P55單芯片系統-低功耗、高效能、穩定性強

　　（2020-02-04）河南鄭州科技市場IT產品配送網-鄭州電腦手機測評中心

　　采用P55芯片組的主板

　　在這12年里，串行總線如PCI-E、HT、QPI先后出現，推進了雙芯片向單芯片邁進的步伐。AMD首先把原來在北橋的內存控制器移出北橋，整合到CPU內，預示著北橋的另一半——圖形控制器也將移到CPU內，但是這一步英特爾走在了前面，先是X58芯片組把內存控制器移到Core i7（1366）處理器內，接著Ibex Peak芯片組把整個北橋移到Lynn Field處理器，跨入了單芯片系統。為什么起步晚的英特爾反超起步早的AMD？這是因為把整個北橋移到CPU內涉及到很多技術，特別是芯片生產工藝以及巨額投資。

　　不斷發展，不停減芯

　　誕生于第二次世界大戰時期的第一代電子管電子計算機“埃尼阿克”（ENIAC）是個龐然大物，占地面積達170平方米，重達30噸。第二代晶體管計算機體積明顯減小。從第三代大規模集成電路開始，計算機普及到社會各個領域，隨后進入千家萬戶，華夏文化把計算機形象地稱之為“電腦”。在電腦普及的歷程中，英特爾和微軟留下了歷史功績。8086、286、386還是多芯片時代，ISA（Industrial Standard Architecture，工業標準結構）或EISA（Extended Industy Standard Architecture，擴展工業標準結構）總線管理著整個系統。在586多媒體時代，1997年2月英特爾發布430TX芯片組，主板上的芯片組開始了雙芯片時代。

　　多芯片主板

　　雙芯片主板的芯片組稱為北橋和南橋。北橋負責CPU、內存、PCI等高速器件，南橋負責低速的ISA總線的設備，并整合了軟驅和IDE控制器。奔騰2時代，AGP總線出現，主板的高速區和低速區界線更加明顯，以AGP插槽為界，左側是南橋負責的低速區，右側是北橋負責的高速區。雙芯片系統從1997年開始延續了12年，其間盡管也有單芯片系統，如SIS、ALI等將北橋和南橋芯片整合在一起，但到了2009年8月，英特爾的Lynn field處理器和Ibex Peak芯片組曝光，主要得益于CPU高度集成的功勞，這才意味著真正邁進單芯片系統。

　　“單”與“雙”的對比

　　雙芯片系統是CPU+北橋+南橋，單芯片系統是CPU+南橋，北橋從單獨的芯片被整合到CPU內。從系統對比和結構對比可以看到，單芯片系統就意味著主板上只有一片芯片組，原來北橋芯片組內的控制器件分別被移到CPU和PCH芯片內。CPU和PCH通過DMI總線相互連接。請注意，只是位置的移動，原來的功能和性能沒有削弱或取消，甚至會增強。比如高速QPI總線，它是芯片之間的互連總線，由于圖形控制器在X58芯片內，處理器和X58之間通過QPI總線互連。Lynn Field處理器整合了圖形控制器，QPI總線自然配置在處理器內。

　　單芯片優勢可觀

　　單芯片系統是十幾年集成電路技術進步的結果，芯片互連串行總線（AMD的HT，英特爾的QPI）為單芯片系統提供了邏輯基礎。45nm/32nm工藝讓同樣面積的硅片可以集成更多的晶體管。高電介質（HIGH-K）技術解決了MOSFET漏電流較大的難題。這兩種技術使得處理器整合圖形控制器和內存控制器成為了現實，那么單芯片給我們帶來哪些益處？

　　主板設計的“革命”

　　1． 節省主板空間

　　主板上拿掉北橋，相對X58主板來說，節省了4cm×4cm的面積，CPU插座向板中心移動，增加了CPU供電部分的空間。MOSFET、電感、電容不在擁擠，布線寬松。既有利于MOSFET散熱，有有利于降低分布電容。供電電路可以提供更潔凈更穩定的電流。

　　當然，也有主板廠商利用這些空間來“堆料”。對于單芯片系統，用戶期望的除了它的性能和穩定以外，更期望它的價格有所降低。某些主板把北橋省下的空間用來“堆料”自然會增加成本，使P55主板價格高升，在全球經濟不景氣的環境下，有多少用戶購買這樣的主板？再有Lynnfield Core 系列比Bloomfield Core i7熱功耗降低了35W，CPU供電用料應該低于X58，可是上圖所示的主板居然超過了X58，這種夸張的豪華的用料會使用戶誤解Lynnfield Core 系列CPU又是耗電大戶。

　　2．降低布線難度

　　北橋從主板撤掉，圖形控制器與PCI-E ×16的布線直接從CPU插座拉向PCI-E ×16槽，內存控制器與內存槽的布線直接從CPU插座拉向內存槽。布線空間寬松，線跡、線距都可以適當放寬。有利于信號的穩定。

　　3． 功耗降低，效能提高

　　人們會懷疑，CPU內整合了處理器、圖形控制器和內存控制器，這樣的CPU功耗一定成倍增加。其實恰恰相反，功耗反而降低了，而且降低的是無用功耗。我們對比一下LGA 1366接口的Core i7和1156的Core i7熱功耗就可以清楚了。從英特爾的熱設計功耗可以看到，整合了圖形控制器和內存控制器的Lynnfield處理器熱功耗反而降低了35W。

　　為什么功耗會降低呢？這就是高電介質（High-K）技術的功勞。處理器內集成的晶體管都是金屬氧化物半導體（MOS）晶體管。這種晶體管有源、漏、柵三個電極，柵極是控制極。柵極與源極和漏極之間有一層絕緣層，并存在分布電容。柵極與源漏極的溝道存在泄漏電流，這是MOS晶體管的難題。特別是集成度越高，MOS晶體管尺寸越小，漏電流問題越嚴重。CPU的高發熱量主要是泄漏電流引起，這些泄漏電流是浪費的無用功耗。高電介質（High-K）技術就是在柵極與溝道之間加一層介電系數高的電介質，既可以在3.0nm的厚度保持較高的電容量，又可以降低泄漏電流。與High-K相反的是Low-K技術，兩種技術誰優誰劣，一直存在爭論。英特爾在Lynnfield處理器成功地應用了高電介質（HIGH-K）技術，并有新的改進，才使得Lynnfield處理器的熱功耗降低到95W，提高了處理器的效能。

　　4．頻率更高，速度更快

　　由于高電介質（High-K）技術增加了柵極與源、漏極之間的電容，Lynnfield處理器工作的頻率和速度都明顯高于Bloomfield處理器。同頻率的CPU，Lynnfield表現出更強的超頻能力。拿到測試版Lynnfield的用戶已經為出色的超頻性能而驚喜。

　　P55主板的上市，預示著我們正式進入單芯片系統時代，擁有積極重要的意義的是，英特爾發布單芯片系統是計算機發展史的一個重要里程碑，它將使電腦的外部結構更加簡化，體積進一步縮小，效能和穩定性再次提高，電腦應用將更為簡單化。同時，單芯片系統的出現，在IT產業方面，也意味主板結構、整機系統結構在不遠的將來都會有新的發展。

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