當初規畫這一系列教學文章時,我最怕的就是寫到南北橋晶片組的部分。一方面是晶片組產品又亂又複雜,有點不知如何下手,在前一篇 2-1.認識主機板 裡就講到,主機板是把電腦裡所有零組件兜在一起的平台,所以晶片組的規格一定會扯到所有零組件和週邊的規格,而每項規格都是十幾年演變的成果,真的要細寫,這篇大概十萬字都寫不完。另一方面,台灣是全世界主機板廠的集中地,本島能人倍出、魔人無數、強者氾濫,只要出一丁點差錯,我應該會被釘上十字架燒死。

仔細考慮之後,決定還是以晶片組的大方向著手,至於細部規格實在太多,所以稍微簡單介紹就好,在各零組件的章節都還會再講到。這篇主要目的是希望未來有新的晶片組產品發表時,大家能有基本的了解。而原本打算北橋和南橋是分開寫成兩個章節,但想想這兩個實在緊密難分,所以還是合在一起寫吧!

為什麼要分南北橋?

南北橋是主機板上最主要的晶片,通常是上游晶片組廠商(NVIDIA、AMD、Intel)賣出晶片,下游板卡廠(華碩、技嘉、微星等等)再做成主機板,某些極少數的主機板是由晶片組廠商自行生產,再以完整的板子賣給下游板卡廠去出貨。

先來一張之前用過的晶片組簡易架構圖:




為什麼要分成北橋和南橋?這主要是兩個考量:設計和製造。就晶片設計的角度,如果要讓東西溝通的速度越快,那就讓它們越靠近越好,只要一分離,勢必就得拉出傳輸的通道,而有通道就要佈線、就有傳輸的延遲。如果可以的話,最好是把所有功能全部塞進一顆晶片內,可是必須考量到晶片製造的難度,廠商一定想賺錢,如果設計出一顆根本生產不出來、或太貴沒人要買的晶片也沒用。

北橋和南橋就是在這樣的取捨下分離,現在晶片組搭載的功能超多,而且很多週邊的速度太快,很難在一顆晶片內搞定,所以就讓需要高速傳輸的功能靠近CPU,並獨立成北橋晶片,而其他較慢速的週邊就變成南橋來連接北橋,與CPU做間接傳輸。

當然,整合南北橋變成一顆晶片是絕對是可行的,只要設計和製造難度允許,很多廠商都出過單晶片的產品,但通常是AMD平台或功能較少的入門晶片組,因為花樣少、製造難度較低,做成單晶片會有利於降低成本。


南北橋的功用

我們先以最標準的Intel的南北橋架構做解說,特別的案例最後再聊。這部分免不了要看晶片組的架構圖,別太緊張,其實看架構圖會比看實際的板子更容易了解晶片組的設計,只不過是一些PowerPoint的方塊圖而已



Intel P35晶片組的架構圖,這是非常標準的南北橋設計,由P35北橋加ICH9南橋,旁邊都有標上通道的速度,可明顯看出南橋連出去的週邊都比北橋慢。


北橋所連的都是高速傳輸的週邊,包括CPU、記憶體和顯示卡,也就是電腦最核心的三項零組件,只要其中有一項產品出現大改的新規格,相對應的北橋就一定要出新版,而換北橋就是出新的主機板,換主機板差不多就是砍掉重練整台電腦,也就是大家常說的世代交替或敗家升級了。

基本上,北橋可視為一堆通道的集合體,有專屬的通道連往CPU、記憶體、顯示卡和南橋,透過北橋這個轉運中心,CPU就可接收和送出資料給所有電腦週邊。

1.CPU通道
北橋和CPU連接的通道就是Intel的FSB或AMD的HyperTransport,在CPU的章節已經提過很多次,這是CPU對外的溝通管道,也就是和北橋連接,進而與所有週邊溝通。很直覺的,CPU和北橋的FSB和HyperTransport,兩邊一定要配對才能使用,或是北橋支援的FSB/HyperTransport速度要高於CPU的,也就是新主機板能向下相容舊CPU,但舊主機板不一定能向上相容新CPU(注意是不一定,例外到處都有,能不斷向上相容的板子很多,台灣板卡廠RD太強了)。

CPU每隔一兩年,對外的FSB或HyperTransport的速度就會提升,自然就會有新的北橋出現與它搭配,比如AMD最近要推新的AM2+ CPU,支援HyperTransport到最新的3.0版,時脈達2GHz(之前的是1GHz),AMD就推出新的RD790北橋來搭配。

