EL CIRCUITO IMPRESO

Los componentes del motherboard se montan y sueldan sobre una placa llamada PCB que cumple la función de conducir electricidad por pistas y aislar el resto.

El PCB, Printed Circuit Board o placa de circuito impreso, es un elemento que debemos conocer. Debido a la gran cantidad de microcomponentes soldados al motherboard y a las placas de expansión, actualmente encontramos PCBs multicapa. En efecto, puede haber ocho o más capas conductoras, cada una trazando distintos circuitos entre los plated through holes.

Las capas aislantes pueden ser de diversos materiales. En la industria de la informática no suele usarse papel embebido en resina fenólica, como en otras áreas de la industria electrónica, por no ser suficientemente eficaz en resistir el calor. En cambio, los PCB utilizados en motherboards son más seguros y resistentes al estar basados en materiales FR2 (Flame Retardant, o retardador de llamas, de nivel 2). Estas placas están compuestas por finas láminas de fibra de vidrio impregnadas en resina epóxica o fenólica, la cual, además de ofrecer alta seguridad, resulta más fácil de cortar, perforar y mecanizar.

PLATED-THROUGH HOLES

Los PTH son pequeños tubos metálicos que recubren las paredes de las diminutas perforaciones efectuadas en el motherboard para soldar componentes como capacitores e inductores. Estos minitubos, también llamados vías, hacen las veces de terminales que, de forma interna, van soldados a las pistas que corresponda en las múltiples capas que el circuito impreso del motherboard alberga. Los circuitos impresos de alta densidad pueden tener vías ciegas, que son visibles en un solo lado de la tarjeta; o vías enterradas, que no son visibles en el exterior de la tarjeta. Los orificios del PCB se perforan con diminutas brocas construidas de wolframio. Las perforaciones se hacen con equipos automatizados, controlados por un mecanismo que contiene información sobre el trabajo por realizar. Si en un circuito se precisan vías muy delgadas, resulta muy costoso perforar con brocas, porque se está mecanizando un material frágil. En estos casos, las vías pueden hacerse por medio de un haz láser, y reciben el nombre de microvías.

EL CHIPSET

El chipset del Motherboard Define la estabilidad, rendimiento, calidad en el funcionamiento y capacidad de overclocking, no solamente de la placa madre, sino también del equipo completo.

El chipset es el componente más importante del motherboard: especifica sus prestaciones, como, por ejemplo, qué procesadores soportará la placa madre, a qué frecuencia operarán sus buses, qué tipo de memoria RAM será compatible, y qué interfaces de disco, video y demás puertos serán soportadas. El significado de su nombre proviene del conjunto de chips, ya que, en un principio, el chipset estaba formado por decenas de pequeños circuitos integrados; al menos, esto era así en los motherboards para procesadores Intel 80286 y 80386.

Gracias a la miniaturización, el número de chips se fue reduciendo hasta integrar decenas de chips en tan solo un puñado; actualmente, la tendencia de los fabricantes es a concentrar todo en dos o tres encapsulados.

EL NORTHBRIDGE

El northbridge (puente norte) es la parte principal que conforma el chipset, y fue concebido como concepto junto con la especificación ATX. Controla el tráfico entre el procesador (a través del bus QPI o del Front Side Bus), la memoria RAM (por medio del bus de memoria), la interfaz de video (por medio del bus PCI Express) y el southbridge (puente sur), a través de un bus que los interconecta.

Todas las tareas que lleva a cabo el puente norte implican una gran cantidad de cálculos, por lo que el integrado suele generar altas temperaturas. Esta es la razón por la cual la mayoría de los fabricantes opta por colocar encima del northbridge un disipador de calor, un cooler o heatpipes (como se está viendo en los modelos de motherboards más avanzados y recientes). El northbridge solía conectarse al procesador por medio de un bus de datos muy especial, el FSB (Front Side Bus), el cual define el rendimiento de la placa madre. Este componente del chipset se ocupa de mantener la sincronización entre los distintos buses del sistema y el FSB. Los procesadores más recientes emplean buses como el QPI (de Intel) o el Direct Connect (en el caso de AMD). Esta distribución ha ido cambiando con el correr del tiempo. En el caso de los chipsets para procesadores AMD Athlon 64 o Intel Core i7 no poseen controlador de memoria, ya que esa función viene implementada en el propio procesador.

