消失的北桥 主板芯片组背后的故事

消失的北桥主板芯片组背后的故事陈可《微型计算机》2009年9月上期2009-09-22南北桥的搭配一贯都是芯片组的传统构成，北桥负责与CPU通讯、作为内存和CPU之间的桥梁，南桥则负责系统内外的I/O扩展。

但随着PC架构的发展，北桥的功能逐渐被CPU所包含，自身结构不断简化——其实早在几年前，NVIDIA为AMD K8平台设计的nForce3芯片组便取消了物理南北桥的思路，而使用了单芯片的解决方案；而在Intel刚推出的P55主板中，我们更是发现“北桥”的逻辑在芯片组中已不复存在，而是被CPU所整合。

鉴于CPU集成图形功能已经是大势所趋，北桥芯片也将逐步成为历史……x86架构初立，南北桥分工协作在x86 PC诞生的最初阶段，并没有专门的芯片组概念，CPU与内存、I/O系统的通讯是由一个所谓门列控制芯片，它也就是主板的核心部件，也被称为“Core Logic（核心逻辑）”。

进入386时代后，双芯片结构的芯片组正式确立，按照它们在主板的不同位置，通常把两个芯片分别称作“北桥（North Bridge）”和“南桥（South Bridge）”。

在后来的日子中，PC的性能呈现指数级的增长，CPU、内存、I/O系统的变革可谓是日新月异，芯片组自身当然也积极迎合这种技术演进，甚至在某种程度上还扮演技术先导的角色。

但不管平台如何变动，南北桥的构成始终都没有变动过—虽然有为数不少的单芯片组，但它们大多只是将南桥和北桥逻辑功能整合于一块物理芯片上(如NVIDIA的nForce 3单芯片组方案)，本质并没有改变。

传统的南北桥架构，和平时大家看地图的时候一样，上“北”下“南”在芯片组中，北桥扮演了CPU、显卡、内存的中转驿站的角色，PC的整机性能能否得到良好发挥，北桥的作用至关重要。

在这漫长的时期，性能一直都是衡量芯片组优劣的首要因素—早期PC用户应该都还记得始于上个世纪末的芯片组大战，Intel、VIA、SiS、ALi 进行着激烈的角逐：Intel芯片组性能最佳，但价格也最高，这种性能优势来自于对自身平台的透彻了解；VIA紧随其后，以性价比优势赢得许多PC玩家的青睐；SiS价格低廉，但在整合图形方面走在前面，最为品牌机厂商喜爱；ALi的产品最为便宜，但性能也一直处于垫底位置，市场份额相对狭小。

那些逝去的芯片组名称，在老玩家看来再熟悉不过了从逻辑功能角度来看，传统型的北桥芯片主要包括内存控制器、图形接口控制器与前端总线控制器、南北桥总线控制器等四个逻辑组成，分别负责同内存、显卡、CPU和南桥芯片通信。

在整合芯片组概念诞生之后，图形核心也被集成于北桥芯片内，因此它的设计优劣对于系统性能有重大影响。

与此相比，南桥芯片则侧重于功能性，诸如PCI总线、ATA 总线、USB、IEEE 1394、音频、网络等等所有周边系统，与主机的通信工作都必须经由南桥芯片。

早期的南桥功能简单，只包括ISA、PCI、ATA总线和键盘鼠标PS/2接口控制，音频、网络功能都通过额外的ISA/PCI扩展卡实现，不过大约在2000年左右，音频和网络都被南桥所集成，此后南桥的功能不断强化，目前除了IEEE1394接口和无线网络功能无法集成外，南桥芯片已经可以提供其它所有的扩展功能。

虽然NVIDIA和ATI的起步时间较晚，但是强大的研发能力和资金支持让他们成为后起之秀，并迅速打入了主流市场。

虽然南桥强调功能性，不过磁盘性能还是由它来决定的。

在早期，Intel芯片组一直在该领域占优，VIA和SiS的产品则随后，ALi仍不幸处于垫底位置。

不过这样的局面并没有维持太久，在NVIDIA、ATI相继进入芯片组市场之后，VIA、SiS和ALi的生存空间就被明显挤占。

第一波“整合之风”与单芯片设计的大胆尝试整合芯片组是降低PC成本的产物，第一款整合芯片组是SiS推出的SiS 5598芯片组，它支持Socket 7接口和66MHz前端总线，主要为Pentium及兼容产品设计。

SiS 5598集成了S iS 6326图形内核，可提供2D显示功能—它谈不上3D加速能力。

SiS 5598之后，VIA的MVP4、Intel的i810和ALi的Aladdin TNT2相继问世，其中i810在品牌机市场占据主导地位，并让Intel在短时间内实现了34%的显卡市场占有率。

ALi的Aladdin TNT2则集成了当时如日中天的TNT2图形核心，是当时性能最出色的产品，不过该产品并未在市场上获得成功。

随着ALi被NVIDIA所收购，以往的Aladdin TNT2也画上了NVIDIA的标志，征战于专业市场(如工控主板等)。

整合芯片组的出现，一定程度上降低了PC的整机成本，用户可以节省下购买显卡的费用。

在这一领域，SiS一直表现得较为积极，它不仅第一个开发出整合芯片组、也第一个实现单芯片组设计—SiS 5598便采用这样的单芯片构造，即北桥与南桥功能都融合在同一枚芯片中。

理论上说，这样做可以节省材料、降低芯片组的制造成本，但坏处也很明显：北桥与南桥功能捆绑在一起，两者无法像传统型芯片组那样灵活组合；同时在生产制造上，产品良率也一直是个问题。