除了CPU與北橋之間的通道要匹配之外,當然還有CPU腳位的問題,如果CPU更改傳輸腳位的定義,主機板上的北橋通常也要更新或修改才能支援。

2.記憶體通道
北橋另一個重點是記憶體控制器,直接決定支援的記憶體種類和時脈,時脈的部分,就是由CPU的外頻,乘上北橋裡控制器內附的比值,計算出記憶體時脈。比如CPU的外頻是266,北橋設定的比值是1:1.5,那記憶體的真實時脈就會是266x1.5=400MHz,DDR之後就是800MHz。這個比值有很多種,計算方式也不一定都是這樣,但無論如何,都是由北橋的記憶體控制器來決定算法和時脈。

至於記憶體種類,北橋通常只會支援一種記憶體,比如現在主流的DDR2,但在世代交替的當口,就會出現同時支援兩種記憶體的北橋,以緩和世代轉換的陣痛,像Intel現在正要推行DDR3新規格,P35/X38晶片組就同時支援DDR2和DDR3。



這是Intel X38晶片組的主機板,共有六個記憶體插槽,其中有兩個和另外四個的防呆缺口位置不同,這是世代交替下的產物,DDR2/DDR3通用的主機板,防呆缺口較靠近邊邊的是新的DDR3。


由於北橋控制FSB/HyperTransport和記憶體的時脈,它會影響整體的超頻能力,所以一些高階主機板的北橋散熱才會愈做愈誇張,連水冷都出來了(有時我會懷疑,北橋真的有「這麼」熱嗎?)。但超頻牽涉的因素很多,CPU、記憶體、主機板佈線等等,北橋並不是唯一會影響的。

3.顯示卡
顯示卡是近幾年才變成高速週邊的,當它開始需要大頻寬時,北橋其實並沒有對應的匯流排可用(PCI的每秒133MB頻寬太慢了),所以才會有AGP的出現。AGP是專門給顯示卡用的擴充「埠」,它是一對一的通道,不是匯流排,北橋內建一個AGP埠就只能插一張顯示卡。由於AGP限制太多,所以現在都改用PCI-Express,希望可以統合PCI和AGP,做為擴充卡的匯流排單一標準。不過結果大家都看的到,AGP是差不多淘汰了,但PCI還活的好好的。

PCI-Express的設計是以Lane為主,每條Lane就像一條獨立車道,雙向頻寬是每秒500MB,北橋會支援一個固定的Lane數,但可自由調配組合成寬度不一的道路。比如NVIDIA MCP55支援PCI-E Lanes x28,當插一張顯示卡時,就可以用PCI-E x16的速度,插兩張顯示卡時就變x8加x8,剩下的12 Lanes,可以再分成x8、x4、x1等不同數目的插槽,給不同的擴充卡週邊使用。

另外,一些低階的北橋產品也會直接內建顯示晶片,當然,在設計與製造成本的考量下,內建顯示晶片通常就是拿來「顯示」而已,3D能力絕對比不上同一個世代的獨立顯示卡,不過針對它所在的定位,只要能顯示畫面就很夠了。



好久不見的主機板AGP插槽,現在新出的主機板已經非常非常難看到AGP了。



NVIDIA GeForce 6800GT AGP版顯示卡,骨董一張。自從上一代顯示晶片之後(GeForce 7與Radeon X1000),NVIDIA和ATI就不再生產原生AGP的顯示晶片,不過AGP顯示卡仍然一直有出,都是用橋接晶片從PCI-Express轉到AGP。



主機板的PCI-Express插槽,那兩根很短的就是PCI-Express x1的插槽,目前好像只有電視卡、音效卡和少數顯示卡有這種介面。最左邊的兩條則是傳統PCI,通常是由南橋接出來。


4.包山包海的南橋
相對於北橋都是高速週邊,南橋就是比較功能面的,除了以上那些核心零組件之外,其他都是放在南橋,比如PCI插槽、IDE/SATA硬碟介面、大家一定用過的USB、AC97或HD Audio音效和10/100/1000網路,如果板卡廠願意,還可以另加晶片和南橋連接,讓主機板的附加價值更高,比如快閃記憶體(ReadyBoost)、無線網路、IEEE 1394、RAID晶片......。由於南橋晶片的獨立性和它所控制的功能面,晶片組廠商都會讓一顆北橋搭配不同的南橋,做出不同定位與附加功能的晶片組產品。





IDE、SATA、和主機板背後的這些插孔,都是從南橋連接出來。



雖然現在晶片組的南橋都已經包山包海,但廠商為了增加附加價值,可能自己還會在主機板外加晶片,塞進更多功能,比如這顆VIA VT6308P就是讓主機板多出IEEE 1394功能的晶片。



現在的南橋都有內建音效,但那只有「數位音效處理」,要讓主機板可以直接發聲,必需把數位音訊轉換成類比輸出,才能連接耳機或喇叭,而這個數位/類比的轉換晶片,南橋通常不會內建,所以主機板都會有一顆類似照片中「ALC888T」的Audio Codec,負責轉換成類比輸出,或是顛倒過來,把類比轉成數位做出錄音功能。