En plataformas anteriores, el controlador del bus PCI se encontraba en el northbridge, elemento que actualmente está incorporado en el puente sur. En realidad, lo que se intenta lograr con estos cambios es su dedicación exclusiva a las transacciones entre el procesador y la interfaz gráfica. Es más, en algunos casos, los northbridge incorporan el controlador gráfico en el mismo encapsulado, con el fin de ganar rendimiento al acceder más rápidamente a la memoria que comparte con la del sistema. Para acelerar aún más la comunicación entre procesador y GPU, los fabricantes de procesadores están integrando la GPU en el mismo encapsulado que la CPU (en algunos modelos), y prescinden del northbridge (o lo reemplazan con un chip llamado PCI-E Bridge, encargado solo de administrar transacciones entre el bus PCI Express y el o los procesadores). Antes de la llegada de procesadores con el controlador de memoria RAM incorporado, el northbridge también era conocido como MCH (Memory Controller Hub, o vínculo controlador de memoria), al menos en los chipsets desarrollados por Intel. Como hoy en día todos los procesadores incorporan el controlador de memoria, este nombre cayó en desuso.

EL SOUTHBRIDGE

El objetivo de este integrado es controlar gran número de dispositivos, como la controladora del bus PCI, los puertos USB y FireWire, y las controladoras para unidades Serial ATA y Parallel ATA, entre otras funciones. Vale aclarar que el fabricante Intel suele denominar al southbridge (y a ciertas funciones que dependen de él) con determinados nombres. Por ejemplo, durante la década de 1990, Intel denominaba al southbridge con una famosa sigla: PIIX (PCI IDE ISA Xcelerator), implementación que llegó a contar con varias versiones que fueron evolucionando (PIIX3 y PIIX4 para motherboards de escritorio, y PIIX5 para servidores). En la actualidad, Intel se refiere al southbridge como ICH (I/O Controller Hub). Esta denominación nació en 1999 con la primera versión del southbridge de Intel 82801, y evolucionó hasta su versión actual (ICH10). La empresa también utiliza otras siglas para referirse a ciertas funciones que administra el ICH: OHCI (Open Host Controller Interface), que se encarga de administrar las conexiones USB 1.1 y FireWire; UHCI (Universal Host Controller Interface), que es la parte del southbridge encargada de gestionar las conexiones USB 1.0; y EHCI (Enhanced Host Controller Interface), que controla funciones USB 2.0. Es muy común ver estas interfaces coexistiendo en un motherboard moderno, cada una asumiendo el rol correspondiente según se conecten al sistema dispositivos USB de distintas versiones. Como solución a este pequeño enjambre de controladoras, Intel propuso la interfaz xHCI (Extensible Host Controller Interface), que proporciona compatibilidad con todas las normas USB (3.0, 2.0 y 1.1) junto con importantes ventajas: menor consumo, mayor velocidad y mejor soporte para tecnologías de virtualización. Existe, además, una especificación llamada AHCI (Advanced Host Controller Interface), que ya ha alcanzado su revisión 1.3, y se encarga de controlar las unidades Serial ATA. El southbridge también tiene la función de alojar una pequeña memoria conocida como CMOS RAM, la cual almacena la configuración que se establece mediante el Setup del BIOS: cantidad y tipos de discos duros conectados, y parámetros sobre el procesador, la memoria RAM y el bus PCI Express, entre otros. Un componente relacionado con la memoria CMOS RAM es el RTC (Real Time Clock), o reloj de tiempo real, que también suele estar integrado en el southbridge. Se trata de un simple contador digital de fecha y hora que impacta constantemente su valor actual en la memoria CMOS RAM. El southbridge también administra las peticiones de interrupción (IRQ) y el acceso directo a memoria (DMA) que los dispositivos necesitan para comunicarse con el procesador y la RAM, respectivamente. Super I/O. Este pequeño chip es el encargado de controlar los puertos USB, el teclado y el mouse PS/2, entre otros componentes.

BUSES DE INTERCONEXIÓN ENTRE LOS PUENTES

Existe un bus que une el northbridge con el southbridge, y hay varias especificaciones y versiones disponibles. Cada fabricante de chipsets puede desarrollar su propio bus o adquirir licencias de uso de alguno ya existente. En un principio, el northbridge se comunicaba con el southbridge por medio de un canal del bus PCI. Esa situación debía cambiar cuanto antes, ya que el bus PCI ofrecía solo 32 bits operando a 33 MHz, con el agravante de ser un bus compartido con las placas de expansión conectadas a él. Hace unos años, la cantidad de dispositivos estaba superando la capacidad de esta conexión entre northbridge y southbridge, lo cual forzó a los desarrolladores a crear nuevas soluciones.

