原生與橋接PCIE芯片技術(shù)深入分析解析

    10年的時(shí)間對(duì)于一個(gè)人意味著什么？他可能從毛頭小伙變成朗朗俊男，可能從兒立之年跨入不惑之歲；10年的時(shí)間對(duì)于一種總線又意味著什么呢？從先進(jìn)到落后，甚至被淘汰……

總線的發(fā)展歷程

    PCI作為個(gè)人電腦中不可缺少的最基本的I/O總線，已經(jīng)忠實(shí)的服役了10年。10年前當(dāng)PCI剛剛?cè)〈鶬SA的時(shí)候，系統(tǒng)總線的傳輸速率有了質(zhì)的飛躍，當(dāng)時(shí)PCI具有許多非常超前的設(shè)計(jì)和相對(duì)ISA來(lái)說(shuō)更加大的帶寬，應(yīng)付數(shù)據(jù)傳輸是措措有余。

    但是隨著時(shí)間的推移，當(dāng)很多人還僅僅將電腦的用途定義在上上網(wǎng)、打打字的時(shí)候，新一代的圖形加速卡、聲卡、更高速的硬盤以及處理器紛紛出現(xiàn)，日益龐大的數(shù)據(jù)量給PCI總線亮起了紅燈。

    出于無(wú)奈將圖形數(shù)據(jù)傳輸獨(dú)立出了PCI，接著是南橋與北橋之間的獨(dú)立數(shù)據(jù)傳輸通道將PCI進(jìn)一步從IDE設(shè)備中解脫出來(lái)。盡管如此，面對(duì)日益發(fā)展的高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備甚至聲卡，PCI都已經(jīng)力不從心，整個(gè)系統(tǒng)迫切需要一種新型總線來(lái)提供更加適宜的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。于是，PCI-Express來(lái)了。

PCI Express

    PCI-Express相對(duì)于傳統(tǒng)總線的最大改進(jìn)在于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議和串行的傳輸方式，未來(lái)系統(tǒng)總線與各種設(shè)備之間的連接方式都將逐步轉(zhuǎn)變成這種形式，包括線纜界面與芯片界面之間的連接，電纜同驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間的連接，連接插槽同PCI-Express擴(kuò)展卡之間的連接等。

PCI總線的發(fā)展規(guī)劃圖

    相對(duì)于PCI傳統(tǒng)的共享式并行總線，PCI-Express具有許多先進(jìn)的特性：PCI-Express的連接允許每個(gè)設(shè)備擁有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸資源。PCI-Express具有更加先進(jìn)的物理結(jié)構(gòu)，可以更加輕松的實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸。

    PCI-Express在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了新總線對(duì)于軟件和操作系統(tǒng)帶來(lái)得負(fù)擔(dān)，新總線通過(guò)保留傳統(tǒng)的PCI總線設(shè)備初始化和內(nèi)存操作模式來(lái)保證支持PCI設(shè)備的軟件的兼容性，這意味著驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)不必為數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境的改變而“背負(fù)責(zé)任”。

    PCI-Express支持彈性的多路訊道連接模式，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI-Express連接可能包含多個(gè)“lane”（訊道），當(dāng)需要增加數(shù)據(jù)傳輸帶寬時(shí)，PCI-Express可以方便地通過(guò)增加lane的數(shù)目來(lái)達(dá)到目的。

    具有單個(gè)lane的PCI-Express×1可以提供單向250MB/S的帶寬，而具有16個(gè)lane的PCI-Express×16可以達(dá)到雙向8GB/S的空前水平。這使得PCI-Express×16成為目前取代AGP總線來(lái)?yè)?dān)當(dāng)顯示部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆浅：玫倪x擇。

    AGP實(shí)際上是一個(gè)獨(dú)立于PCI以外的單獨(dú)與CPU以及北橋連接的總線，它具有4倍于PCI的數(shù)據(jù)帶寬（AGP1×），支持許多當(dāng)時(shí)很前衛(wèi)的特性。比如直接調(diào)用內(nèi)存進(jìn)行存儲(chǔ)操作，它為新出現(xiàn)的高速顯卡提供了更加充足的數(shù)據(jù)傳輸資源。但是，剛剛出現(xiàn)的AGP由于過(guò)分依賴北橋和系統(tǒng)內(nèi)存，而當(dāng)時(shí)的北橋和內(nèi)存速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上系統(tǒng)，所以被戲稱為“圖形減速器”。

    隨著時(shí)間的推移，內(nèi)存速度不斷地提升，再加上AGP總線自身的不斷提速，AGP終于發(fā)展成了一個(gè)相當(dāng)成熟的總線，為高速顯卡提供了充足的數(shù)據(jù)傳輸資源。

