简单为美：走近单芯片技术
整机外设
单芯片系统具有多功能、低能耗、低成本、高可靠性等优点，很早以来就在单片机等领域得到广泛应用。随着超大规模集成电路设计和制造技术的发展，目前已经能生产出集成上千万个晶体管的单芯片产品。SOC(单芯片技术)也在受到越来越广泛的关注。本文将主要谈谈单芯片技术在主板芯片组领域的应用。
一、整合型主板芯片组发展历史
主板是电脑的重要部件，而芯片组则是管理主板正常运作的核心，长期以来主板芯片组都由南桥和北桥两枚芯片组成。北桥主要负责管理CPU、内存、AGP总线的正常工作和相互协调，而南桥芯片一般与外部设备打交道，主要负责串并口、USB、IDE等外部接口的工作管理。
上个世纪90年代后期，随着个人电脑低价风潮的掀起，如何降低电脑成本就成为各厂商考虑的重点。于是集成多种功能的整合型主板芯片组就应运而生，并得到了飞速发展。毫无疑问，整合主板的最大优点在于价格低，采用整合技术可以减少配件的使用以及系统复杂程度，缩短厂商的开发周期，大大降低整机成本。尽管有很多人认为整合产品性能太低，但是有很多领域并不需要太高的性能，比如说一般的商业办公、学校教学用机等。而且现在的整合型主板除了整合部分和普通主板存在差异外，非集成部分的功能和性能都非常接近。
整合芯片组典型代表之一就是VIA的MVP4整合芯片组。MVP4的VT8501北桥中整合了Trident公司的64位2D/3D图形引擎(9880)，显存通过UMA与主存共用。而其南桥芯片VT82C686A更是号称“超级南桥”，整合了AC'97 声卡、软Modem、环境监控、4个USB控制等诸多功能。尽管因为种种原因，MVP4芯片组并未取得预期的成功，但它在主板芯片组中整合更多功能的努力，已成为后来芯片组发展的一个方向。
在整合主板的发展道路上，业界“大哥”Intel推出的i810芯片组，无疑是又一个标志性产品。在这一款芯片组中，Intel超越了传统“南北桥”架构，推出了新的“加速中心架构”。而且在其图形和存储控制中心GMCH(Graphics and Memory Cotroller Hub)芯片内集成了Intel的i752显卡，而AC'97声卡和软Modem功能则集成在ICH芯片中。以后Intel的815、845系列芯片组产品都延续了这一构架，同时在新近推出的845GL芯片中也整合了性能更好的图形芯片，其显示性能达到了同期中档显卡GeForce2 MX400核心的水准，完全能满足大多数用户的普通需求。
在主板芯片组整合道路上走得最远的厂家无疑是矽统公司(SiS)。SiS产品的市场定位很明确，希望通过整合的方式，追求一种合理的性价比。产品大多面向中低端市场，而这也恰恰是整个市场销量最大的区域。近年来SiS更是在主板芯片组领域将整合技术发展到极致：推出了多款采用单芯片技术的整合芯片组，甚至还包括整合了处理器的SiS 55x系列产品。
二、SiS单芯片组代表产品及技术特色
在主板芯片组领域，单芯片可以说是整合技术的的特例，从字面上我们就可理解其具有更加紧密的应用集成和更高的性价比。目前在单芯片主板芯片组领域最活跃的厂商是矽统公司(SiS)，近年来连续推出了多款单芯片组产品，而包括Intel在内的其他主板芯片组生产厂商，尽管采用整合技术的主板芯片组产品有不少，但都还没有采用单芯片技术的产品出现，因此SiS的产品实际上就是目前单芯片主板芯片组的代表。
SiS首款采用单芯片高整合性的芯片组是SiS 630，在这款产品中首次将传统的南北桥芯片组整合为单一的芯片，此前所发表的整合产品主要都是以在北桥中整合3D显示功能为主，而SiS 630在整合显示功能之后，进一步整合了包括了北桥、SiS 960超级南桥以及128位SiS 300显示芯片，同时还提供了Modem 、以太网(Ethernet)、家庭网络(Home PNA)等功能，成为首款具有完整功能的单芯片主板芯片组。
采用单芯片技术的主板芯片组由于只使用一个芯片，这种设计有明显的成本优势，与分布式的两个芯片相比，单一芯片提供了高整合性与低成本。更重要的是，采用单芯片技术能够简化主板的设计，减少信号线的连接，从而也减少了电磁干扰，在一定程度上提高了系统稳定性。SiS630是一款支持Intel PⅢ系列的产品，不仅在低价台式机中有广泛应用，目前在使用PⅢ-M的超轻薄笔记本电脑中也得到了广泛应用。在SiS630取得成功后，SiS推出了同样采用单芯片构架，支持AMD SocketA处理器的SiS730芯片组。
