从技术走向艺术：单芯片主板设计解析
技术空间
作者介绍
微星技术部顾问：崔庆礼
个人简介：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。
1998年受邀到微星技术部担任技术支持工程师，现为技术部顾问。
达·芬奇的《最后的晚餐》堪称艺术经典，就如同油画中耶稣门徒的排列一样，主板上的元件布局设计也算得上是一门艺术。随着技术的发展，主板设计正进行着天翻地覆的改变。当Intel的Core i7 800和i5 700系列处理器，以及配套的P55芯片组正式发布后，它们推动PC主板迈入了更高的设计水平时代，下面我们邀请了微星技术部顾问崔庆礼老师来谈谈新一代单芯片主板的设计艺术。
整合代表了进步
1． PCH增加了什么？
440BX时代的芯片组分为北桥和南桥，通过PCI总线连接它们。从810芯片组开始，Intel对芯片组的设计作了革命性的变革，引入“加速中心架构”，用MCH（内存控制中心）取代了以往的北桥芯片，用ICH（输入输出控制中心）取代了南桥芯片，MCH和ICH通过专用的Intel Hub Architecture（Intel集线器结构）总线连接。从915芯片组开始，MCH和ICH的连接增加了带宽，名称也改为DMI（直接媒体接口）。Intel的Core i7 800和i5 700系列成功地把原来的MCH全部移到CPU内，支持它们的主板上只留下PCH（平台管理控制中心）芯片。Intel为什么把这颗芯片叫做PCH，它相当于原来的MCH还是ICH呢？
可以看到，以前4系列芯片组MCH的内存控制器和PCI-E ×16总线都移到CPU内，ICH中的管理引擎移到PCH内。PCH还增加了时钟缓冲器，这样PCH除了原来的I/O控制中心功能外，还添加了系统管理功能，所以相当于将ICH改名为PCH。这样看来，PCH的实质是在原来的ICH基础上增加了平台管理功能，PCH和CPU之间的连接相当于原来MCH和ICH的连接，使用的还是DMI总线。
2． PCH还需要QPI吗？
网络媒体有很多文章说P55用DMI总线取代了QPI总线，这是误把PCH当成原来的MCH。Core i7 800和i5 700系列并没有取消QPI，CPU内部各功能芯片之间的互连还是通过QPI总线。
可以看出：1.X58的QPI总线包括了CPU内部的4颗内核之间的互连和CPU与IOH的互连，IOH是CPU和PCI-E的桥接芯片。2.P55把PCI-E移到CPU内，PCI-E直接连通L2缓存，不再需要QPI。3.CPU内部的4颗核心还保留着QPI互连。4.P55的PCH不等于X58的IOH，PCH是低速芯片，通过DMI连接CPU就可以了。
从上面的分析不难了解到，X58的IOH和CPU之间的QPI是为高速的双PCI-E ×16准备的，当PCI-E ×16移到CPU，取消了IOH，这条QPI自然也不需要了。从近期媒体公布的P55和X58的图形处理性能对比可以看出P55的图形处理性能不低于X58，说明PCI-E ×16直接与L2缓存连接的性能比通过QPI连接好。
单芯片影响主板设计
Intel在单芯片说明文档中曾表示，这次的5系列主板将会加强主板统一化设计，因为P55将设计成与以后的其他5系列芯片组LGA1156针脚兼容，主板厂家只需要设计一种通用的PCB版式，就能够兼容H55、H57、Q57、B55等后续的5系列芯片组。简化设计所带来的是主板成本和价格的降低。
1． 增加功能芯片的可能性
在主板还沿用ATX架构期间，少了一颗MCH芯片，最直接的影响是腾出约4cm × 4cm的面积，为主板增加其他I/O功能芯片提供了空间。有些主板厂商就考虑超前加载SATA6Gbps或USB3.0芯片，添加新卖点，吸引消费者。
比如有主板厂家把PCH移到原来MCH的位置，原来ICH的位置放两颗第三方SATA 6Gbps芯片Marvell 88SE9123。SATA 6Gbps的理论传输速度是600MB/s，88SE9123需要连接到PCI-E 2.0 500MB/s的总线上，但是PCH芯片提供的PCI-E 2.0 速度是250MB/s，不能用于连接88SE9123，于是采用两颗P13PCIE开关芯片把两颗88SE9123芯片接到CPU的PCI-E ×8总线，这种设计如果真连接了SATA 6Gbps硬盘，就要影响双显卡CrossFire或SLI的性能，甚至不能做成CrossFire或SLI。
最初多家主板厂商都打算在首批P55主板上就配备Marvell 88SE9123控制器，提供对SATA 6Gbps的支持，但该芯片随后出现IDE功能缺陷，被迫回炉重造，P55主板上的SATA 6Gbps接口纷纷取消。由于88SE9123芯片的Bug以及SATA 6Gbps硬盘上市还遥遥无期，厂家就用JMB362和SATA2芯片代替了原来的88SE9123设计，只是增加了4个SATA2接口。