    隨著顯示核心的發(fā)展，GPU的填充率在迅速的提升，目前的AGP8×所能提供的2.1GB/S的帶寬已經(jīng)漸漸無(wú)法滿足新一代GPU極高的填充率，數(shù)據(jù)傳輸資源的不足導(dǎo)致GPU的運(yùn)算能力無(wú)法得到充分的發(fā)揮。程序員不得不將一部分運(yùn)算交還給CPU，這使得本來(lái)就負(fù)擔(dān)沉重的CPU運(yùn)算能力更加捉襟見(jiàn)肘，而且也限制了渲染任務(wù)中各種效果的應(yīng)用。

    PCI-Express的出現(xiàn)給問(wèn)題的解決帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)，更好的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境給GPU性能的充分發(fā)揮提供了良好的條件，也為未來(lái)圖形處理的數(shù)據(jù)運(yùn)算環(huán)境的改進(jìn)和CPU的真正解放打下了基礎(chǔ)。

    盡管PCI-Express相對(duì)于支持PCI設(shè)備的軟件而言在兼容性方面沒(méi)有什么問(wèn)題，但是相對(duì)于接口，由于數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境的改變，新一代顯卡必須改變數(shù)據(jù)接口形式以適應(yīng)新的變化。雖然PCI-Express得到主板芯片組的完美支持以及普及還需要時(shí)日，但是ATI和NVIDIA都已經(jīng)迫不及待的宣布了自己目前的PCI-Express產(chǎn)品計(jì)劃。

    同以往一樣，這次兩家公司的發(fā)展方向再一次形成了對(duì)抗。ATI為我們提供了完整的全新設(shè)計(jì)的兼容PCI-Express的GPU產(chǎn)品線，該組產(chǎn)品提供GPU芯片本地支持PCI-Express的解決方案。而NVIDIA則提供了通過(guò)橋接芯片（HSI芯片）來(lái)使自己目前的AGP產(chǎn)品直接兼容PCI-Express的解決方案。

Native，通暢的路。

    ATI將自己的解決方案稱為Native，即所謂“原生”。根據(jù)ATI的資料來(lái)看，ATI采用的具體方法是重新設(shè)計(jì)當(dāng)前的AGP產(chǎn)品，改變GPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)接口形式，在保證處理性能不變和控制成本的前提下盡量使新產(chǎn)品利用PCI-Express總線的優(yōu)越特性。

    同時(shí)盡量保留原來(lái)的AGP總線中有積極意義的特性，比如DIME操作、邊帶尋址等。通過(guò)在其芯片內(nèi)部去除造成延遲的其他因素，ATI的產(chǎn)品利用PCI-Express的良好潛在性能，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，ATI宣稱其產(chǎn)品可以完整的利用PCI-Express×16的全部帶寬，包括上行和下行。同時(shí)，ATI的資料中還暗示其產(chǎn)品中擁有某些橋接芯片所不能實(shí)現(xiàn)的特殊功能。

ATI的PCI-EXPRESS解決方案

采用原生PCI—Express接口設(shè)計(jì)的R423

    ATI的原生解決方案實(shí)際上從新設(shè)計(jì)了GPU的內(nèi)部接口部分的結(jié)構(gòu)，直接從GPU芯片的層面實(shí)現(xiàn)了與PCI-Express的互連，并能保證GPU能夠最直接的利用PCI-Express總線的各種特性。

   相對(duì)而言，ATI的解決方案更加簡(jiǎn)潔容易理解（雖然在設(shè)計(jì)上是兩回事）。原生的特點(diǎn)在于沒(méi)有其他互連層的延遲和干擾，這對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸所需的理論帶寬很重要，原生方案原則上可以保證GPU完全利用PCI-Express上行和下行各4GB的理論帶寬，這將使得GPU 6.4GB/S左右的填充率在數(shù)據(jù)交換方面得到充分的保證。

    同時(shí)，原生方案不會(huì)給顯卡制造商帶來(lái)成本負(fù)擔(dān)。不過(guò)原生方案并不是沒(méi)有成本增加，ATI為了生產(chǎn)新設(shè)計(jì)的原生設(shè)計(jì)的GPU不得不更改自己的芯片流水線，讓原本支持AGP的GPU下線，修改流水線后再讓支持PCI-Express的GPU上線，這帶來(lái)了大約2000萬(wàn)美元的支出。支持這種特性的ATI產(chǎn)品包括X800系列，X700系列，X600系列以及X300系列GPU。

