消失的北桥 主板芯片组背后的故事

南北桥的搭配一贯都是芯片组的传统构成，北桥负责与CPU通讯、作为内存和CPU之间的桥梁，南桥则负责系统内外的I/O扩展。但随着PC架构的发展，北桥的功能逐渐被CPU所包含，自身结构不断简化——其实早在几年前，NVIDIA为AMD K8平台设计的nForce3芯片组便取消了物理南北桥的思路，而使用了单芯片的解决方案；而在Intel刚推出的P55主板中，我们更是发现“北桥”的逻辑在芯片组中已不复存在，而是被CPU所整合。鉴于CPU集成图形功能已经是大势所趋，北桥芯片也将逐步成为历史……

x86架构初立，南北桥分工协作

在x86 PC诞生的初阶段，并没有专门的芯片组概念，CPU与内存、I/O系统的通讯是由一个所谓门列控制芯片，它也就是主板的核心部件，也被称为“Core Logic（核心逻辑）”。进入386时代后，双芯片结构的芯片组正式确立，按照它们在主板的不同位置，通常把两个芯片分别称作“北桥（North Bridge）”和“南桥（South Bridge）”。在后来的日子中，PC的性能呈现指数级的增长，CPU、内存、I/O系统的变革可谓是日新月异，芯片组自身当然也积极迎合这种技术演进，甚至在某种程度上还扮演技术先导的角色。但不管平台如何变动，南北桥的构成始终都没有变动过—虽然有为数不少的单芯片组，但它们大多只是将南桥和北桥逻辑功能整合于一块物理芯片上(如NVIDIA的nForce 3单芯片组方案)，本质并没有改变。

传统的南北桥架构，和平时大家看地图的时候一样，上“北”下“南”

在芯片组中，北桥扮演了CPU、显卡、内存的中转驿站的角色，PC的整机性能能否得到良好发挥，北桥的作用至关重要。在这漫长的时期，性能一直都是衡量芯片组优劣的首要因素—早期PC用户应该都还记得始于上个世纪末的芯片组大战，Intel、VIA、SiS、ALi进行着激烈的角逐：Intel芯片组性能佳，但价格也高，这种性能优势来自于对自身平台的透彻了解；VIA紧随其后，以性价比优势赢得许多PC玩家的青睐；SiS价格低廉，但在整合图形方面走在前面，为品牌机厂商喜爱；ALi的产品为便宜，但性能也一直处于垫底位置，市场份额相对狭小。

那些逝去的芯片组名称，在老玩家看来再熟悉不过了

从逻辑功能角度来看，传统型的北桥芯片主要包括内存控制器、图形接口控制器与前端总线控制器、南北桥总线控制器等四个逻辑组成，分别负责同内存、显卡、CPU和南桥芯片通信。在整合芯片组概念诞生之后，图形核心也被集成于北桥芯片内，因此它的设计优劣对于系统性能有重大影响。与此相比，南桥芯片则侧重于功能性，诸如PCI总线、ATA总线、USB、IEEE 1394、音频、网络等等所有周边系统，与主机的通信工作都必须经由南桥芯片。早期的南桥功能简单，只包括ISA、PCI、ATA总线和键盘鼠标PS/2接口控制，音频、网络功能都通过额外的ISA/PCI扩展卡实现，不过大约在2000年左右，音频和网络都被南桥所集成，此后南桥的功能不断强化，目前除了IEEE1394接口和无线网络功能无法集成外，南桥芯片已经可以提供其它所有的扩展功能。

虽然NVIDIA和ATI的起步时间较晚，但是强大的研发能力和
资金支持让他们成为后起之秀，并迅速打入了主流市场。

虽然南桥强调功能性，不过磁盘性能还是由它来决定的。在早期，Intel芯片组一直在该领域占优，VIA和SiS的产品则随后，ALi仍不幸处于垫底位置。不过这样的局面并没有维持太久，在
NVIDIA、ATI相继进入芯片组市场之后，VIA、SiS和ALi的生存空间就被明显挤占。

