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不走寻常路!揭开板卡原生与桥接之谜

归档日期:05-26       文本归类:桥接      文章编辑:爱尚语录

  桥者,水梁也,指架在水面上或空中以便行人、车辆等通行的建筑物,现实世界是由许许多多个桥连接起来的,比如江河大桥、天桥、立交桥等,它们的存在使得人类交通更加快捷便利。

  电脑系统中也有很多的桥,其功能就是让各个设备间彼此相通,是数据高速公路之间的交通枢纽。最常见的就是“北桥”和“南桥”,北桥负责CPU、内存、显卡等核心配件之间的高速互联,南桥负责存储、网络、扩展卡、外设等功能设备之间的互联,速度相对较低。

  不管现实生活中的桥还是电脑中的桥,都是越简单越好,能直连就尽量不搭桥,桥修得太复杂并不会让交通更便利、速度更快,反而会造成阻塞,大名鼎鼎的西直门立交桥就是活生生的反面教材。

  所以,近年来电脑硬件一直在精简各种“桥梁”,比如北桥的大部分功能已被整合至CPU内部,使得CPU能够与内存和显卡直接通讯。但还是有许多功能和接口协议标准,必须通过“过河搭桥”来实现,各种桥接芯片因此应运而生。

  本文就为大家详细讲解近年来电脑配件中出现的一些桥接芯片,以及由此引发的“原生”与“桥接”之间颇有争议的话题,相当有趣,喜欢研究硬件技术的朋友不可错过。

  当时NVIDIA的做法备受指责,因为这样桥接过来的PCI-E显卡本质上依然是AGP 8X接口,显卡并没有因为采用了带宽更高的PCI-E X16接口而提升性能,相反由于多了一个信号转换过程而损失了些许性能。这样的PCI-E显卡仅仅是抢得了头彩,只起到了配合首批915主板的作用。

  竞争对手ATI更是极其鄙视NVIDIA的BR02桥接芯片,并且放出了“有路不走何必搭桥?”的豪言壮语,因为ATI在X800一代所有核心都是一式两份,AGP和PCI-E都是原生版本,而NVIDIA依然在搞“过河搭桥”的麻烦工程。

  现在来看,GeForce FX系列的确是失败之作,桥接版的PCX FX系列显卡以及BR02桥接芯片更是备受指责,但是鼠目寸光的ATI低估了BR02桥接芯片的实力。殊不知正是为了赌一时之气,让ATI投入了更多无谓的研发精力,最后还是低调回归桥接路线,这当然是后话。

  进入GeForce 6时代,保守的NVIDIA在高端NV40核心上依然使用AGP接口,而当时PCI-E已经是首选平台了,就连NVIDIA自己的nForce4芯片组也只支持PCI-E。随后NVIDIA终于发布了NV45核心,它除了支持PCI-E之外,重现江湖的SLI双卡互连技术让世人大为震惊,ATI也是始料未及!从此,NVIDIA GeForce 6系列凭借完整的DirectX9.0c支持以及SLI双卡互连技术,开始全面压制ATI X800系列。

  事实上,NV45并非全新核心,它只是将原生AGP8X接口的NV40与BR02桥接芯片封装在了同一块GPU基板上面,也就是通常所说的“胶水”封装技术。封装在一起的好处就是集成度更高,PCB设计难度降低,散热更容易解决。

  至于性能方面,HSI芯片人如其名,转换效率非常高,相同规格的6800U PCI-E和AGP版差异非常微小。此时,6800U SLI双卡显示出了令人生畏的强大火力,至于它的NV45核心是否是原生PCI-E接口,已经变得不重要了。

  04年末05年初正好是个转折点,随着中端6600系列的大量上市,新老用户都对这款明星显卡产生了极大的兴趣,因为它的性能已经完全凌驾于上代顶级显卡9800Pro和5900Ultra之上!

  虽然NV43核心是原生PCI-E接口,但NVIDIA并没有忘记AGP用户,它再次通过桥接方案轻松的完成了对AGP8X的支持。而整块显卡的关键——桥接芯片居然就是PCX系列显卡和NV45核心上所用的BR02,原来BR02可以反过来用的!