HSI，寬敞的橋。

NVIDIAPCI-Express解決方案

    根據(jù)NVIDIA的產(chǎn)品資料，其PCI-Express解決方案的重點(diǎn)在于保留現(xiàn)有的GPU設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)在板卡或者核心中增加一個(gè)高速橋接芯片，即HSI。以此作為PCI-Express同GPU之間聯(lián)系的橋梁，這個(gè)橋接芯片是一個(gè)可逆AGP的PCI-Express接口，這個(gè)接口已經(jīng)完全受軟件監(jiān)控。

    起初，HSI被用來(lái)橋接AGP圖形芯片到PCI-Express總線上，但是隨著NV43的推出，這種芯片也會(huì)用來(lái)連接采用原生PCI-Express設(shè)計(jì)的GPU到AGP總線上。

采用內(nèi)部橋接的NV45

    HSI設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與原生設(shè)計(jì)最大的不同在于其在GPU和總線之間添加了一個(gè)互連層，通過(guò)互連層實(shí)現(xiàn)GPU中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)接口與不同類型總線之間的連接和數(shù)據(jù)傳輸。

GeforceFX5950PCX的橋接芯片

    這種設(shè)計(jì)顯得非常靈活，NVIDIA可以根據(jù)不同的需求生產(chǎn)不同的GPU，這使得NVIDIA可以更加自如的控制其流水線上的成本，并且更加方便地使自己的原生方案的GPU可以很快的進(jìn)入AGP領(lǐng)域。

    但是，這種設(shè)計(jì)的潛在缺陷是明顯的，由于多余互連層的加入，數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)境勢(shì)必受到影響。而且，由于HSI芯片會(huì)增加大約5美圓左右的生產(chǎn)成本，而這部分成本肯定要由顯卡生產(chǎn)廠商來(lái)承擔(dān)，這對(duì)于現(xiàn)在刺刀見(jiàn)紅的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)說(shuō)具有極大的影響。

來(lái)自ELSA的FX5950PCX顯卡

    支持HSI方案的NVIDIA產(chǎn)品包括GeforcePCX系列，包括Geforce5950PCX，Geforce5750PCX，5550PCX，以及Geforce 6800PCX系列，另外還有Geforce6600 AGP系列。

    ATI將自己的原生解決方案比喻為一條直路，而將橋接方案比喻成架橋，并認(rèn)為“有路何需架橋？”。那么原生和橋接方案究竟孰優(yōu)孰劣呢？
在理論傳輸方面，原生方案具有巨大的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)特點(diǎn)決定了原生方案理論上可以完全不受限制的利用PCI-Express×16所能提供的近乎全部帶寬。

    而橋接方案由于受限于GPU內(nèi)部的AGP接口速度而無(wú)法發(fā)揮PCI-Express×16的全部帶寬，根據(jù)NVIDIA的說(shuō)法，為了最大限度的保護(hù)PCI-Express的數(shù)據(jù)傳輸資源，目前的GeforcePCX系列產(chǎn)品的內(nèi)部AGP接口已經(jīng)從8×調(diào)整到了16×。這樣算來(lái)，即使在最理想狀態(tài)下，NVIDIA的產(chǎn)品也僅僅能利用PCI-Express×16的一半帶寬，即4GB/S。理論測(cè)試證實(shí)了原生方案的優(yōu)勢(shì)。

原生方案及橋接芯片的理論測(cè)試

    從圖中我們可以看到，在支持PCI-Express的芯片組上，采用原生方案的GPU的理論數(shù)據(jù)傳輸能力幾乎是采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩倍。同時(shí)，我們也注意到目前的芯片組還沒(méi)有完全發(fā)揮出PCI-Express×16的潛力，這是目前芯片組設(shè)計(jì)方面所面臨的重要問(wèn)題。理論部分如此，那么在實(shí)際應(yīng)用中呢？我們采用最新的PCI-Express版本的6800Ultra與X800 XT PCI-E進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

研發(fā)代號(hào)：NV45/R423
產(chǎn)品型號(hào)：GeForce 6800 Ultra/RADEON X800 XT
接口方式：PCI-E ×16/PCI-E ×16
核心頻率（MHz）：400/500
像素渲染流水線數(shù)量：16/16
理論填充率（M Pixels/s）：6400/8000
頂點(diǎn)渲染器數(shù)量:6/6
顯存類型:DDR3/DDR3
顯存頻率（MHz）:1100/1000
顯存位寬（bit）:256/256
顯存帶寬（GB/s）:35.2/32.0
制造工藝:0.13μm/0.13μm
晶體管數(shù)量:2.22億/1.6～1.8億
DirectX版本:9.0/9.0
PS版本:3.0/2.0
VS版本:3.0/2.0