不过也有厂家并没有等待Marvell，而是自行解决了控制器中的缺陷，将其重新投入使用。在其P55主板中提供两个SATA 6Gbps和一个IDE接口，并特别加装了PLX PEX8613桥接芯片，将P55芯片组的四条PCI-E 1.0 ×1通道转换成两条PCI-E 2.0 ×1通道，带宽因此从250MB/s翻番到500MB/s。通过PLX PEX8613把Marvell的9123连接到PCH的PCI-E ×4 总线上，从而避免出现传输瓶颈，可以真正发挥SATA 6Gbps的威力。
2．简化和节能才是目的
Intel推出单芯片的PC系统，目的是简化主板，缩小主板面积，进一步缩小PC的体积，使PC微型化。在Intel没有改变主板的ATX架构前，主板厂商增加主板的功能，确实是一件好事。但是增加什么功能，却让主板厂商的研发工程师头疼。SATA 6Gbps和USB3.0确实很诱惑，但是凭局部的第三方芯片，没有Intel芯片组的支持，步履艰难。当年Intel的ICH9取消IDE，就给了Marvell和JMicron一个机会。其实，Intel也愿意支持SATA 6Gbps和USB3.0标准，但是SATA 6Gbps需要高速PCI-E总线连接，USB3.0需要高速的USB总线连接。特别是USB3.0绝不是人们想象中的使用3.0的移动硬盘，它可能带来更多的I/O设备连接，包括存储设备、视频设备。因此Intel只有在适当时机才会推出支持SATA 6Gbps和USB3.0的芯片组。
那么主板最终会增加什么芯片？各主板厂商都在紧锣密鼓之中，涉及商业机密，都不肯透露。目前P55芯片组的价格偏高，相当于原来X58一套IOH和ICH芯片的价格，这也是P55主板价格偏高的主要原因。LGA1156 CPU的最明显优点是功耗比LGA1366的降低很多，CPU的发热量小，PCH的发热量也小，主板厂商可以利用这一特点，精简主板的散热设计，开发Micro ATX的P55主板，降低成本。这将使P55平台从高端神坛走下来，汇入主流PC市场，让那些“P55让我爱你真不容易”的用户买得起，只有用户群的扩大，才会显示出产品的生命力。
3．芯片摆放影响布局
PCH芯片具有原来ICH的全部功能，又具有原来MCH芯片的管理引擎功能，把它称为北桥也好，称为南桥也好，都无所谓。摆放在原来北桥位置，或者摆放在原来南桥的位置对主板性能也没有影响。如微星、华硕发布的多款P55主板都是把PCH放在原南桥的位置。技嘉的P55-UD6等高端主板是放在原北桥的位置，是考虑在原来的ICH位置放置SATA 6Gbps芯片，而没有这种设计的P55-UD3还是把PCH放在原来ICH的位置。毕竟PCH与原来的ICH功能更相近，摆放在原来ICH的位置更合理，布线也更方便，PCH连接的设备如网卡、声卡、SATA接口以及PCI扩展槽都在PCB的左侧。
PC发展需要多功能
Intel计划的5系列芯片组有Q57/H57/H55/P55/B55，P55仅是规划的5种单芯片系列的一种。5系列单芯片组可以分成个人消费和商用两大类，依据用户对象的不同，其关键技术也略有不同。从技术对比可以看出，Intel在5系列单芯片组设计中，重点是适应用户对PC应用的需求，提高图形、视频和音频的性能和功能，并加强节能措施。在存储技术上是以SATA 2为基础提高存储速度和方便性以及发展固态硬盘。如Turbo Memory加速技术，就是增加一个NAND闪存插槽，可以插Intel的专用闪存，提高读取硬盘数据的性能。
如同笔记本的小、轻、薄发展趋势一样，PC的趋势也是小型化、轻便化和低能耗。单芯片组就是适应这个趋势而诞生的。可以预测未来的台式机是一个很小的“黑盒子”，显示器、输入设备、存储设备都可以“即插即用”，台式机甚至将变成“柔性PC”。
后记
很明显，Intel未来的主流主板芯片组将采用单芯片设计方案，主板，作为CPU最亲密的伙伴，这个通过一块PCB，再融入北桥、南桥以及众多其他功能芯片及I/O接口的PC配件将被进一步简化。特别是随着Intel Westmere处理器的到来将被大刀阔斧地削减，这样留给主板厂商的发挥空间越来越少了，让原本差异化已经越来越小的主板行业再次遭受挑战。
从近几年的发展来看，我们可以明显地感觉到，当固态电容、热管散热系统已经被无数品牌采用殆尽时，主板的个性化特色已经很难通过外观再吸引用户关注。以华硕、技嘉、微星为代表的厂家已经开始在主板上引入更多技术和功能，如Express Gate、DrMOS、2盎司铜箔等，这种差异化也体现了厂家的设计艺术，至少它能让主板行业不会因为Intel的集成策略而走向没落。