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主板上還剩啥?CPU整合GPU/北橋/南橋

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1 主板上還剩啥?CPU整合GPU/北橋/南橋 于 周三 7月 03, 2013 6:57 pm

泡泡網主板頻道2月6日 眾所周知,主板上最重要、成本最高的兩顆芯片,被稱為北橋和南橋,其中北橋負責與處理器對接,主要功能包括:內存控制器、PCI-E控制器、集成顯卡、前/後端總線等,都是速度較快的模塊;而南橋則負責外圍周邊功能,速度較慢,主要包括:磁盤控制器、網絡端口、擴展卡槽、音頻模塊、I/O接口等等。
  

  傳統的南北橋芯片組功能示意圖

  Intel與AMD的新一代處理器,已經將傳統北橋的大部分功能都整合在了CPU內部,Intel的Clarkdale與Sandybridge處理器則是完全整合北橋芯片,與其搭配的P55/H55/P67/H67等芯片組其實就是一顆南橋。
  

  現在北橋已被整合在了CPU內部

  而現在,AMD打算在未來的APU處理器當中,除了北橋外將南橋也完全整合進去,如此一來,與之搭配的主板上將不會再有芯片組,只是一塊堆滿接口和插槽的擴展輸出板子而已。
  目前市場上熱賣的Core i3 5XX和Core i5 6XX處理器就是基於Clarkdale核心的產品,它們首次整合北橋芯片(包括集成顯卡),但整合的方式比較特別:
  

  Clarkdale核心處理器封裝示意圖

  Clarkdale核心包括CPU和GPU兩個部分,CPU部分使用了新一代32nm工藝制造,是雙核心四線程設計;GPU部分就是傳統意義上的北橋,為45nm工藝制造,內含雙通道DDR3內存控制器、PCI-E控制器和集成顯卡。

  Clarkdale的北橋(GPU)和CPU部分示意圖

  CPU部分和GPU部分是各自獨立的,微觀上通過QPI總線相連,宏觀上被封裝在了一起,接口是與Lynnfield相同的LGA1156。整體上來看Clarkdale不僅整合了內存控制器和PCI-E控制器,還整合了顯示核心,看似更加先進。

  實際上,Clarkdale只是將原本放在主板上的北橋芯片,挪到了CPU的鐵蓋下面,本質上並沒有整合任何東西(包括顯卡和內存控制器)。但是與之搭配的H55芯片組,確實只剩下了一顆南橋。北橋的發熱量遠高於南橋,由於北橋位於處理器上面,因此用戶再也不用擔心主板的散熱問題了。

  目前市面上熱賣的Core i7 8XX和Core i5 7XX處理器,就是基於Lynnfield核心的產品,這是真正意義上整合了北橋的處理器。

  Lynnfield核心示意圖

  Lynnfield相比Bloomfield(Core i7 9XX),在處理器內核部分幾乎沒有任何改動,同樣是45nm工藝、原生四核心設計、支持超線程(僅限i7)、三級緩存容量也保持8MB,它也整合了內存控制器和QPI總線,但刪去了一條內存通道,成為主流的雙通道設計,QPI總線也刪去了一條,僅保留一條。
  

  Lynnfield與Bloomfield的L1/L2/L3完全相同

  事實上,對於大多數普通用戶來說,三通道內存的帶寬過剩,因此刪去一條之後,性能並沒有多少損失。另外Bloomfield內置的兩條QPI總線是給多CPU互聯之用,而在民用市場基本完全閑置,只有一條QPI總線用來連接北橋,因此刪掉一條沒有任何影響。
  

  簡化成雙通道之後,Lynnfield的針腳數量和封裝面積縮小不少

  Bloomfield已經整合了傳統北橋最重要的功能內存控制器,所以X58北橋當中就只剩下了PCI-E控制器。Lynnfield核心由於定位較低一些,考慮到大多數主流用戶並不需要多顯卡互聯,因此Intel索性將北橋當中剩余的模塊PCI-E控制器簡化之後(只有16條通道),全都整合在了CPU當中。
  正因為整合了PCI-E控制器的關系,Lynnfield的晶體管數以及核心面積都要比Bloomfield大,所以Core i7 8XX處理器的售價比相近頻率的Core i7 9XX還要貴。好在P55主板要比X58便宜,而且雙通道內存顯然比三通道便宜,另外不支持超線程技術的i5 7XX售價還算厚道,因此很受歡迎。
  

  ★ 配套芯片組P55,接口類型LGA1156

  通過Intel官方Lynnfield核心示意圖來看,處理器與芯片組之間居然沒有使用QPI、而是通過DMI總線相連。要知道QPI總線帶寬高達25GB/s,而DMI僅有2GB/s。

  Intel官方的這張示意圖讓很多人產生誤解

  事實上在Lynnfield核心內部,除了整合了內存控制器外,Intel連PCI-E控制器也整合了進去(因此上圖顯卡直接與CPU相連),這就相當於整顆北橋都被CPU吃掉了,連接CPU與北橋的QPI總線自然也不會幸免。如此一來,CPU將直接與“南橋”相連,他們之間的總線叫做DMI。
  

  也就是說,Lynnfield內部還是整合了QPI總線的,雖然只有一條,這一條QPI總線用以連接CPU核心部分與PCI-E控制器部分。Bloomfield核心的QPI總線頻率可以隨便超,而Lynnfield核心的QPI被鎖定,其實沒有任何關系,因為QPI的唯一用途就是連接北橋,內存走的是直連通道已經不經過QPI總線了,因此超頻QPI不會有什麽性能提升。