華碩EAX800XT PCI-E樣卡

華碩6800Ultra PCI-E樣卡

華碩EAX800XT PCI-E核心

華碩6800Ultra PCI-E樣卡核心

顯卡，項(xiàng)目：NV45，NV45，R423，R423
No AF No FSAA，4XAF 4XFSAA/No AF No FSAA/4XAF 4XFSAA
   

3Dmark 03 build 340總分
1024X768，11747，7412，12076，7428
1280X1024，9353，5595，9754，5542
1600X1200，7593，4328，7954，4289
單像素填充率M Texels/s，3292.2，N/A，2911.4，N/A
多像素填充率M Texels/s，6281.4，N/A，6858.7，N/A
   

AquaMark3 總分   
1024X768，65.83，53.92，54.56，49.02
1280X1024，61.10，43.72，49.40，42.09
1600X1200，55.36，34.92，44.12，35.50
   

DOOM3  
1024X768，83.5，59.2，77.2，47.8
1280X1024，80.8，51.0，61.7，34.4
1600X1200，69.6，38.4，47.8，25.6

Quake Ⅲ  
1024X768，427.7，424.1，436.3，388.6
1280X1024，421.0，388.9，418.9，304.2
1600X1200，411.0，327.0，383.0，226.7

UT2003 得分   
1024X768，168.1，167.3，176.8，173.8
1280X1024，166.8，155.9，175.7，155.6
1600X1200，166.3，133.9，172.9，126.9

FarCry mp-dam  
1024X768，95.6，93.6，112.2，101.3
1280X1024，94.5，1.6，103.5，72.7
1600X1200，90.2，82.3，88.8，54.1

    我們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中原生方案并沒(méi)有表現(xiàn)出過(guò)人的優(yōu)勢(shì)，性能上與采用HSI的橋接方案相當(dāng)，并沒(méi)有出現(xiàn)理論測(cè)試中那種成績(jī)上的飛躍，也沒(méi)有體現(xiàn)出PCI-Express的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。這又是為什么呢？

    首先，在實(shí)際應(yīng)用中有效的可利用的PCI-Express的帶寬比理論帶寬重要的多。PCI-Express的有效帶寬計(jì)算公式如下：有效數(shù)據(jù)帶寬 ＝ 總線帶寬 ×[請(qǐng)求大小/（請(qǐng)求大小＋附加信息包詳細(xì)程度）]× 效率。

    由于顯卡具備輸出端的工作特點(diǎn)，GPU在實(shí)際操作過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸往往傾斜于上行，也就是從總線向GPU內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)，這就使得PCI-Express×16巨大的下行數(shù)據(jù)傳輸能力在大多數(shù)時(shí)間成為了擺設(shè)。

    由于橋接+現(xiàn)有芯片的方案提供了4GB左右的數(shù)據(jù)傳輸能力，相對(duì)而言已經(jīng)能夠達(dá)到PCI-Express上行數(shù)據(jù)的傳輸能力，這就使得NVIDIA的產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中并不會(huì)受到比ATI更多的來(lái)自數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗啤?/FONT>

    其次，NVIDIA的GPU支持最大單次64byte的數(shù)據(jù)請(qǐng)求包，并能為這個(gè)請(qǐng)求附加20byte左右的附加信息包，更大的數(shù)據(jù)傳輸包以及附加信息包可以保證盡可能大的數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及對(duì)更加完整的對(duì)請(qǐng)求的附加描述。

    盡管附加描述包的出現(xiàn)會(huì)占用一定的帶寬，但是對(duì)于較大量的單次數(shù)據(jù)傳輸而言，詳盡的請(qǐng)求附加描述可以保證盡可能正確有效的內(nèi)容發(fā)送，其結(jié)果就是相應(yīng)的應(yīng)請(qǐng)求發(fā)送的單次數(shù)據(jù)完整適應(yīng)度的增加。

    這種設(shè)計(jì)保證了數(shù)據(jù)傳輸通道可以被高效率的利用，使得HSI方案所提供的數(shù)據(jù)帶寬能夠被完全利用。相對(duì)的，ATI的GPU所支持的數(shù)據(jù)請(qǐng)求包的大小僅為32byte，這大大限制了ATI的GPU利用數(shù)據(jù)傳輸通道的能力。據(jù)稱，ATI的GPU對(duì)于PCI-Express帶寬的有效利用律僅僅達(dá)到了65%，即2.5GB/S。