南橋的網路功能通常只有提供MAC,做為網路數位資料的傳輸功能,但要真正支援實體網路線的電子訊號傳輸,還要另外再加網路PHY晶片,比如照片中的RTL811B。


非傳統設計的晶片組

以前晶片組的設計廠商很多,但在一連串收購之後(NVIDIA併ULi,AMD併ATI),現在晶片組廠商主要有三大廠:Intel、AMD/ATI和NVIDIA,國產之光VIA和SIS其實也很不錯(尤其是SIS),只是近幾年很少有板卡廠願意生產VIA和SIS晶片組的主機板,因此曝光度大減,蠻可惜的。而三大廠中,Intel當然只支援Intel CPU;NVIDIA沒有出CPU,所以兩邊都做,AMD是收購ATI的晶片組產品,目前還是兩邊都有,但未來可能不會支援Intel CPU(不過AMD說的很含糊,搞不好還是會有,但也要看Intel願不願意授權)。

由於Intel晶片組佔有率實在太高,其他廠商為了和Intel競爭,通常花樣會比較有趣,也不會像Intel南北橋設計那麼中規中矩,而且ATI和NVIDIA都是顯示晶片起家,他們的晶片組產品也特別強調顯示卡的特殊應用,比如CrossFire和SLI的顯示卡串連技術。另一方面,AMD在K8架構之後,CPU內建記憶體控制器,等於把一大部分北橋的功能挖掉,這就讓晶片組設計的玩法更具變化性了。

NVIDIA
以NVIDIA來說,他們就很喜歡把前一代AMD平台的北橋,弄成下一代Intel平台的南橋。由於AMD平台的北橋沒有記憶體控制器,少了一大塊就容易做成單晶片產品,把PCI-Express、HyperTransport和其他週邊功能全整合在一顆北橋晶片內。而換到Intel平台時,因為要做記憶體控制器,所以一定要有一顆新的北橋,但這時AMD的平台的北橋就可以變成Intel平台的南橋,不會有記憶體控制器重覆的問題,而且會變功能超強的南橋,因為南北橋都有大量的PCI-E Lanes。

NVIDIA就靠這個達成雙PCI-E x16 SLI串連技術,而且不會因為晶片組的世代交替而浪費掉舊產品,比如AMD平台的nForce 570 SLI就是用MCP55單晶片北橋,而同一顆北橋就變成nForce 680i的南橋,甚至用到NVIDIA即將出的下一代Intel平台晶片組。正好AMD接北橋是用HyperTransport,而NVIDIA南北橋互連也是HyperTransport,接來接去都剛剛好。


註:關於NVIDIA下一代的晶片組,可以參考這篇討論



NVIDIA nForce 680i SLI晶片組的南橋是MCP55,也就是AMD平台nForce 570 SLI的單晶片北橋,這讓nForce 680i的南北橋都有PCI-E x16,插的兩張顯示卡都能有PCI-E x16的全速,相較於一般SLI(雙PCI-E x8)會快一點。可是因為兩張顯示卡分別位於南北橋,所以串連效能會卡在南北橋之間的通道上,NVIDIA下一代的北橋就直接支援PCI-E x32 Lanes,雙PCI-E x16都在北橋上,想必可以避開瓶頸,增加效能。


ATI
如果說NVIDIA把高速的PCI-E x16移到南橋去算特例的話,那ATI的RS690G也算很特別的設計了。RS690G是內建顯示晶片的產品,正好現在藍光、HDMI吵的很熱,RS690G想內建HDMI輸出帶起話題,但HDMI的優勢是同時輸出視訊和音訊,而音訊功能「傳統上」是放在南橋,如果北橋的顯示晶片想做HDMI輸出,音訊資料就得經過北橋到南橋,然後再接回北橋統一HDMI輸出,有點大繞遠路,所以RS690G就直接把音訊改到北橋,節省路徑,統一輸出。



AMD 690晶片組的架構,為了讓北橋的內建顯示晶片能直接輸出HDMI的視訊加音訊,音訊(Audio)功能從南橋移到北橋。


結語
除了Intel維持比較傳統的南北橋分界,其他兩家都開始玩一些創意,像是三卡SLI串連、四卡CrossFire串連、插上顯示卡時不關閉內建顯示、內建顯示輔助運算等等。大家對南北橋的定義也不必那麼嚴格,畢竟創意無限,而且隨著時代進步,很多高速週邊都會變慢速週邊,很久以前,慢到死的PCI介面就是放在北橋的。

篇幅有限,這裡沒辦法仔細介紹每一家的晶片組產品,大家不妨到他們的官方網站上瞧瞧,但他們通常不會寫出南北橋的代號或架構圖,這種細部資料得去玩家取向的網站上找,或是定時收看Mobile01囉,我會想辦法偷出這些資料的,嘻嘻!

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