  P55芯片組示意圖

  P55是單芯片設計的芯片組,其本質上就是一顆南橋,功能和ICH10R沒有太大區別,既不支持SATA3.0也不支持USB3.0,而且南橋中的PCI-E通道是落後的1.1版本。要知道Lynnfield核心內部整合的PCI-E 2.0通道只有16條,只能滿足單顯卡或者雙顯卡的需要,此時如果用戶有需要使用高速的擴展設備(比如USB3.0擴展卡)的話,P55南橋提供的PCI-E 1.0接口就成為了最大瓶頸。

  為了緩解這一瓶頸,一線主板廠商不得不整合第三方PCI-E橋接芯片,將P55當中的多條PCI-E 1.0通道組合起來使用,這種方法讓主板成本增加不少。

  Lynnfield核心不但整合了內存控制器、而且整合了QPI總線以及PCI-E總線,是真正意義上“消滅”了北橋芯片的處理器。但它定位中高端,因此並沒有整合顯卡。

  Clarkdale核心雖然將CPU和GPU首次封裝在了CPU基板上面,但本質上它並沒有做到CPU和GPU的融合,競爭對手AMD認為Intel這種方式其實是“膠水”整合,他們自己的APU才是真正意義上的“融合”。

  Lynnfield雖然確實整合了北橋,但它在整合時並沒有包括顯卡。而Intel全新的Sandybridge處理器,則集眾多先進技術與一身,在Lynnfield核心的基礎上,加入了新一代核心顯卡,架構方面也有所微調。這是第一款真正意義上整合了北橋+顯卡的處理器。

  毫無疑問,SandyBridge相對於上代的Clarkdale來說,最大的改進就是將GPU部分真正融入了CPU核心內部,這樣GPU部分也使用了先進的32nm工藝,並且可以充分利用CPU部分的大容量三級緩存以及低延遲的內存控制器,共享內存帶寬,從而讓集顯部分獲得可觀的性能提升。
  

  GPU處理單元和CPU核心被整合在了一顆芯片上面

  除了CPU和GPU真正無縫整合在一起之外,Intel還對CPU與GPU兩大處理器核心分別做了優化與改進,獲得更高的指令執行效率,此外整合內存控制器相比上代產品帶寬將更高、延遲會更低,而且CPU的三級緩存也可以被GPU共享,因此整合顯卡的性能獲得了非常客觀的提升。
  優化的核心、智能的頻率控制、以及單一32nm工藝的核心,SandyBridge相比上代產品速度更快、功率更小,處理器效能被提升到新的境界!
  

  AMD的Athlon 64是業界首次整合了內存控制器的處理器,但在此後很長一段時間內,AMD在整合方面並沒有太多的作為,其配套芯片組產品一直都是北橋和南橋分離式設計,北橋內部只有PCI-E控制器和整合顯卡。

  就在Intel發布SandyBridge的同時,AMD也正式發布了傳聞已久的Fusion APU處理器,將CPU和GPU無縫融合在了一起。但首批發布的產品定位比較低端,CPU僅為雙核、GPU的規格也比較低、而且還不支持PCI-E擴展外接顯卡,整合程度遠不如SandyBridge。

  這款微控智能ITX-AF2S1A主板采用Nano-ITX規格,集成了一顆AMD Zacate處理器,頻率為1.6GHz,同時還集成了HD 6310 GPU,支持UVD 3.0解碼技術、支持DirectX 11、1080i/p以及H.264、VC-1和MPEG-4等高清格式視頻的播放等技術。

  這顆APU被直接焊在了主板上面,包括了CPU、GPU和北橋的全部功能

  這才是主板的芯片組,就是一顆南橋

  AMD APU定位於嵌入式平臺、工控機、HTPC等對配置要求不高的領域,CPU和GPU的性能基本夠用,南橋功能全面,無需額外的擴展插槽。因此並沒有整合太多高速總線和功能模塊。

  AMD有很多款針對不同領域的APU產品,此前已經發布的APU定位較低,列都是雙核CPU搭配入門GPU的配置。而到了今年中,AMD將會陸續發布定位中高端的APU,將會是四核CPU搭配中端GPU的配置,相信可以滿足絕大多數用戶的需要。
  AMD已經發布的APU家族名稱為“Brazos”的E系列和C系列處理器,前者代號為“Zacate”,最高功耗為18W TDP,主要針對筆記本或入門臺式機,後者代號為“Ontario”,最高功耗僅9W TDP ,則針對高畫質上網本、HTPC或嵌入式平臺市場。
  同時,AMD也會於上半年推出代號為Llano的A系列APU處理器,將會內建更多數目的核心,並內建更高規格的繪圖核心,其中據AMD表示,A系列擁有 500GFLOP/s 或以上的平衡運算能力,預期年中將會正式發布並針對主流級市場。

  除此之外,AMD表示下半年將會分別針對高階市場、主流級桌上型平臺市場和行動計算機市場推出如“Dorado”、“Lynx”、“Scorpius”、“Danube”和“Sabine”等系列產品。 2012 年將會針對推出“Komodo”、“Trininty”、“Krishna”和“Wichita”等系列,除了核心數目進一步增加外,其中,更提及到“Krishna”將會把南橋芯片的功能整合到APU內,加上采用28nm制程,令該系列芯片面積進一步減少,同時有效縮小設計空間。

  這樣的設計將非常適合嵌入式平臺,AMD將首次把64bit、DX11顯卡引入該領域,顯示輸出方面不但支持雙頭輸出,而且還能提供一個LVDS接口直接連接到液晶面板,在保證超高集成度的同時提供了強大的功能,AMD的這一舉動滿足了嵌入式平臺愈來愈高性能需求的用途,同時亦能有效降低放置空間要求。

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