  高速、双向桥接的BR02芯片可以说是无所不能,如果没有BR02,NVIDIA不可能赶在ATI之前发布PCI-E显卡,没有BR02基于6800Ultra的SLI技术也成了镜花水月,没有BR02的话AGP用户也只能看着一款款新PCI-E显卡流口水。

  从此之后,NVIDIA新发布的每一款核心,都可以通过使用BR02芯片桥接成AGP显卡。虽然桥接AGP显卡远不如PCI-E那么丰富,但只要用户有需求,就会有厂商推出桥接的版本,6600 AGP、6800XT AGP、7800GS AGP、7600GT/GS AGP、7300GT AGP等等。

  直到DX10时代,BR02桥接芯片和AGP显卡才正式退出历史舞台,据称是因为BR02和GeForce 8系列GPU不兼容,而NVIDIA也无心再为AGP用户提供升级支持。

  打从一开始,ATI就坚定了走原生PCI-E之路,因此ATI提出了“有路不走何必搭桥”的口号,对NVIDIA的PCX系列桥接显卡以及NV45的内部桥接方案冷嘲热讽。ATI的X800系列首颗核心R420是原生AGP接口,还专门开发了一颗代号为R423的原生PCI-E核心:

  R420与R423的硬件规格是完全相同的,不同的就是接口总线,ATI将AGP和PCI-E划分的如此泾渭分明,这就导致它必须同时生产两颗核心,并且预估当时市场对PCI-E和AGP的需求来确定产量。而NVIDIA只需要制造NV40这一颗核心就够了(NV45就是NV40+BR02),显然ATI的成本付出要更高一些。

  不仅如此,ATI为了提高产品竞争力,在X800系列之后又发布了更高频率的X850系列显卡,而X850家族所使用的是全新的核心——R480和R481——为了照顾两个平台的用户ATI必须推出两颗核心,R480原生PCI-E、R481原生AGP,X800和X850所有芯片都是一式两份,这就是“原生”的代价!

  前面提到了,从05年开始市场的天平已经开始向PCI-E平台倾斜,随着PCI-E显卡渐渐成为主流,如果每款GPU都要推出原生AGP接口的版本那么投入的成本势必增加不少,尤其是中低端GPU对成本控制非常敏感的领域,所以ATI也开发了自己的桥接芯片——Rialto,这个英文单词就是威尼斯大运河上一座著名的大理石桥。

  与NVIDIA的BR02不同,ATI的Rialto芯片只能实现将原生PCI-E接口的GPU转换为AGP接口,而无法完成原生AGP的GPU转换成PCI-E,所以ATI所有的PCI-E显卡肯定是原生的,但后期的AGP显卡则使用了桥接。

  可能是因为只支持单向桥接的原因,ATI Rialto芯片的发热量比BR02小的多,无须散热片就能很稳定的工作,而BR02必须配备散热片而且通风条件要好,否则容易死机。这就是ATI桥接的优势,但我们也可以看到Rialto芯片的基板面积很大,大多数桥接A卡都将Rialto芯片放在显卡PCB背面。

  前面已经给大家介绍过,X850XT显卡有两种核心R480是原生PCI-E,而R481是专门开发的原生AGP接口版本。市面上绝大多数X850XT AGP都使用了R481核心,是原生AGP的。但实际上市之后我们发现有一小部分X850XT(包括PE)显卡采用了桥接的方案,用的是R480核心。由此看来ATI意识到了同时出货两种核心所造成的不便,所以最后果断地停产了R481核心,从此ATI的所有AGP显卡都开始使用桥接方案!

  ATI Rialto桥接芯片还有个优势就是兼容性好,对于DX10和DX10.1核心都能完美支持,所以直到HD4000时代还有AIB厂商为老平台提供AGP升级显卡,而且ATI在驱动方面没有放弃支持,这是ATI“食言”之后为用户带来的最大好处。

  主要功能:总计48个PCI-E通道,将一个PCI-E X16转成两个X16通道

  转眼间,原生与桥接AGP/PCI-E均已成为历史,PCI-E成为唯一接口标准,显卡不再需要繁琐的桥接方案了。但随着双卡、多卡互连方案的兴起,PCI-E接口开始不够用了,于是双核心显卡重出江湖:

  SLI技术复活之后,绝迹多年的双核心显卡也重出江湖,板卡之王华硕最先发布了基于SLI互联技术的6800Ultra和6800GT双核显卡。值得一提的是,这两款显卡的GPU本身依然是胶水桥接成PCI-E接口的,但双核技术并没有通过桥接:

