【識變:主板三國】第一回 曹操崛起,北方一統

天下大勢,合久必分,分久必合

正如中華大地幾千年來反反覆覆分分合合的歷史重演,計算機主板上的演化也沒能脫離這一宿命。

最初的計算機主板結構非常簡單,8088/80286時代,處理器通過一條PC/AT總線與所有其它外設連接,大家速度都很慢,共同構建了這個“人人”平等的和諧社會。

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286時代計算機及其主板架構

摩爾定律

然而在一種強大而神秘的推動力量下,這種和諧並沒有保持多久。這個推動力量就是著名的“摩爾定律”

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摩爾定律(借某大佬的封面用一下)

雖然摩爾定律並不針對哪種芯片,然而對於主板來說,這個定律對純CMOS電路的CPU處理器幫助最大,而對於其它部分由於各自工藝特殊,獲得的推動力相比CPU來說就小了很多。

這時,我們三國故事的第一個角色就誕生了,那就是:曹操。既然拼音是C打頭的,就讓同為C家族的CPU來扮演曹操啦~

曹PU的崛起之路

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在摩爾定律的推動下,曹PU性能一路飆升,無可匹敵

正因為摩爾定律對主板這片國土上不同勢力的推動力不同,所以導致互相之間無法在同一個總線上和平共處,好比在一個單車道上有牛車也有汽車,開汽車的一定是路怒癌患者,最終導致分道揚鑣,不和諧就引起了主板國的分裂。

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386/486計算機及主板架構,分裂出快速和慢速兩個總線

386/486時代首先是將存儲等慢速外設與快速的內存和顯示設備分離開

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奔騰(586)時代計算機及主板架構

奔騰(586)時代,進一步地將鍵盤鼠標等極慢速的設備分離出來,高速的PCI總線連接存儲和顯示設備,同時與更高速的內存分開。由於三個總線需要兩個總線控制器橋接,此時把高速的總線控制器1稱為北橋,低速的總線控制器2成為南橋,南北橋雛形已經形成。

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奔騰II/III時代計算機及主板架構

進入奔騰II/III時代後,由於顯示分辨率開始急速提升,顯卡急不可耐的與內存再次分家,主板成為上圖架構,自此,處理器/顯示/內存/存儲徹底分家,整個主板遍佈各種總線和設備,整個主板國完全陷入四分五裂的狀態,南北橋架構成為主板的標準配置,正如我們的國土,北方的黃河與南方的長江將各諸侯劃分為三個層級,天下至此分崩離析。

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南北橋與群雄逐鹿

吞併,還是吞併

然而,摩爾定律並沒有放慢腳步,仍然每過18個月給曹PU一倍的資源,可是此時曹PU發展遇到了瓶頸。

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摩爾定律持續增加資源,但頻率提升遭遇功耗牆無法逾越

從左圖可以看到,當時鍾頻率提升到接近4GHz時,頻率再提升200MHz,代價是功耗要提升30W,繼續提高,功耗的提升則更為恐怖,從那時起,散熱就成了性能提升的瓶頸,於是為了“超頻”,出現了一系列的降溫方法,包括水冷、半導體制冷,甚至液氮製冷的手段。非常規手段降溫畢竟不是可持續的方案,面對摩爾定律送來的更多的資源,如果無法提高主頻,那麼自然而然的,多核、多線程等功能就出現了。

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為了消耗更多的資源,多核處理器和三級緩存技術進一步提升處理器性能

畢竟,多核不能無限制增加,因為多核導致的內存共享和進程分配管理問題將導致低效率,然而在似乎永不停息的摩爾定律推動下,曹PU走上了擴張的道路。

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CPU吞併北橋、顯卡直至顯存

一旦開始吞併,就再無回頭之路,曹PU一路吃掉北橋、顯卡、顯存後,只有內存還在北方,其它地盤都已收歸囊中,內存由於工藝與CPU並不兼容,所以,吃掉內存相當困難。可是,辦法總比困難多,什麼也擋不住貪婪的曹PU。

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Knights Landing 至強芯片

2015年,Intel發佈了新的至強芯片,這一次除了之前的那些功能外,圖中芯片背上背的那一疊疊綠色方塊,就是DRAM晶片,通過硅通孔連接到下面的處理器電路中,全部DRAM容量可以達到16GB,基本上滿足了處理器的內存需求。至此,內存也被集成,北方被曹PU一統江湖,新的主板架構變成下圖模樣。

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北橋被集成後,主板僅剩處理器和南橋芯片(芯片組)

望江興嘆

曹PU在北方的統一事業順風順水,然而,繼續統一南方卻並沒那麼容易。雖說吃掉南橋芯片只是分分鐘的事情,但最大的困難就是存儲。當時存儲技術主要是機械硬盤,根本就不是半導體工藝,在這種情況下,強如曹PU,也只能望江興嘆了。

然而,此時,南方發生了什麼呢?

欲知後事如何,且聽下回分解。


[1] 8088~Pentium II 架構變遷部分,參考《計算機體系結構》張晨曦等,高等教育出版社。

[2] 功耗牆部分,參考 IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 33, NO. 5, MAY 1998.


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