Cada fabricante diseñó su propio canal de conexión con sus propias características, ventajas y desventajas. Algunas de estas tecnologías ya han caído en desuso, pero las mencionaremos de todos modos porque fueron las pre-cursoras de tecnologías actuales.

*  Hub Link: Intel estrenó su propia plataforma llamada Hub Link en la línea de chipsets i810/i845/i850, con un ancho de banda de 266 MB/s. Luego de un par de años de la aparición de su primer bus de interconexión entre puentes, la misma empresa incluyó en sus motherboards el bus Hub Link 2.0, que cuadruplicaba la velocidad de la versión anterior: alcanzaba un ancho de banda de 1 GB/s.

*  Direct Media Interface: El sucesor de la tecnología Hub Link fue el bus DMI (Direct Media Interface, o interfaz de acceso directo al medio), que duplicaba la velocidad del Hub Link 2.0 para llegar a 2 GB/s. El bus DMI está basado en el bus PCI Express de cuatro líneas, es decir, el PCI Express x4. Esta tecnología también recibe el nombre de IHA (Intel Hub Architecture) y comenzó a emplearse desde el chipset Intel 810.

*  HyperTransport: Es un tanto confuso interpretar las características del bus HyperTransport, debido a que es muy flexible y puede adaptarse a las necesidades de cada sistema o fabricante. Por eso, es común asegurar que la misma especificación o versión de HyperTransport trabaja en determinado sistema a 800 MB/s, y en otro, a 400 MB/s. Por su parte, NVIDIA utilizó el HyperTransport, cuya primera versión (chipsets nForce y nForce2) operaba a 800 MB/s de ancho de banda. Su segunda versión trabajó a 8 GB/s y fue incluida en chipsets como el nForce 3. HyperTransport 3.0 fue utilizado por chipsets de AMD y NVIDIA, y logró velocidades de hasta 41,6 GB/s (20,8 GB/s en cada sentido). La última revisión, la 3.1, alcanza 51,2 GB/s (20,6 GB/s en cada sentido). AMD utiliza este bus no solo para comunicar el northbridge y el southbridge del chipset, sino también para comunicar procesadores (en sistemas multiprocesador basados en Direct Connect Architecture) y, a su vez, estos con el northbridge. Por su parte, Intel emplea actualmente la interfaz QPI (Quick Path Interconnect) para reemplazar el FSB (Front Side Bus).

*  V-Link: VIA empleó su propia tecnología, conocida como V-Link, como bus de interconexión, operando a 533 MB/s de transferencia. Luego utilizó la evolución de V-Link, que recibió el nombre de Ultra V-Link y operaba a una velocidad de transferencia de 1 GB/s.

*  MultiOL: El fabricante SiS utilizó su bus MultiOL de 533 MB/s de ancho de banda en su línea de chips SiS6xx, y una versión mejorada de 1,2 GB/s en su línea SiS7xx.

CHIP SUPE R I/O

El northbridge y el southbridge no suelen ser los únicos integrados que conforman el chipset: también son necesarios algunos chips adicionales que se encargan de gestionar otros servicios, tales como audio, gráficos, controladoras de disco, puertos serie, puertos PS/2 y controladoras de puertos USB, entre otros. Estos chips no son más que tarjetas, con la diferencia de que sus componentes están soldados directamente sobre el motherboard. La ventaja es la reducción de costos y la comodidad de tener todo en una sola unidad, además de facilitar la circulación de aire dentro del gabinete. La desventaja es el rendimiento, que no es comparable con el de una placa discreta, y una menor flexibilidad a la hora de la libre elección de componentes por parte del usuario. En la mayoría de los casos (interfaces de sonido y red) no hay diferencias con respecto a una placa PCI, pero en dispositivos como las tarjetas gráficas, la diferencia puede ser considerablemente notoria. Opcionalmente, algunos integrados Super I/O pueden incluir funciones como un puerto para joystick/MIDI y un puerto IR (infrarrojo).

Este chip también suele denominarse LPCIO, nombre alternativo que proviene del bus o puente que, en algunos casos, el integrado utiliza para conectarse al southbridge: se lo conoce como LPC (Low Pin Count). Todo depende de si el bus empleado es del tipo LPC, ya que existen diversos buses de interconexión entre el southbridge, el BIOS y el integrado Super I/O, como el SPI (Serial Peripheral Interface, de Motorola). Antiguamente, el integrado Super I/O y el BIOS se conectaban al southbridge mediante el bus ISA, siendo esta la única razón por la cual este permaneció en los motherboards durante un período adicional al estimado, a pesar de la exitosa implementación del bus PCI.