主板上还剩啥?CPU整合GPU/北桥/南桥
泡泡网主板频道2月6日 众所周知,主板上最重要、成本最高的两颗芯片,被称为北桥和南桥,其中北桥负责与处理器对接,主要功能包括:内存控制器、PCI-E控制器、集成显卡、前/后端总线等,都是速度较快的模块;而南桥则负责外围周边功能,速度较慢,主要包括:磁盘控制器、网络端口、扩展卡槽、音频模块、I/O接口等等。
传统的南北桥芯片组功能示意图
Intel与AMD的新一代处理器,已经将传统北桥的大部分功能都整合在了CPU内部,Intel的Clarkdale与Sandybridge处理器则是完全整合北桥芯片,与其搭配的P55/H55/P67/H67等芯片组其实就是一颗南桥。
现在北桥已被整合在了CPU内部
而现在,AMD打算在未来的APU处理器当中,除了北桥外将南桥也完全整合进去,如此一来,与之搭配的主板上将不会再有芯片组,只是一块堆满接口和插槽的扩展输出板子而已。
目前市场上热卖的Core i3 5XX和Core i5 6XX处理器就是基于Clarkdale核心的产品,它们首次整合北桥芯片(包括集成显卡),但整合的方式比较特别:
Clarkdale核心处理器封装示意图
Clarkdale核心包括CPU和GPU两个部分,CPU部分使用了新一代32nm工艺制造,是双核心四线程设计;GPU部分就是传统意义上的北桥,为45nm工艺制造,内含双通道DDR3内存控制器、PCI-E控制器和集成显卡。
Clarkdale的北桥(GPU)和CPU部分示意图
CPU部分和GPU部分是各自独立的,微观上通过QPI总线相连,宏观上被封装在了一起,接口是与Lynnfield相同的LGA1156。整体上来看Clarkdale不仅整合了内存控制器和PCI-E控制器,还整合了显示核心,看似更加先进。
实际上,Clarkdale只是将原本放在主板上的北桥芯片,挪到了CPU的铁盖下面,本质上并没有整合任何东西(包括显卡和内存控制器)。但是与之搭配的H55芯片组,确实只剩下了一颗南桥。北桥的发热量远高于南桥,由于北桥位于处理器上面,因此用户再也不用担心主板的散热问题了。
目前市面上热卖的Core i7 8XX和Core i5 7XX处理器,就是基于Lynnfield核心的产品,这是真正意义上整合了北桥的处理器。
Lynnfield核心示意图
Lynnfield相比Bloomfield(Core i7 9XX),在处理器内核部分几乎没有任何改动,同样是45nm工艺、原生四核心设计、支持超线程(仅限i7)、三级缓存容量也保持8MB,它也整合了内存控制器和QPI总线,但删去了一条内存通道,成为主流的双通道设计,QPI总线也删去了一条,仅保留一条。
Lynnfield与Bloomfield的L1/L2/L3完全相同
事实上,对于大多数普通用户来说,三通道内存的带宽过剩,因此删去一条之后,性能并没有多少损失。另外Bloomfield内置的两条QPI总线是给多CPU互联之用,而在民用市场基本完全闲置,只有一条QPI总线用来连接北桥,因此删掉一条没有任何影响。
简化成双通道之后,Lynnfield的针脚数量和封装面积缩小不少
Bloomfield已经整合了传统北桥最重要的功能——内存控制器,所以X58北桥当中就只剩下了PCI-E控制器。Lynnfield核心由于定位较低一些,考虑到大多数主流用户并不需要多显卡互联,因此Intel索性将北桥当中剩余的模块——PCI-E控制器简化之后(只有16条通道),全都整合在了CPU当中。
正因为整合了PCI-E控制器的关系,Lynnfield的晶体管数以及核心面积都要比Bloomfield大,所以Core i7 8XX处理器的售价比相近频率的Core i7 9XX还要贵。好在P55主板要比X58便宜,而且双通道内存显然比三通道便宜,另外不支持超线程技术的i5 7XX售价还算厚道,因此很受欢迎。
★ 配套芯片组P55,接口类型LGA1156
通过Intel官方Lynnfield核心示意图来看,处理器与芯片组之间居然没有使用QPI、而是通过DMI总线相连。要知道QPI总线带宽高达25GB/s,而DMI仅有2GB/s。
Intel官方的这张示意图让很多人产生误解
事实上在Lynnfield核心内部,除了整合了内存控制器外,Intel连PCI-E控制器也整合了进去(因此上图显卡直接与CPU相连),这就相当于整颗北桥都被CPU吃掉了,连接CPU与北桥的QPI总线自然也不会幸免。如此一来,CPU将直接与“南桥”相连,他们之间的总线叫做DMI。
也就是说,Lynnfield内部还是整合了QPI总线的,虽然只有一条,这一条QPI总线用以连接CPU核心部分与PCI-E控制器部分。Bloomfield核心的QPI总线频率可以随便超,而Lynnfield核心的QPI被锁定,其实没有任何关系,因为QPI的唯一用途就是连接北桥,内存走的是直连通道已经不经过QPI总线了,因此超频QPI不会有什么性能提升。
P55芯片组示意图
