PPGA, Socket 370 FC-PGA), чтобы нужно было менять материнскую плату. Поэтому мне кажется, что противодействие этим усилиям ценно уже тем, что идет наперекор мощной корпорации, да что там - всему компьютерному бизнесу :)

Давным-давно, в январе 1998 года я собрал систему на базе материнской платы ASUS P2L97, процессора Pentium Pro 150, и переходника P6SL1 от Tekram (правда, для этого пришлось прошить самый старый BIOS для этой платы). Сейчас, взяв последний переходник от ASUS, процессор Celeron 566, и прошив самый последний BIOS, мы ясно видим, что все изменения были косметическими. Таким образом, архитектура P6 была разогнана за время своего существования в 7 раз (со 150 до 1000 МГц). Это почти в два раза больше, чем P5, стартовавший на 60 и закончивший на 233, или 80486, подросший с 33 до 133 МГц. Такой диапазон свидетельствует о том, что архитектура P6 была исключительно удачной, предвосхитившей нынешние тенденции и во многом опередившей свое время.

Литература:

1. Pentium ® Pro Family Developer's Manual. Volume 1: Specifications
2. PENTIUM ® II PROCESSOR AT 233 MHz, 266 MHz AND 300 MHz.. Datasheet
3. Intel ® Celeron™ Processor Datasheet
4. Intel ® Celeron™ Processor up to 700 MHz Datasheet
5. FC-PGA Pentium III on Celeron PGA370/Slot1 Converter Cards
6. 440LX AGPset: 82443LX PCI AGP Controller (PAC) Datasheet
7. 440BX AGPset: 82443BX Host Bridge/Controller Datasheet
8. 82443BX Host Bridge/Controller Electrical and Thermal Timing Specification - Datasheet Addendum
9. 440FX PCIset - 82441FX PCI and Memory Controller (PMC) and 82442FX Data Bus Accelerator (DBX)
10. VRM8.2 Specifications
11. VRM8.3 Specifocations
12. VRM8.4 Specifications

Послесловие

Выбрав такую тему для статьи, я, конечно, ожидал большого количества откликов на нее, но то, что случилось, меня совсем не обрадовало.

Оказалось, что многие невнимательно прочли статью, и уж точно никто не стал штудировать первоисточники :)

Поэтому я решил, что необходимо дополнить статью некоторыми подробностями.

1. Что касается материнских плат ASUS на чипсетах 440BX и 440ZX, то все они после таких процедур нормально работают с новыми Celeron. Последние версии BIOS для плат на ВХ следует искать тут: ftp://ftp.asuscom.de/pub/ASUSCOM/BIOS/Slot_I/INTEL_Chipset/i440BX/, дальше название вашей платы. Для плат на чипсете ZX, соответственно, ftp://ftp.asuscom.de/pub/ASUSCOM/BIOS/Slot_I/INTEL_Chipset/i440ZX/ и т.д. Последней версией для чипсета 440BX на данный момент является 1013 бета 7, а для ZX - 1013 бета 5. Платы на чипсетах 440LX/EX этой фирмы тоже поддаются этой операции, если размер микросхемы BIOS составляет 2 Мбит (256 кбайт).
2. Платы других производителей могут не работать после такой процедуры. Чтобы она оказалась успешной, BIOS такой платы должен правильно распознавать хотя бы Katmai, которому требуется напряжение 2,0 вольта, и который, таким образом, может быть установлен в такую плату. Если Katmai определяется правильно и если микрокод дополнен блоками, относящимися к Coppermine, тогда после сброса CMOS и загрузки значений по умолчанию плата будет работать с новым Celeron.
3. Какие именно VID нужно замыкать на землю и, наоборот, изолировать, зависит от номинального напряжения процессора.
   При 1,5 -> нужно изолировать VID2 и замыкать на землю VID1 и VID3
   При 1,65 -> нужно изолировать VID0 и VID2 и замкнуть на землю VID3
   При 1.7 -> нужно только замкнуть на землю VID1.
4. Можно определить экспериментально, какое минимальное напряжение поддерживает ваша плата. Для этого нужен цифровой мультиметр, и полтора десятка резисторов 0,125 ватта и сопротивлением 10 Ом (или 9,1 Ом или, наоборот, 11 Ом). Резисторы такой мощности нужны потому, что диаметр их выводов соответствует диаметру ножек процессора. У трех резисторов нужно отрезать выводы (резисторы эти могут быть любого сопротивления). Остальные десять или одиннадцать надо воткнуть в сокет так, чтобы один вывод был воткнут в VSS, а другой в VCCcore. Все резисторы окажутся включенными параллельно. Один из отрезанных штырьков нужно воткнуть в VSS, еще четыре - в VID0-VID3 и подключить к ним переключатели. Теперь установить испытуемую комбинацию и включить компьютер. Конечно, он не заработает, но на любом из резисторов можно померять напряжение. Плата проверяет состояние VID только при включении, поэтому для шестнадцати комбинаций нужно шестнадцать раз включить и выключить компьютер, поэтому рекомендуется отключить питание жестких дисков. Скорее всего, понадобится семь или восемь включений.
5. Я ничего не могу посоветовать владельцам плат с Socket7, или, тем паче, Socket 5. Они используют совсем другую шину.
6. Процессоры Slot 1 тоже можно переделать, но это требует очень большой аккуратности и лишает вас гарантии, поэтому вряд ли можно это рекомендовать.
7. Если на машине, модифицированной таким образом, работает Windows 98, но не работает Windows 2000, то, вероятнее всего, железо тут ни при чем.
8. Celeron на ядре Coppermine и даже некоторые Pentium III Coppermine не поддерживают двухпроцессорные конфигурации! Поэтому устанавливать их в двухпроцессорные платы бесполезно.
9. Плата Abit BP6 при правильном выполнении всех условий работает в двухпроцессорном режиме с процессорами Pentium III Coppermine, нужно только, чтобы оба процессора поддерживали дуальный режим и имели CPUID 0683.
   Большое количество откликов было связано именно с этой платой, поэтому я решил выяснить все сам.
10. Разгон - личное дело каждого. Чипсет 440LX не поддерживает частоту 100 МГц, но на 83 работает зачастую быстрее, чем чипсеты SiS или VIA при 100 МГц. Но помехоустойчивость 440LX заметно хуже, чем у любого из более поздних чипсетов. Поэтому, несмотря на повышенное напряжение питания, могут быть проблемы с работой памяти при большом количестве чипов (например, 32-чиповый 64-Мбайт DIMM).