    最后，由于在設(shè)計(jì)的時(shí)候充分考慮到了多余互連層帶來(lái)得潛伏期的問(wèn)題，NVIDIA的HSI芯片的設(shè)計(jì)潛伏期大大低于芯片組和PCI-Express的潛伏期。更高的響應(yīng)速度可以使HSI先于芯片組和總線做出反應(yīng)，不會(huì)影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程。因此NVIDIA的產(chǎn)品中并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的ATI所預(yù)言的添加互連層帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸周期延遲問(wèn)題。

    綜上所述，即使在大量數(shù)據(jù)充塞數(shù)據(jù)傳輸通道的情況下，HSI橋接方案也能保證很高的效率，保證GPU在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)受到來(lái)自數(shù)據(jù)傳輸方面的限制。也許你依然認(rèn)為橋接方案的延遲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于原生方案，并且無(wú)法接受現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中原生方案的表現(xiàn)。其實(shí)，我們可以想到一個(gè)很方便類比的例子——Athlon64和HyperTransport。

    Athlon64和HyperTransport的連接非常類似于HSI橋接芯片，像PCI-Express一樣，HyperTransport也是一個(gè)高速的，窄通道的，基于數(shù)據(jù)包傳輸模式的連接。它與CPU和總線的連接和從PCI-Express到HSI到GPU的過(guò)程很相似。

    在Athlon64發(fā)布時(shí)，很多人對(duì)于這樣一個(gè)快速的窄帶接口是否可以讓CPU與慢速寬通道的總線配合抱持著懷疑的態(tài)度。但是現(xiàn)在看來(lái)，這種擔(dān)心是完全多余的，Athlon64的實(shí)際表現(xiàn)說(shuō)明了一切。橋接的解決方案的關(guān)鍵在于響應(yīng)速度，只要響應(yīng)速度足夠高，那么橋接方案不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成很大的影響。

    另外，HSI橋接方案的作用還體現(xiàn)在了AGP領(lǐng)域的應(yīng)用。由于PCI-Express的普及速度落后于ATI的預(yù)期，使得ATI現(xiàn)在不得不面對(duì)一個(gè)異常尷尬的場(chǎng)面，它不得不使用老式的AGP接口形式的9800pro來(lái)跟NVIDIA全新的6600GT的AGP版本進(jìn)行對(duì)抗。

    顯而易見(jiàn)，這場(chǎng)對(duì)抗是一場(chǎng)不公平的，對(duì)ATI而言是根本毫無(wú)勝算的對(duì)抗，9800pro的實(shí)際性能甚至不如超頻后的6200……但是ATI不得不面對(duì)這個(gè)現(xiàn)實(shí)。

    由于NVIDIA的HSI芯片具有逆向傳輸設(shè)計(jì)，這使得NVIDIA的原生PCI-Express方案的GPU可以暢通無(wú)阻的進(jìn)入AGP領(lǐng)域，而ATI的X700系列的AGP版本要等到05年的第一季度才能出現(xiàn)，這不僅僅給ATI帶來(lái)了研發(fā)和生產(chǎn)的負(fù)擔(dān)，最致命的是這段時(shí)間的市場(chǎng)真空期所造成的損失幾乎是無(wú)法彌補(bǔ)的，當(dāng)X700的AGP版本進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，6600系列的AGP版本早已占領(lǐng)市場(chǎng)多時(shí)。可以說(shuō)HSI芯片的真正價(jià)值在AGP市場(chǎng)得到了沒(méi)有任何質(zhì)疑成分的成功。

    當(dāng)然，橋接方案盡管很成功，但它畢竟是個(gè)過(guò)渡的解決方案。從NVIDIA迅速推出了自己的GPU原生解決方案就可以充分說(shuō)明這一點(diǎn)。畢竟能夠充分利用PCI-Express總線的所有潛在特性是所有廠商都?jí)裘乱郧蟮模@樣才能從根本上完全發(fā)揮設(shè)備的全部性能。

    而且從市場(chǎng)角度考慮，原生解決方案也是最終的大勢(shì)所趨，畢竟AGP最終將會(huì)面臨淘汰。當(dāng)PCI-Express×16接口統(tǒng)一圖形接口市場(chǎng)的時(shí)候，HSI橋接解決方案肯定會(huì)被市場(chǎng)拋棄。不過(guò)就現(xiàn)階段而言，HSI橋接技術(shù)的價(jià)值還是非常巨大的。

    在下一階段，廠商研發(fā)的重點(diǎn)將轉(zhuǎn)換到如何更加高效的利用PCI-Express的現(xiàn)有資源上，隨著接口資源的更高效利用，也許實(shí)現(xiàn)將CPU從圖形運(yùn)算中完全解放出來(lái)并不是夢(mèng)想，讓我們共同期待著這一天的到來(lái)吧。