SiS 630芯片组曾经是入门级玩家的最爱在SiS 5598之后，单芯片组就一度销声匿迹，直到数年后Intel再度提出单芯片概念，不过真正推行该技术的还是SiS，著名的SiS 630和SiS 730都是单芯片产品，这两者在品牌机市场都获得相当程度的应用（尤其是SiS630）。

但是发展到后期，SiS也发现单芯片的良品率一直无法有效提升，而且存在设计不便的缺陷，对提升性能也毫无益处，因此果断地放弃了这一发展方向。

在此之后，芯片组设计又回到南北桥双芯片的传统方案，尽管后来南北桥总线多次升级，功能也不断进步，但双芯片设计的方案一直没有改变—甚至直到现在，南北桥独立的设计依然还是主流。

单芯片设计的短暂辉煌给芯片组的未来发展写下浓重的一笔，北桥与南桥的第一次融合虽然以失败告终，但也指明了芯片组的发展方向，尤其是当CPU直接整合内存控制器之后，北桥的功能被显著削弱，单芯片设计也再度流行起来。

CPU整合内存控制器，天平已经开始倾斜2003年，AMD发布了K8架构的Athlon 64处理器，其有两个重大技术改进：其一是首度支持64位x86指令；其二就是直接集成了内存控制器，后者也对芯片组设计带来重大影响。

Athlon 64开创了x86处理器集成内存控制器的先河内存控制器本身是北桥芯片的关键逻辑功能之一，CPU集成内存控制器，便意味着北桥的功能被削弱。

这种设计的优点在于：CPU内核可以同内存系统直接通信，数据访问延迟只有传统设计的一半，可显著提升CPU的指令效能。

第二个优点就是让每个CPU都拥有自己的内存系统，不必再与其他CPU分享，这在多路服务器系统中可表现出巨大的性能优势；而它的缺点就是将CPU与内存捆绑，用户无法再通过升级主板的方式来提升平台的潜力，而只能通过升级CPU的方式进行，这在一定程度上更虚弱了主板芯片组的作用。

既然内存控制器被整合，那么北桥的关键逻辑实际只剩下图形接口控制器，不同品牌的芯片组之间，性能差异也显著变小。

Intel将北桥芯片称作“Memory Controller Hub”，南桥芯片称作“Input/Output Controller Hub”，所以就诞生了MCH与ICH的组合。

对于单芯片组的设计，那时玩家接触最多的便是NVIDIA的方案，如MCP 61、MCP 78等。

使用单芯片方案的设计可以简化主板的布线，让整块主板看起来更加简洁，而且高度集成化之后在成本方面更具竞争力。

但是缺点也比较明显，首当其冲的便是发热的问题，如果再将集成图形单元也纳入其中，那问题就变得更加突出了；其次则是功能的灵活性受到很大限制，最为突出的例子则是图形接口的设计。

AGP时期还好一些，但是到了PCI-E时期尤其是多显卡互联(SLI)方案的提出，让PCI-E控制器变得异常重要，于是我们看到很多支持SLI功能的主板，如nForce 590 SLI、nForce980a SLI等芯片组就都使用了双芯片的设计。

由此我们可以看到，虽然北桥的作用被削弱了，但是由于PCI Express通路的重要性，独立北桥并没有因为内存控制器被剥离而消失。

反观Intel方面则一贯都是MCH、ICH双芯片结构，其实就也是传统的北桥和南桥。

图形控制器被收编，北桥走向了末路而如今，混合处理器的出现彻底打破了南北桥对等的平衡设计。

AMD是混合处理器概念的提出者，早在2007年，AMD就展示了Fusion处理器的设计构想：即在CPU中直接集成GPU功能，两者共享高速缓存与内存系统，借此达到高效协作的目的，当然同时也进一步简化了芯片组平台的设计。

之所以提出这样的方案，很大程度上是当时AMD急于将收购ATI后获得的高阶图形技术与CPU技术融合在一起，实现1+1>2的目的。

按照AMD的倡议，Fusion混合处理器的研发将分阶段进行：第一阶段是将GPU与C PU直接封装在一块基板上，GPU再通过CPU的内存控制器获取内存资源—这套方案其实只涉及到物理层面的改动，无法提升协作效率。

第二阶段才开始将两者在逻辑上融合，但内存控制器依然由CPU部分掌控，GPU逻辑仍无法直接管理内存资源；第三阶段才是二者的完全融合，此时CPU、GPU核心共同分享高速缓存与内存资源。

Fusion的标志已经满天飞舞，但是实际的产品距离我们仍有很长的一段路要走而事实上AMD的产品计划不断推迟（目前公布的时间是到2012年），而Intel在看到AMD的Fusion计划后迅速跟进，他们计划在明年第一季度便正式推出代号为Clarkdale和Arranda le的两款混合处理器。

Clarkdale/Arrandale均基于Nehalem微架构，整合了GPU和PCI Express 2.0图形控制器模块，实际上就是将GPU与北桥功能容纳其中，这样配套的芯片组实际上只需负责I/O功能的南桥即可—这便是Intel即将在今年9月份推出的5系列芯片组（代号为Ibex Peak）。

5系列芯片组最显著的特点就是采用单芯片设计，这颗主控芯片既不叫北桥，也不叫南桥，而是称作“Platform Controller Hub”芯片。

PCH主要负责PCIExpress和I/O设备的管理，它实际上仅提供南桥的功能—因为在Nehalem架构处理器整合北桥功能之后，独立的北桥芯片实际上已不复存在，芯片组也仅剩南桥。

由于这套设计代表了Intel的未来方向，现行的Core 2架构将逐步淘汰，这就意味着主流Intel平台芯片组将真正步入单芯片时代，辉煌多年的南北桥设计也将就此进入历史。

唯一的例外会出现在高端市场和服务器市场，因为高端处理器并未采取这类整合手段，强大的PCIExpress图形控制器依然十分必要。