第一波“整合之风”与单芯片设计的大胆尝试

整合芯片组是降低PC成本的产物，第一款整合芯片组是SiS推出的SiS 5598芯片组，它支持
Socket 7接口和66MHz前端总线，主要为Pentium及兼容产品设计。SiS 5598集成了SiS 6326图形内核，可提供2D显示功能—它谈不上3D加速能力。SiS 5598之后，VIA的MVP4、Intel的i810和ALi的Aladdin TNT2相继问世，其中i810在品牌机市场占据主导地位，并让Intel在短时间内实现了34%的显卡市场占有率。ALi的Aladdin TNT2则集成了当时如日中天的TNT2图形核心，是当时性能出色的产品，不过该产品并未在市场上获得成功。

随着ALi被NVIDIA所收购，以往的Aladdin TNT2也画上了
NVIDIA的标志，征战于专业市场(如工控主板等)。

整合芯片组的出现，一定程度上降低了PC的整机成本，用户可以节省下购买显卡的费用。在这一领域，SiS一直表现得较为积极，它不仅第一个开发出整合芯片组、也第一个实现单芯片组设计—SiS 5598便采用这样的单芯片构造，即北桥与南桥功能都融合在同一枚芯片中。理论上说，这样做可以节省材料、降低芯片组的制造成本，但坏处也很明显：北桥与南桥功能捆绑在一起，两者无法像传统型芯片组那样灵活组合；同时在生产制造上，产品良率也一直是个问题。

SiS 630芯片组曾经是入门级玩家的爱

在SiS 5598之后，单芯片组就一度销声匿迹，直到数年后Intel再度提出单芯片概念，不过真正推行该技术的还是SiS，著名的SiS 630和SiS 730都是单芯片产品，这两者在品牌机市场都获得相当程度的应用（尤其是SiS630）。但是发展到后期，SiS也发现单芯片的良品率一直无法有效提升，而且存在设计不便的缺陷，对提升性能也毫无益处，因此果断地放弃了这一发展方向。在此之后，芯片组设计又回到南北桥双芯片的传统方案，尽管后来南北桥总线多次升级，功能也不断进步，但双芯片设计的方案一直没有改变—甚至直到现在，南北桥独立的设计依然还是主流。

单芯片设计的短暂辉煌给芯片组的未来发展写下浓重的一笔，北桥与南桥的第一次融合虽然以失败告终，但也指明了芯片组的发展方向，尤其是当CPU直接整合内存控制器之后，北桥的功能被显著削弱，单芯片设计也再度流行起来。

CPU整合内存控制器，天平已经开始倾斜

2003年，AMD发布了K8架构的Athlon 64处理器，其有两个重大技术改进：其一是首度支持64位x86指令；其二就是直接集成了内存控制器，后者也对芯片组设计带来重大影响。

Athlon 64开创了x86处理器集成内存控制器的先河

内存控制器本身是北桥芯片的关键逻辑功能之一，CPU集成内存控制器，便意味着北桥的功能被削弱。这种设计的优点在于：CPU内核可以同内存系统直接通信，数据访问延迟只有传统设计的一半，可显著提升CPU的指令效能。第二个优点就是让每个CPU都拥有自己的内存系统，不必再与其他CPU分享，这在多路服务器系统中可表现出巨大的性能优势；而它的缺点就是将CPU与内存捆绑，用户无法再通过升级主板的方式来提升平台的潜力，而只能通过升级CPU的方式进行，这在一定程度上更虚弱了主板芯片组的作用。

既然内存控制器被整合，那么北桥的关键逻辑实际只剩下图形接口控制器，不同品牌的芯片组之间，性能差异也显著变小。

Intel将北桥芯片称作“Memory Controller Hub”，南桥芯片称作
“Input/Output Controller Hub”，所以就诞生了MCH与ICH的组合。