  其工作原理非常简单,那就是把PCI-E X16的16个通道一分为二,让两颗GPU各自独享X8的带宽,就相当于是在一条插槽上实现了SLI技术,而无需主板提供两条PCI-E插槽。

  以PCI-E充足的带宽来说,X8根本不是瓶颈,但它有个非常严重的问题就是,绝大多数主板都不支持这种拦腰斩断PCI-E通道拆分方式,只有一线大厂的部分高端主板才支持,因此这种双核显卡只是概念产品,用于展示技术实力,没有多少实际意义。

  随着SLI技术不断走向成熟,NVIDIA决定自己出手开发一款双核心显卡,用两颗G71核心来对抗对手规格强大的R580核心。做为官方版双核心显卡,必须解决兼容性和效率稳定,因此桥接方案再次登场——它就是BR03 PCI-E控制器:

  NVIDIA的首款双核心显卡7950GX2(7900GX2是工程样卡,没有正式发布)

  集成桥接芯片后,三路PCB走线个PCI-E通道,其中16条用来连接主板插槽,另外32条连接两颗GPU,这样每颗GPU都可以保证获得全速的PCI-E X16带宽。当双核心显卡内部两颗GPU通讯时,数据将不会经过主板芯片组;与外部通讯时,两颗GPU将共享X16的带宽,理论上各自获得X8的带宽,但实际带宽要更大一些,因为两颗GPU不会同时达到最高值。

  BR03除了可以让GPU获得更高的带宽外,还有个好处就是兼容性好、不挑主板,基本上所有的PCI-E主板都能使用7950GX2显卡,BR03芯片就是起到桥接作用,底层的信号链路不需要驱动的支持就能使用。

  7950GX2不仅帮助NVIDIA重夺单卡之王的称号,而且双核心的设计以及Quad SLI技术也被保留并沿用至今。

  7950GX2并不是昙花一现的产品,NVIDIA一直都没有放弃双核心显卡计划,只是因为G80核心太大太热无法制造双核心显卡而已。90nm G80进化至65nm G92后,功耗发热大幅下降,双核心成为可能。

  G92是首款支持PCI-E 2.0标准的GPU,带宽相比1.0和1.1翻倍,因此制造双核心显卡的话需要新版桥接芯片的支持,这样才能释放出双核的所有潜能。于是BR04桥接芯片诞生了,它就是PCI-E 2.0版的BR03,当然NVIDIA还赋予了其它一些针对双核心优化的技术。

  进入GeForce 9和200时代,NVIDIA的马甲战术相当成功,芯片组和显卡名称改得不亦乐乎,就连桥接芯片也跟着沾光,代号为BR04的芯片被赋予了一个正式的名号——nForce 200:

  nForce 200就是改进制程的BR04桥接芯片,两者大小和外观没有任何区别。改名字总是需要理由的,那BR04为何要改名字呢?这里笔者先卖个关子,下页再详细介绍NVIDIA改名的“良苦用心”。

  NVIDIA的单卡之王——双核心GTX295就使用了nForce 200作为桥接芯片。BR04改名为nForce 200之后,NVIDIA还公布了更多的技术细节,来体现双核心设计的技术优势:

  nForce 200芯片可以支持两个PCI-E X16设备或者四个PCI-E X8设备。而且芯片内部设有独立的Posted-Write Shortcut(快捷端口),在双核心或者SLI模式下,多颗GPU可以完全绕过芯片组和CPU直接相互通讯,这样就能将数据传输延迟降至最低,同时能够优化显存数据存取速度。

  在SLI模式下,协同工作的多颗GPU需要从CPU接受完全相同的数据,比如很多几何、纹理和其他渲染数据。此时nForce 200芯片内建的Broadcast功能就可以避免重复性的劳动,将指令复制给所有的GPU,这样就能进一步降低延迟,提升多GPU的实行效率,尤其是在3路/4路系统下。

  当年几乎所有人都轻视了BR02桥接芯片的功能,没想到BR02除了可以AGP转PCI-E外,还有PCI-E转AGP反向桥接的功效。现在BR04桥接芯片的实力也是深不可测,它除了作为双核心显卡的桥梁之外,还可以反过来当作芯片组使用——让芯片组支持更多的PCI-E插槽和通道。