在AMD平台上，SiS的730单芯片组将高效能的北桥芯片、高阶硬件2D/3D绘图引擎、超级南桥芯片以及支持4倍速的AGP界面集成在一起，为AMD Athlon CPU的系统平台提供了一个具高效能/低成本的桌面型计算机解决方案(图1)。后续推出的SiS735/745芯片组也采用了矽统一贯的单芯片设计，在整体风格上同SiS730相似，可支持高达3GB的DDR333内存，其中SiS745同时还集成了对IEEE1394的支持。
如果说以上产品与其他整合主板相比，特色还不够明显的话，SiS的55x单芯片系列产品，就一定会令人耳目一新了。它是一种整合了x86兼容处理器、高性能北桥、高级硬件GUI引擎以及超级南桥芯片功能的嵌入式片上系统(System on Chip)。
SiS550系列芯片所整合的处理器支持x86指令集，内置3个整数单元和3路超标量架构以及1条管线浮点单元。在显示方面，SiS 550系列芯片整合了Ultra-AGP技术，并具备高性能GUI内存共享带宽(最大支持128MB的显存)，以及DVD解码功能，因此在视频方面的效能也很强劲。SiS 550芯片提供了标准的CRT显示器接口，并支持DVI扩展输出。SiS550系列芯片还将传统南桥的功能也包容其中，提供了大量的外部设备连接以及控制接口，支持AC'97接口，支持硬件DirectSound加速和内部采样率转换、专业波表和独立的调制解调器DMA控制器。SiS 550芯片支持LPC接口，3个USB接口和CIR控制器，可以提供全面的有线、无线通讯扩展(图2)。
SiS55x系列芯片具有低功耗、高性能等显著特点。因此具备很高的性价比，特别适于信息设备的应用，比如机顶盒、电视上网设备、瘦客户机、家庭网管iPVR等方面。总之系统单芯片作为一种先进的标准，已渗透到各个不同的科技应用领域中。相信在不久的将来，个人电脑、信息家电以及互联网络工具中都将使用高集成度的系统单芯片设计(SoC)。
三、SiS单芯片组与MuTIOL(妙渠)技术
通过前面的介绍，相信大家对SiS的单芯片组技术有了初步的了解。不过很多朋友对整合芯片组的性能还比较怀疑，对集成度更高的单芯片产品的性能就更加心存疑虑了。其实SiS采用单芯片技术的主板芯片组不仅具有集成度高、功能多、价格低的优势，其性能较之以往的整合产品，也有了较大的提升。这主要得益于SiS研究出一种称之为MuTIOL(Multi-Threaded I/O Link，“妙渠”)的独有技术，不仅将原本的南北桥芯片整合在一起成为一块单芯片，更是将芯片内部与外部PCI接口的带宽提高了将近10倍(图3)。
SiS的MuTIOL技术全称是Multi-Threaded I/O Link，意为“多通道I/O链路”，其中文名字相当形象：“妙渠”。这一主板架构形式首次出现在SiS635芯片组中，SiS635作为一款单芯片产品，本身内部已经集成了南桥功能，所以MuTIOL技术最初是负责单芯片中南北功能模块数据传输的通道。根据矽统公司的介绍，从技术角度来看Multi-Threaded I/O Link主板芯片总线技术负责了8个设备的数据传输，它们是：PCI总线(其上的所有设备对Multi-Threaded I/O Link来说就是一个设备)、第一IDE通道、第二IDE通道、第一USB通道、第二USB通道、AC'97音频、V.90软Modem、媒介访问控制器(MAC，Media Access Controller，主要为以太网数据传输服务)。在具体设计上，Multi-Threaded I/O Link其实就是8条独立的数据管道，每条管道的工作频率是33.3MHz，传输数据位宽为32bit，这样一条管道就相当于一条32位PCI总线的带宽133MB/s，8条的总和就达到了惊人的1.2GB/s。