P55是单芯片设计的芯片组,其本质上就是一颗南桥,功能和ICH10R没有太大区别,既不支持SATA3.0也不支持USB3.0,而且南桥中的PCI-E通道是落后的1.1版本。要知道Lynnfield核心内部整合的PCI-E 2.0通道只有16条,只能满足单显卡或者双显卡的需要,此时如果用户有需要使用高速的扩展设备(比如USB3.0扩展卡)的话,P55南桥提供的PCI-E 1.0接口就成为了最大瓶颈。
为了缓解这一瓶颈,一线主板厂商不得不整合第三方PCI-E桥接芯片,将P55当中的多条PCI-E 1.0通道组合起来使用,这种方法让主板成本增加不少。
Lynnfield核心不但整合了内存控制器、而且整合了QPI总线以及PCI-E总线,是真正意义上“消灭”了北桥芯片的处理器。但它定位中高端,因此并没有整合显卡。
Clarkdale核心虽然将CPU和GPU首次封装在了CPU基板上面,但本质上它并没有做到CPU和GPU的融合,竞争对手AMD认为Intel这种方式其实是“胶水”整合,他们自己的APU才是真正意义上的“融合”。
Lynnfield虽然确实整合了北桥,但它在整合时并没有包括显卡。而Intel全新的Sandybridge处理器,则集众多先进技术与一身,在Lynnfield核心的基础上,加入了新一代核心显卡,架构方面也有所微调。这是第一款真正意义上整合了北桥+显卡的处理器。
毫无疑问,SandyBridge相对于上代的Clarkdale来说,最大的改进就是将GPU部分真正融入了CPU核心内部,这样GPU部分也使用了先进的32nm工艺,并且可以充分利用CPU部分的大容量三级缓存以及低延迟的内存控制器,共享内存带宽,从而让集显部分获得可观的性能提升。
GPU处理单元和CPU核心被整合在了一颗芯片上面
除了CPU和GPU真正无缝整合在一起之外,Intel还对CPU与GPU两大处理器核心分别做了优化与改进,获得更高的指令执行效率,此外整合内存控制器相比上代产品带宽将更高、延迟会更低,而且CPU的三级缓存也可以被GPU共享,因此整合显卡的性能获得了非常客观的提升。
优化的核心、智能的频率控制、以及单一32nm工艺的核心,SandyBridge相比上代产品速度更快、功率更小,处理器效能被提升到新的境界!
AMD的Athlon 64是业界首次整合了内存控制器的处理器,但在此后很长一段时间内,AMD在整合方面并没有太多的作为,其配套芯片组产品一直都是北桥和南桥分离式设计,北桥内部只有PCI-E控制器和整合显卡。
就在Intel发布SandyBridge的同时,AMD也正式发布了传闻已久的Fusion APU处理器,将CPU和GPU无缝融合在了一起。但首批发布的产品定位比较低端,CPU仅为双核、GPU的规格也比较低、而且还不支持PCI-E扩展外接显卡,整合程度远不如SandyBridge。
这款微控智能ITX-AF2S1A主板采用Nano-ITX规格,集成了一颗AMD Zacate处理器,频率为1.6GHz,同时还集成了HD 6310 GPU,支持UVD 3.0解码技术、支持DirectX 11、1080i/p以及H.264、VC-1和MPEG-4等高清格式视频的播放等技术。
这颗APU被直接焊在了主板上面,包括了CPU、GPU和北桥的全部功能
这才是主板的芯片组,就是一颗南桥
AMD APU定位于嵌入式平台、工控机、HTPC等对配置要求不高的领域,CPU和GPU的性能基本够用,南桥功能全面,无需额外的扩展插槽。因此并没有整合太多高速总线和功能模块。
AMD有很多款针对不同领域的APU产品,此前已经发布的APU定位较低,列都是双核CPU搭配入门GPU的配置。而到了今年中,AMD将会陆续发布定位中高端的APU,将会是四核CPU搭配中端GPU的配置,相信可以满足绝大多数用户的需要。
AMD已经发布的APU家族名称为“Brazos”的E系列和C系列处理器,前者代号为“Zacate”,最高功耗为18W TDP,主要针对笔记本或入门台式机,后者代号为“Ontario”,最高功耗仅9W TDP ,则针对高画质上网本、HTPC或嵌入式平台市场。
同时,AMD也会于上半年推出代号为Llano的A系列APU处理器,将会内建更多数目的核心,并内建更高规格的绘图核心,其中据AMD表示,A系列拥有 500GFLOP/s 或以上的平衡运算能力,预期年中将会正式发布并针对主流级市场。
除此之外,AMD表示下半年将会分别针对高阶市场、主流级桌上型平台市场和行动计算机市场推出如“Dorado”、“Lynx”、“Scorpius”、“Danube”和“Sabine”等系列产品。 2012 年将会针对推出“Komodo”、“Trininty”、“Krishna”和“Wichita”等系列,除了核心数目进一步增加外,其中,更提及到“Krishna”将会把南桥芯片的功能整合到APU内,加上采用28nm制程,令该系列芯片面积进一步减少,同时有效缩小设计空间。
这样的设计将非常适合嵌入式平台,AMD将首次把64bit、DX11显卡引入该领域,显示输出方面不但支持双头输出,而且还能提供一个LVDS接口直接连接到液晶面板,在保证超高集成度的同时提供了强大的功能,AMD的这一举动满足了嵌入式平台愈来愈高性能需求的用途,同时亦能有效降低放置空间要求。■<
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