PCI-E成瓶頸？誰(shuí)阻撓USB3和SATA3普及
泡泡網(wǎng)主板頻道12月15日 自電腦誕生起，就沒(méi)有過(guò)停止升級(jí)的步伐。普通消費(fèi)者看到的只是CPU換成了什么，從P3、P4到現(xiàn)在的酷睿i7，內(nèi)存從128MB、512M到現(xiàn)在的12GB。而內(nèi)行看到是主板上的深刻變化，以上的改變，都與主板接口革新有關(guān)。
主板motherboard，可以說(shuō)是電腦系統(tǒng)中最為基礎(chǔ)最關(guān)鍵的設(shè)備。CPU和GPU無(wú)論多重要，都離不開(kāi)主板的支持。電腦配件升級(jí)的目的是提高性能，減低功耗，即性能功耗比不斷提高。CPU、GPU、內(nèi)存都是發(fā)揮性能的配件，而主板是將這些配件協(xié)調(diào)好的必經(jīng)之路。
從產(chǎn)品層面上講，好主板的標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)實(shí)耐用、bug盡可能地少。而從主板的設(shè)計(jì)自身而言，將如此眾多的設(shè)備連接起來(lái)無(wú)瓶頸才是最重要的。那么，我們現(xiàn)在常見(jiàn)的主板是否有瓶頸呢？
● PCI總線何時(shí)被徹底取代？
主板的主要作用是協(xié)調(diào)各配件的運(yùn)作，無(wú)瓶頸是最基本的要求。這是主板接口不斷更新的真實(shí)原因。從早期的ISA，到后來(lái)的PCI，以及特為顯卡的設(shè)計(jì)的AGP無(wú)不是因此而誕生。
即便是非常先進(jìn)的X58，還保留對(duì)PCI的支持
我們首先回顧下主板接口的早期時(shí)代，并行接口?，F(xiàn)今PCI-E一統(tǒng)江湖之前，應(yīng)用最廣泛的是誕生于1992年的PCI(Peripheral Component Interconnect)總線，即使是現(xiàn)在，一些設(shè)備仍舊在PCI上發(fā)揮余溫，而主板廠商也因?yàn)镻CI設(shè)備的數(shù)量種類(lèi)眾多，而遲遲不把其從主板上徹底拿掉。
這種徹底的革新幾乎不可見(jiàn)
PCI設(shè)備設(shè)備優(yōu)點(diǎn)就是兼容性高，即插即用。這就是一些周邊設(shè)備遲遲不更新至PCI-E，一直堅(jiān)守PCI陣地的根本原因。PCI僅有的133MB/s峰值帶寬，應(yīng)付高吞吐量的顯卡，存儲(chǔ)SAS卡，甚至千兆網(wǎng)卡都十分吃勁。雖然衍生出PCI-X增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐量，但與PCI-E 1x就具有的250MB/s相比，差距甚遠(yuǎn)，被淘汰也是必然。
但是，以聲卡、電視卡為代表的功能擴(kuò)展卡不需要太高的帶寬，因此PCI經(jīng)過(guò)10幾年依然沒(méi)有被淘汰，也是情有可原的。在PCI總線基礎(chǔ)上誕生的AGP都已經(jīng)被取代，PCI依然堅(jiān)挺，可見(jiàn)只有當(dāng)設(shè)備對(duì)帶寬提出更高要求時(shí)，才會(huì)加速更新?lián)Q代，目前只有顯卡和陣列卡需要高帶寬，今后則會(huì)有更多的設(shè)備拋棄PCI。
● 除了顯卡，PCI-E何時(shí)才能真正普及
時(shí)間進(jìn)入2002年，隨著顯卡帶寬需求的進(jìn)一步加大。原來(lái)為顯卡專(zhuān)用設(shè)計(jì)的AGP8X不堪重負(fù)。況且AGP是專(zhuān)為顯卡設(shè)計(jì)，如果為每種設(shè)備都設(shè)計(jì)單獨(dú)接口，絕非權(quán)宜之計(jì)。有鑒于此，在PCI、AGP、CSA（網(wǎng)卡專(zhuān)用）多種總線并存的情況下，第三代輸入輸出總線發(fā)布，即PCI-E。
