【识变:主板三国】第一回 曹操崛起,北方一统

天下大势,合久必分,分久必合

正如中华大地几千年来反反复复分分合合的历史重演,计算机主板上的演化也没能脱离这一宿命。

最初的计算机主板结构非常简单,8088/80286时代,处理器通过一条PC/AT总线与所有其它外设连接,大家速度都很慢,共同构建了这个“人人”平等的和谐社会。

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286时代计算机及其主板架构

摩尔定律

然而在一种强大而神秘的推动力量下,这种和谐并没有保持多久。这个推动力量就是著名的“摩尔定律”

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摩尔定律(借某大佬的封面用一下)

虽然摩尔定律并不针对哪种芯片,然而对于主板来说,这个定律对纯CMOS电路的CPU处理器帮助最大,而对于其它部分由于各自工艺特殊,获得的推动力相比CPU来说就小了很多。

这时,我们三国故事的第一个角色就诞生了,那就是:曹操。既然拼音是C打头的,就让同为C家族的CPU来扮演曹操啦~

曹PU的崛起之路

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在摩尔定律的推动下,曹PU性能一路飙升,无可匹敌

正因为摩尔定律对主板这片国土上不同势力的推动力不同,所以导致互相之间无法在同一个总线上和平共处,好比在一个单车道上有牛车也有汽车,开汽车的一定是路怒癌患者,最终导致分道扬镳,不和谐就引起了主板国的分裂。

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386/486计算机及主板架构,分裂出快速和慢速两个总线

386/486时代首先是将存储等慢速外设与快速的内存和显示设备分离开

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奔腾(586)时代计算机及主板架构

奔腾(586)时代,进一步地将键盘鼠标等极慢速的设备分离出来,高速的PCI总线连接存储和显示设备,同时与更高速的内存分开。由于三个总线需要两个总线控制器桥接,此时把高速的总线控制器1称为北桥,低速的总线控制器2成为南桥,南北桥雏形已经形成。

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奔腾II/III时代计算机及主板架构

进入奔腾II/III时代后,由于显示分辨率开始急速提升,显卡急不可耐的与内存再次分家,主板成为上图架构,自此,处理器/显示/内存/存储彻底分家,整个主板遍布各种总线和设备,整个主板国完全陷入四分五裂的状态,南北桥架构成为主板的标准配置,正如我们的国土,北方的黄河与南方的长江将各诸侯划分为三个层级,天下至此分崩离析。

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南北桥与群雄逐鹿

吞并,还是吞并

然而,摩尔定律并没有放慢脚步,仍然每过18个月给曹PU一倍的资源,可是此时曹PU发展遇到了瓶颈。

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摩尔定律持续增加资源,但频率提升遭遇功耗墙无法逾越

从左图可以看到,当时钟频率提升到接近4GHz时,频率再提升200MHz,代价是功耗要提升30W,继续提高,功耗的提升则更为恐怖,从那时起,散热就成了性能提升的瓶颈,于是为了“超频”,出现了一系列的降温方法,包括水冷、半导体制冷,甚至液氮制冷的手段。非常规手段降温毕竟不是可持续的方案,面对摩尔定律送来的更多的资源,如果无法提高主频,那么自然而然的,多核、多线程等功能就出现了。

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为了消耗更多的资源,多核处理器和三级缓存技术进一步提升处理器性能

毕竟,多核不能无限制增加,因为多核导致的内存共享和进程分配管理问题将导致低效率,然而在似乎永不停息的摩尔定律推动下,曹PU走上了扩张的道路。

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CPU吞并北桥、显卡直至显存

一旦开始吞并,就再无回头之路,曹PU一路吃掉北桥、显卡、显存后,只有内存还在北方,其它地盘都已收归囊中,内存由于工艺与CPU并不兼容,所以,吃掉内存相当困难。可是,办法总比困难多,什么也挡不住贪婪的曹PU。

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Knights Landing 至强芯片

2015年,Intel发布了新的至强芯片,这一次除了之前的那些功能外,图中芯片背上背的那一叠叠绿色方块,就是DRAM晶片,通过硅通孔连接到下面的处理器电路中,全部DRAM容量可以达到16GB,基本上满足了处理器的内存需求。至此,内存也被集成,北方被曹PU一统江湖,新的主板架构变成下图模样。

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北桥被集成后,主板仅剩处理器和南桥芯片(芯片组)

望江兴叹

曹PU在北方的统一事业顺风顺水,然而,继续统一南方却并没那么容易。虽说吃掉南桥芯片只是分分钟的事情,但最大的困难就是存储。当时存储技术主要是机械硬盘,根本就不是半导体工艺,在这种情况下,强如曹PU,也只能望江兴叹了。

然而,此时,南方发生了什么呢?

欲知后事如何,且听下回分解。


[1] 8088~Pentium II 架构变迁部分,参考《计算机体系结构》张晨曦等,高等教育出版社。

[2] 功耗墙部分,参考 IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 33, NO. 5, MAY 1998.


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