尽管采用“妙渠”技术的产品，其实际性能与Intel的“加速中心架构”和VIA的V-Link通道相比提升不大，但其总带宽明显提高。同时，采用分立的通道可以较好地解决带宽使用申请上的等待，在数据传输完后立刻执行下一任务，从而有助缩短设备和系统的等待与延迟时间，变相提高了每一设备的数据传输率。从这一点来说，Multi-Threaded I/O Link的设计对多任务操作很有利。尤其在今后与Intel采用“超线程”技术的新P4配合时将能取得更好的效能。
矽统科技在继续研究单芯片组技术的同时，部分产品也返回到传统的南北桥分离式架构，但南北桥的互联仍旧采用了MuTIOL技术。虽然与单芯片相比，分离的南北桥对带宽会有一定的影响，但由于现在的南桥跟外设之间通信的带宽低于南北桥之间的带宽，因此不会在性能上有很大的降低。虽然总线的带宽也由此降到了533MB/s，但和传统的PCI总线相比它还是要快了不少。
而伴随着SiS963南桥的大量应用，MuTIOL技术得到了再一次提升，带宽扩大了整整1倍，从而能够满足不断提升的外设传输频率(图4)。
四、单芯片技术发展前景及其他应用
单芯片技术具有种种优点，其发展前景是广阔的。首先在主板芯片组领域将很快结束SiS单打独斗的状况，NVIDIA日前已正式宣布将推出支持AMD K8平台的Crush K8单芯片产品，将传统北桥中的所有功能集成至MCP南桥芯片之中。NVIDIA表示，由于AMD第八代处理器将内存控制器已集成进CPU内，因此传统北桥所扮演角色的功能已十分有限。为了让下游厂商在设计主板时更加简便，NVIDIA索性将北桥芯片的剩余功能及AGP界面控制器都集成至南桥芯片中，成为继SiS后又一家推出单芯片主板芯片组产品的厂家。作为首款采用单芯片技术的K8系统芯片，预计采用台积电0.15微米制程，在AMD K8处理器上市后，即可正式量产。
除了主板芯片组领域，在其他方面单芯片技术也在得到广泛应用。其中CPU就是单芯片技术应用的热点。比如全美达CPU就整合了大部分北桥功能，使得主板设计更加简单。而Intel将在未来几年主推单芯片多核心技术CPU ，计划将两个核心集成到一个芯片中，在提高性能的同时能够降低电源消耗，这个技术将在未来10年内进入实用阶段。IBM发布的Power4，则是第一个在单芯片上拥有多核心的CPU，实际上将两个一样的CPU集成到一个芯片上，这样一个芯片能够提供相当于双处理器的性能。使用这个方法不仅能够节约成本，并且能够提高效率。SUN也正在研究单芯片多核心的UltraSparc。AMD Hammer(K8) CPU内部的内存控制器的剩余空间也可以用来转向多核心处理器。
现在数码相机等数码设备正在得到飞速发展，德州仪器公司近日宣布推出以单芯片可编程DSP为核心的全新数字相机解决方案，这标志着基于完全可编程单芯片DSP解决方案将为数码相机市场带来革命，即以单芯片处理器支持由数码相机向多媒体的网络家电的转变。这颗单芯片可以利用DSP的强大的威力和性能增强数字相机的功能，不仅能够捕捉高分辨率的静态画面并加快连续拍摄的速度，还可以记录带有音频的视频剪辑，以及从因特网下载并播放音乐。这颗芯片可以支持所有常见的数字音频和视频格式，包括实时MPEG、JPEG以及MP3，并且支持如IrDA、USB和RS232甚至蓝牙等等多种数据通信标准。
单芯片技术对扫描仪等传统设备的影响也是很大的，美国一家公司最近宣布开始上市集成了几乎所有彩色扫描仪功能的单芯片LSI“LM9832”。它将CCD图形传感器或紧贴型图形传感器的控制电路、亮度调整电路、模拟前置电路、像素处理电路、DRAM控制器、步进电机的控制/驱动电路、USB接口电路等集成到了一块芯片上。可用于生产低成本、高性能的USB接口高清晰度彩色扫描仪。
网络设备方面，也有公司宣布推出业内首个单芯片调制解调器：SmartS CM。该产品功能完备，能经济快速地帮助各种互联网设备具备上网功能。SmartSCM是一个完整的低价位连接解决方案，也是目前唯一的单芯片调制解调器，可通过单一接口与全球各主要电话网相连。而新一代可编程单芯片ISDN-to-USB控制器SIUC-X PSB 2154也即将推出。这种芯片代表了当今最高水平的集成电路设计技术，它容纳了采用USB接入端口的ISDN S/T界面接入解决方案所必须达到的全部功能。