PCI-E相比之前接口的優(yōu)勢(shì)明顯，首先它的出現(xiàn)結(jié)束了主板接口五代十國(guó)的情況（PCI、AGP、CSA），統(tǒng)一了總線標(biāo)準(zhǔn)，即所有設(shè)備均可通過(guò)PCI-E進(jìn)行連接，這樣簡(jiǎn)化主板設(shè)計(jì)上不必要的麻煩。此外，PCIE沿用了PCI總線的原理，但最大的革新是拋棄了并行共享總線，使用了更先進(jìn)的串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)，可以大幅提高總線帶寬和效率。
PCI-E的另外一大特點(diǎn)，就是升級(jí)相對(duì)容易，接口內(nèi)部定義不必進(jìn)行大的改動(dòng)，通過(guò)提升頻率即可大幅提升有效帶寬。PCI-E2.0相對(duì)PCI-E，主要就是頻率的提高，進(jìn)而提高帶寬。此外，針對(duì)PCI-E實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，PCI-E也進(jìn)行了小修改，比如動(dòng)態(tài)鏈接功能，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整總線速度，達(dá)到節(jié)能的作用。
支持PCI-E 2.0的話，X8就能當(dāng)作X16用，X4也能當(dāng)作X8用，性能損失很小
其實(shí)對(duì)于顯卡來(lái)說(shuō)，PCI-E 2.0翻倍的帶寬并沒(méi)有帶來(lái)多少性能提升，業(yè)界之所以著急升級(jí)到2.0標(biāo)準(zhǔn)，主要是考慮到多顯卡互聯(lián)的需要，因?yàn)槟壳暗那闆r是提升PCI-E的工作頻率遠(yuǎn)比增加芯片組的PCI-E通道數(shù)來(lái)得容易。
● USB3.0和SATA3.0標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，需要PCI-E 2.0的支持
今年最熱門(mén)的技術(shù)就是USB3.0和SATA3.0標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，但遺憾的是目前沒(méi)有任何一款芯片組能夠支持這兩項(xiàng)新潮的技術(shù)，尤其是Intel，作為SATA3.0和USB3.0標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者之一，剛剛發(fā)布的P55芯片組居然不支持，這的確讓人非常遺憾。
兩項(xiàng)技術(shù)的帶寬需求都很高，而得益于PCI-E2.0已經(jīng)普及開(kāi)來(lái)，所以給主板廠商充分的空間，通過(guò)PCI-E通道使用第三方解決方案來(lái)支持USB3.0和SATA3.0。
一線主板廠商都選擇了SATA3.0控制芯片Marvell 88SE9134和USB3.0控制芯片NEC D720200F1來(lái)提供額外的接口，這兩顆芯片都是基于PCI-E 2.0 X1總線，這樣500MB/s的帶寬剛好可以滿(mǎn)足USB3.0的500MB/s理論值，勉強(qiáng)滿(mǎn)足SATA3.0 600MB/s的帶寬。
當(dāng)如果芯片組僅支持PCI-E 1.1的話，那么SATA3.0的帶寬將僅為250MB/s，還不如主板自帶的SATA2.0快，USB3.0的速度也將大打折扣。因此隨著USB3.0和SATA3.0標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，芯片組不支持PCI-E 2.0是絕對(duì)不行的！