  这也就是BR04改名nForce 200的真正原因,如果只是当作显卡上的桥接芯片使用的话,它叫什么都没关系,没人会关注这些。当如果想要抛头露面、作为重要芯片单独出售的话,没有一个像样的名号可不成。

  当然马甲也有马甲好处,一颗小小的nForce 200芯片,不但提供了PCI-E 2.0支持,而且将三个显卡插槽都变成了X16全速接口。与680i SLI 16+8+8的PCI-E 1.1三插槽相比,780i SLI升级到了16(2.0)+16(2.0)+16(1.1)的全速端口,这样三路SLI效率更高。

  但桥接终归不是长久之计,780i(或者说是680i)的北桥仅支持PCI-E 1.1,将它桥接成2.0之后,带宽放大了4倍之多,瓶颈现象十分严重。因此在nForce 790i芯片组中,NVIDIA提供了原生PCI-E 2.0接口支持,抛弃了nForce 200芯片。

  有意思的是,nForce 790i Ultra SLI作为NVIDIA独立芯片组最后的绝唱,它的出现如昙花一现般短暂。而被遗弃的nForce 200桥接芯片,现在依然活跃在芯片组市场,甚至打进Intel老巢,进驻X58和P55主板,这样戏剧性的一幕相信谁都没有料到。

  马甲版nForce 780i SLI的出现,让用户对NVIDIA芯片组的规格产生了质疑,虽说它确实支持PCI-E 2.0,但本质上依然是老的1.1芯片组,大家都被NVIDIA的马甲忽悠了。于是在AMD平台nForce 780a SLI发布之后,所有人都多了一个心眼,看到了NF200芯片,第一印象就是桥接、马甲:

  这一次NVIDIA是被冤枉的,nForce 780a本身是南北桥合一的单芯片设计,原生支持PCI-E 2.0总线,从而对双路和三路SLI提供充足的接口带宽。可以这么说,780a SLI = 750a SLI + nForce200,750a SLI就是定位中端的芯片组。

  780a SLI和750a SLI都是重新设计、规格强大、功能丰富、还带整合显卡的优秀的芯片组,可惜在Intel和AMD的夹击下,属于nForce的市场空间越来越小,最终不得不黯然离去。

  nForce芯片组逐渐退市,但SLI多卡互联技术还需要平台的支持,NVIDIA通过BIOS授权的方式为部分X58和P55主板开放SLI支持,并推荐主板厂商在X58或P55主板上集成nForce 200芯片,这样就能提供更多的PCI-E通道,为多显卡提供更高的带宽和性能。

  MSI Eclipse Plus整合一颗NF200,提供三X16或者双X16+双X8的配置

  但通过测试来看,X58北桥提供的PCI-E 2.0 16+8+8的接口配置对于Quad SLI和3-Way SLI来说已经完全够用了,整合nForce 200芯片完全是多此一举,性能不会有提升,于是绝大多数X58都放弃了nForce 200芯片。

  只有ASUS和EVGA是个另类,他们居然一次性整合了两颗nForce 200芯片,将X58北桥提供的32个PCI-E通道桥接成为64个,组成了16+8+8+8+8+8+8的七槽配置。

  7条插槽并不意味着可以组建7路SLI,最多还是3路SLI,EVGA提供了特殊的桥接器支持4路SLI(就是4卡SLI,不同于两片双核心显卡Quad SLI)。而华硕主板的名称就是超级计算机,使用多片显卡来实现恐怖的并行计算能力。

  ATI的双核心显卡与NVIDIA类似,也需要PCI-E桥接芯片的支持,但ATI自己没有研发,也没法找对手NVIDIA去购买,所以只能选择了第三方解决方案——PLX PCI-E控制器:

  PLX8547的规格功能与NVIDIA BR03完全相同,都是将一条X16桥接成两条X16,而且还是PCI-E 1.1版本的。现在问题就来了,RV670核心本来支持PCI-E 2.0,桥接之后反而被降级成了1.1版,ATI首款PCI-E 2.0 GPU遭受了不公平待遇,好在RV670性能有限,影响不是很大。

