P55单芯片系统带来了什么？
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作者介绍：
崔庆礼 微星技术顾问，1970年毕业于北京大学信息管理系，从1978年起在辽宁省科技情报研究所从事计算机情报检索系统研究。1995年联合国教科文组织情报研究班毕业。
英特尔新一代的LGA 1156接口CPU（研发代号Lynnfield）和P55芯片组（研发代号Ibex Peak），它们标志着电脑进入单芯片时代。单芯片系统给我们带来的是速度和性能的提升，还是功耗的降低，或者是不尽如人意的烦恼？本文将从电脑芯片结构变化的角度探讨减少芯片对产业带来的影响。
不断发展，不停减芯
诞生于第二次世界大战时期的第一代电子管计算机“埃尼阿克”（ENIAC）是个庞然大物，占地面积达170平方米，重达30吨。第二代晶体管计算机体积明显减小。从第三代大规模集成电路开始，计算机普及到社会各个领域，随后进入千家万户，华夏文化把计算机形象地称为“电脑”。在电脑普及的历程中，英特尔和微软留下了历史功绩。8086、286、386是多芯片系统，ISA（Industrial Standard Architecture，工业标准结构）或EISA（Extended Industy Standard Architecture，扩展工业标准结构）总线管理着整个系统，其间主板上的各种控制器都是通过多个芯片来实现。经过一段时间的发展，到了586多媒体时代，1997年2月英特尔发布了430TX芯片组，主板上的芯片组开始了双芯片控制。
双芯片主板的芯片组包括北桥和南桥。北桥负责CPU、内存、PCI等高速器件，南桥负责低速的ISA总线的设备，并整合了软驱和IDE控制器。在奔腾Ⅱ时代，AGP总线出现，主板的高速区和低速区界线更加明显，以AGP插槽为界，左侧是南桥负责的低速区，右侧是北桥负责的高速区。双芯片系统从1997年开始延续了12年，其间尽管也有单芯片系统，如SIS、ALI等将北桥和南桥芯片整合在一起，但它们并不是主流。到了2009年8月，英特尔的Lynnfield处理器和Ibex Peak芯片组曝光，得益于CPU高度集成的功劳，这才意味着真正迈进单芯片系统。
在这12年里，串行总线如PCI-E、HT、QPI先后出现，推进了双芯片向单芯片迈进的步伐。AMD首先把原来在北桥的内存控制器移出北桥，整合到CPU内，预示着北桥的另一半——图形控制器也将移到CPU内，但是这一步英特尔走在了前面，先是X58芯片组把内存控制器移到Core i7（LGA 1366）处理器内，接着Ibex Peak芯片组把整个北桥移到Lynnfield处理器中，跨入了单芯片系统。为什么起步晚的英特尔反超起步早的AMD呢？这是因为把整个北桥移到CPU内涉及很多技术，特别是芯片生产工艺以及巨额投资。
“单”与“双”的对比
双芯片系统是CPU+北桥+南桥，单芯片系统是CPU+南桥，北桥从单独的芯片被整合到CPU内。从系统对比和结构对比可以看到，单芯片系统就意味着主板上只有一片芯片组，原来北桥芯片内的控制器件分别被移到CPU和PCH芯片内。CPU和PCH通过DMI总线相互连接。请注意，只是位置的移动，原来的功能和性能没有削弱或取消，甚至会增强。
比如高速QPI总线，它是芯片之间的互连总线，由于图形控制器在X58芯片内，处理器和X58之间通过QPI总线互连。Lynnfield处理器整合了图形控制器，QPI总线自然配置在处理器内。
单芯片优势凸显
单芯片系统是十几年集成电路技术进步的结果，芯片互连串行总线（AMD的HT，英特尔的QPI）为单芯片系统提供了逻辑基础。45nm/32nm工艺让同样面积的硅片可以集成更多的晶体管。高电介质（High-K）技术解决了MOSFET泄漏电流较大的难题。这两种技术使得处理器整合图形控制器和内存控制器成为了现实，那么单芯片给我们带来了哪些益处呢？
1．功耗降低，效能提高
人们会怀疑，CPU内整合了处理器、图形控制器和内存控制器，这样的CPU功耗一定会成倍增加。其实恰恰相反，功耗反而降低了，而且降低的是无用功耗。我们对比一下LGA 1366接口的Core i7和LGA 1156的Core i7热设计功耗就清楚了。从英特尔的热设计功耗可以看到，整合了图形控制器和内存控制器的Lynnfield处理器的热设计功耗反而降低了35W。
为什么功耗会降低呢？这就是高电介质（High-K）技术的功劳。处理器内集成的晶体管都是金属氧化物半导体（MOS）晶体管。这种晶体管有源、漏、栅三个电极，栅极是控制极。栅极与源、漏极之间有一层绝缘层，并存在分布电容。栅极与源、漏极的沟道存在泄漏电流，这是MOS晶体管的难题。特别是集成度越高，MOS晶体管尺寸越小，泄漏电流问题越严重。CPU的高发热量主要是由泄漏电流引起的，这些泄漏电流是浪费的无用功耗。高电介质（High-K）技术就是在栅极与沟道之间加一层介电系数高的电介质，既可以在3.0nm的厚度保持较高的电容量，又可以降低泄漏电流。
与High-K相反的是Low-K技术，两种技术谁优谁劣，一直存在争论。英特尔在Lynnfield处理器中成功地应用了高电介质（High-K）技术，并有新的改进，才使得Lynnfield处理器的热设计功耗降低到95W，提高了处理器的效能。
2．频率更高，速度更快
由于高电介质（High-K）技术增加了栅极与源、漏极之间的电容，Lynnfield处理器工作的频率和速度都明显高于Bloomfield处理器。同频率的CPU，Lynnfield表现出更强的超频能力。拿到测试版Lynnfield的用户已经为其出色的超频性能而惊喜。
主板设计的“革命”
1.节省主板空间
主板上拿掉北桥，相对X58主板来说，节省了4cm×4cm的面积，CPU插座向板中心移动，增加了CPU供电部分的空间。MOSFET、电感、电容不再拥挤，布线宽松。既有利于MOSFET散热，又有利于降低分布电容，供电电路可以提供更纯净更稳定的电流。
当然，也有主板厂商利用这些空间来“堆料”。对于单芯片系统，用户期望的除了它的性能和稳定性都增强以外，更期望它的价格有所降低。某些主板把北桥省下的空间用来“堆料”自然会增加成本，使P55主板价格居高不下，在全球经济不景气的环境下，有多少用户会购买这样的主板？再有，Lynnfield Core 系列比Bloomfield Core i7热设计功耗降低了35W，CPU供电用料应该低于X58，可是如图所示的主板居然超过了X58，这种夸张的豪华的用料会使用户误解Lynnfield Core 系列CPU又是耗电大户。
2.降低布线难度
北桥从主板撤掉，图形控制器与PCI-E ×16的布线直接从CPU插座拉向PCI-E ×16插槽，内存控制器与内存插槽的布线直接从CPU插座拉向内存插槽。布线空间宽松，线迹、线距都可以适当放宽，有利于信号的稳定。
结语
P55主板的上市，预示着我们正式进入单芯片系统时代，它的重要意义在于，英特尔发布单芯片系统是计算机发展史上的一个重要里程碑，它将使电脑的外部结构更加简化，体积进一步缩小，效能和稳定性再次提高，电脑应用将更为简单化。同时，单芯片系统的出现，在IT产业方面，也意味着主板结构、整机系统结构在不远的将来都会有新的发展。