●AMD最新7系列芯片組！全部支持PCI-E 2.0
AMD的CPU雖然整體性能不如Intel，但芯片組和顯卡（整合顯卡）都做的有聲有色，就拿7系列芯片組來(lái)說(shuō)，北橋除了提供顯卡使用了一條或者兩條PCI-E 2.0 X16接口外，還預(yù)留了6條PCI-E 2.0 X1接口供擴(kuò)展卡使用：
AMD 790FX芯片組架構(gòu)圖
AMD 790GX架構(gòu)圖
790FX北橋共提供了38條PCI-E 2.0通道，32條供顯卡使用（16+16或8+8+8+8模式），6條供擴(kuò)展芯片或擴(kuò)展卡使用。790GX北橋提供了22條PCIE2.0通道，16條供顯卡使用（16或8+8模式），6條供擴(kuò)展芯片或擴(kuò)展卡使用。
當(dāng)主板廠商整合USB3.0和SATA3.0芯片，或者用戶(hù)自行購(gòu)買(mǎi)擴(kuò)展卡時(shí)，由于這些PCIE都是2.0標(biāo)準(zhǔn)，所以完全不會(huì)有瓶頸。
● Intel南橋全面落伍，最新P55都僅支持PCI-E 1.1
而Intel的做法與AMD不同，Intel的北橋僅為顯卡提供PCI-E 2.0通道，擴(kuò)展卡的PCI-E通道由南橋提供，目前Intel最新的ICH10R南橋能夠提供6個(gè)PCI-E 1.1通道，數(shù)量雖然與AMD相同，但帶寬差一倍。
Intel X58架構(gòu)圖
X58作為目前最高端的芯片組，規(guī)格更加強(qiáng)大，除了ICH10R提供的6條PCIE 1.1通道外，X58北橋還能提供額外的4條PCIE 2.0通道供擴(kuò)展卡使用，因此X58支持SATA3.0和USB3.0也不會(huì)有問(wèn)題。但比X58更新的P55芯片組就沒(méi)這么幸運(yùn)了：
注1：上圖中Intel所標(biāo)出的PCI-E總線是雙向帶寬值（上下行同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)），可以看到，CPU中整合的PCI-E控制器帶寬是P55芯片組的兩倍。如果算單行帶寬的話，P55的PCI-E X1只有250MB/s。
注2：X58北橋支持PCI-E 2.0，AMD主流芯片組都支持PCI-E 2.0，這些主板可以直接整合SATA3.0和USB3.0控制芯片，性能不會(huì)有損失。
注3：Core i7-800和i5處理器整合了原本屬于北橋的所有功能（包括PCI-E 2.0），因此P55芯片組實(shí)際上就是一顆南橋，這顆“南橋”相比ICH9R/10R沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，Intel這些年也是不思進(jìn)取。
LGA1156接口的Core i7/i5已經(jīng)整合了北橋的全部功能，處理器內(nèi)建PCIE 2.0 X16供顯卡使用，沒(méi)有給擴(kuò)展芯片預(yù)留多余的PCIE通道。而P55芯片組僅相當(dāng)于一顆南橋，規(guī)格并不比ICH10R強(qiáng)多少。
● 轉(zhuǎn)接卡必須插在PCIE2.0擴(kuò)展槽上才能發(fā)揮全部效能
像這樣的SATA3.0或USB3.0擴(kuò)展卡，接口都是PCIE 2.0 X1，必須要求主板支持PCIE2.0，否則速度直接減半。如果是AMD的7系列主板，那就沒(méi)有任何問(wèn)題，但如果是Intel主板的話，X58主板可以找2.0的接口插上，而P55及以下級(jí)別的主板就只有250MB/s的帶寬了。
● 移花接木——使用CPU提供的PCI-E通道
這種方法如果論效果的話確實(shí)是解決了目前P55-PCH和Marvell 88SE9134的窘境，但也是需要有特定環(huán)境的。