  到了HD4870X2时代,桥接芯片终于升级成为2.0版,RV870核心可以享用全速2.0 X16接口。而且AMD还在RV870核心中整合了CrossFire SIDEport端口,用于增加多卡互联时的带宽,提升交火效能。

  可以看到,PCI-E 2.0总线再加上CrossFire SIDEport,使得HD4870X2的总带宽相比HD4870X2提升了三倍之多!AMD打算在以后GPU中都沿用SIDEport设计,以最大化交火效率。

  不过在刚刚发布的HD5970双核心显卡中,AMD又放弃了SIDEport设计。AMD发言人Devon Nekechuk表示:“CrossFire SIDEport技术并未应用于Radeon HD 5800系列显卡。通过CrossFireX驱动程序和互连性能的改进,这种技术已经失去了必要性,无论上代还是当代产品上都无法明显提升多芯性能。我们已经看到,PCI-E 2.1总线的带宽完全可以满足Radeon HD 5800系列数据传输的需要。”

  可以看出,HD5970所使用的桥接芯片代号还是8647,但Logo已经不再是PLX而是ATI,这颗芯片是ATI买的/OEM的/自己设计的并不清楚,和HD4870X2上面的PLX8647芯片相比有何改进也并未公布,难道是学NVIDIA把BR04改成NF200玩马甲?

  AMD官方宣称HD5000全系列支持最新的PCI-E 2.1标准,虽说带宽没有进一步提升,但增加了大量的管理和支持、维护系统技术,这将会显著提升基于CossFire技术的多卡多核效率,PCI-E 2.1也将成为下代标准PCI-E 3.0的一部分。

  今年最热门的技术就是USB3.0和SATA3.0标准的出台,但遗憾的是目前没有任何一款芯片组能够支持这两项新潮的技术,尤其是Intel,作为SATA3.0和USB3.0标准的制定者和推动者之一,刚刚发布的P55芯片组居然不支持,这的确让人非常遗憾。因此主板厂商必须使用第三方解决方案来支持。

  遗憾的是,Intel最新的P55芯片组仅支持PCI-E 1.1标准,最大带宽被限制在250MB/s,如此一来如果直接将主控芯片挂在P55上面的线的速度将直接损失一半,而SATA3.0的速度甚至还不如SATA2.0(300MB/s),那该怎么办呢?

  注1:上图中Intel所标出的PCI-E总线是双向带宽值(上下行同时传输数据),可以看到,CPU中整合的PCI-E控制器带宽是P55芯片组的两倍。如果算单行带宽的线:X58北桥支持PCI-E 2.0,AMD主流芯片组的南北桥都支持PCI-E 2.0,这些主板可以直接整合SATA3.0和USB3.0控制芯片,性能不会有损失。

  注3:Core i7-800和i5处理器整合了原本属于北桥的所有功能(包括PCI-E 2.0),因此P55芯片组实际上就是一颗南桥,这颗“南桥”相比ICH9R/10R没有什么实质性的改进,Intel这些年也是不思进取。

  P55芯片组提供了8条PCI-E 1.1通道供附加芯片或扩展卡使用,多数情况下用户只能用到其中的两三条,多余的通道被闲置浪费掉了。其实如果把剩余的通道组合起来的话使用就能实现N倍的带宽。

  介绍了那么多桥接案例,桥接来桥接去,结果连电脑中最大的桥——北桥都没了,说到底原生和整合才能提供最佳性能,是大势所趋。但原生是要付出很大的代价,就拿PCI-E总线个通道,这种规模已经让芯片变得很大、很热了。如果这么多通道还是不够用,那么实在抱歉,只能使用nForce 200这样的桥接芯片来提供更多的通道和插槽。

  所以说,我们不能给板卡和芯片组的“原生与桥接”莽撞的下一个好与坏的定义,道理就像是CPU架构“原生与胶水”一样。比如目前流行的双核心显卡,如果没有桥接芯片支持的话,那每颗GPU的带宽将受到限制,而且还不能兼容一般的主板。如果芯片组能够提供足够多的插槽,足够大的带宽,那么桥接芯片就没有存在的理由了。

  正所谓存在即合理,桥接方案有其自身的价值,但它只能算是临时性解决方案,绝非长久之计,如果长期依赖桥接方案而不思进取的话,必将被飞速发展的IT技术所淘汰。

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