這種方法的原理是利用兩顆P13PCIE開(kāi)關(guān)芯片把兩顆Marvell 88SE9134鏈接到Lynnfield處理器所提供的兩條PCI-E x8 2.0總線中的一條，這樣雖然有效的解決了帶寬問(wèn)題，但前提是使用這款主板的用戶(hù)不能在使用SATA 6Gbps的同時(shí)使用NVIDIA的SLI或者AMD的CrossFire技術(shù)，因?yàn)檫@樣Lynnfield所能提供給顯卡的帶寬會(huì)變得不夠用……
● 過(guò)河搭橋——通過(guò)橋接芯片將南橋PCI-E轉(zhuǎn)換成2.0標(biāo)準(zhǔn)
P55芯片組提供了8條PCI-E 1.1通道供附加芯片或擴(kuò)展卡使用，多數(shù)情況下用戶(hù)只能用到其中的兩三條，多余的通道被閑置浪費(fèi)掉了。其實(shí)如果把剩余的通道組合起來(lái)的話使用就能實(shí)現(xiàn)N倍的帶寬。
華碩就使用了一顆PLX公司產(chǎn)的PEX8613橋接芯片來(lái)將P55的PCI-E通道組合起來(lái)使用。這顆芯片看上去比較眼熟，與ATI HD4870X2顯卡上用的PEX8647芯片比較相似。華碩所使用的PEX8613是低規(guī)格版，可以將4條PCI-E通道橋接成8條供兩個(gè)設(shè)備使用：
PEX8613芯片同時(shí)支持PCI-E 1.1和2.0標(biāo)準(zhǔn)，如果掛接在P55上面的話，雖然PCI-E僅為1.1標(biāo)準(zhǔn)，但4條依然可以達(dá)到1GB/s的帶寬，剛好可以滿(mǎn)足兩個(gè)PCI-E 2.0 X1設(shè)備的需要——正好外掛一個(gè)USB3.0控制芯片和一個(gè)SATA3.0控制芯片。
華碩的解決方案看似繁瑣，理論上性能沒(méi)有瓶頸，既不影響顯卡性能、又不限制SATA3.0和USB3.0的帶寬，還沒(méi)有浪費(fèi)P55芯片組的PCI-E資源，更不影響南橋擴(kuò)展槽(還剩4個(gè)通道)，缺點(diǎn)是增加了額外成本——PEX8613芯片。
● PCI-E 2.0帶寬提速的額外好處
大家都知道，主板芯片組有通道數(shù)限制，不可能無(wú)限制增長(zhǎng)。以X58為例，北橋提供了36條通道，而分給顯卡使用的是32條，南橋上雖然有6條pci-e 1x可供使用，但這些PCI-E是1.1版本，而且南北橋間的采用DMI連接，所以性能上損失較大。
X58獨(dú)立的PCI-E控制器提供了36條
那么，在有限的通道數(shù)上，PCI-E如何能夠盡可能多地發(fā)揮帶寬的優(yōu)勢(shì)呢？我們以對(duì)接口帶寬需求最旺盛的顯卡為例給大家講解：
根據(jù)我們之前的測(cè)試測(cè)試，得出的結(jié)論是：老舊的PCI-E 1.1接口，16X實(shí)際上和PCI-E 2.0 8X接口的帶寬是相同的，理論上可以滿(mǎn)足顯卡的需求。而8X的接口大小相對(duì)16x來(lái)說(shuō)是一半大小，這樣算下來(lái)的話，PCI-E2.0與PCI-E1.0所提供的帶寬一致的情況下，占用的帶寬PCI-E2.0僅是PCI-E1.0一半。這樣的，在有限的通道數(shù)限制下，PCI-E2.0節(jié)約通道數(shù)，并能插上更多的設(shè)備。
更多的插槽可以組建多GPU的超級(jí)計(jì)算機(jī)
總結(jié)：PCI-E為高帶寬設(shè)備而生，從PCI到PCI-E 1X，133-250MB/s，帶寬增加了一倍，從AGP 8x到PCI-E X16，帶寬翻了四倍。而PCIE 2.0帶寬再次翻倍，且每通道通過(guò)的帶寬流量更大?！?
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