对于单芯片组的设计，那时玩家接触多的便是NVIDIA的方案，如MCP 61、MCP78等。使用单芯片方案的设计可以简化主板的布线，让整块主板看起来更加简洁，而且高度集成化之后在成本方面更具竞争力。但是缺点也比较明显，首当其冲的便是发热的问题，如果再将集成图形单元也纳入其中，那问题就变得更加突出了；其次则是功能的灵活性受到很大限制，为突出的例子则是图形接口的设计。AGP时期还好一些，但是到了PCI-E时期尤其是多显卡互联(SLI)方案的提出，让
PCI-E控制器变得异常重要，于是我们看到很多支持SLI功能的主板，如nForce 590 SLI、nForce
980a SLI等芯片组就都使用了双芯片的设计。

由此我们可以看到，虽然北桥的作用被削弱了，但是由于PCI Express通路的重要性，独立北桥并没有因为内存控制器被剥离而消失。反观Intel方面则一贯都是MCH、ICH双芯片结构，其实就也是传统的北桥和南桥。

图形控制器被收编，北桥走向了末路

而如今，混合处理器的出现彻底打破了南北桥对等的平衡设计。AMD是混合处理器概念的提出者，早在2007年，AMD就展示了Fusion处理器的设计构想：即在CPU中直接集成GPU功能，两者共享高速缓存与内存系统，借此达到高效协作的目的，当然同时也进一步简化了芯片组平台的设计。之所以提出这样的方案，很大程度上是当时AMD急于将收购ATI后获得的高阶图形技术与CPU技术融合在一起，实现1+1>2的目的。

按照AMD的倡议，Fusion混合处理器的研发将分阶段进行：第一阶段是将GPU与CPU直接封装在一块基板上，GPU再通过CPU的内存控制器获取内存资源—这套方案其实只涉及到物理层面的改动，无法提升协作效率。第二阶段才开始将两者在逻辑上融合，但内存控制器依然由CPU部分掌控，GPU逻辑仍无法直接管理内存资源；第三阶段才是二者的完全融合，此时CPU、GPU核心共同分享高速缓存与内存资源。

Fusion的标志已经满天飞舞，但是实际的产品距离我们仍有很长的一段路要走

而事实上AMD的产品计划不断推迟（目前公布的时间是到2012年），而Intel在看到AMD的
Fusion计划后迅速跟进，他们计划在明年第一季度便正式推出代号为Clarkdale和Arrandale的两款混合处理器。Clarkdale/Arrandale均基于Nehalem微架构，整合了GPU和PCI Express 2.0图形控制器模块，实际上就是将GPU与北桥功能容纳其中，这样配套的芯片组实际上只需负责I/O功能的南桥即可—这便是Intel即将在今年9月份推出的5系列芯片组（代号为Ibex Peak）。

5系列芯片组显著的特点就是采用单芯片设计，这颗主控芯片既不叫北桥，也不叫南桥，而是称作“Platform Controller Hub”芯片。PCH主要负责PCIExpress和I/O设备的管理，它实际上仅提供南桥的功能—因为在Nehalem架构处理器整合北桥功能之后，独立的北桥芯片实际上已不复存在，芯片组也仅剩南桥。由于这套设计代表了Intel的未来方向，现行的Core 2架构将逐步淘汰，这就意味着主流Intel平台芯片组将真正步入单芯片时代，辉煌多年的南北桥设计也将就此进入历史。唯一的例外会出现在高端市场和服务器市场，因为高端处理器并未采取这类整合手段，强大的PCI
Express图形控制器依然十分必要。

P55芯片组的主板已经开始大量上市，细心的朋友可能发现
MCH与ICH都不见了，取而代之的是“Platform Controller Hub”

AMD平台在未来其实也将面临类似的事情。毫无疑问，AMD的下一代架构会将北桥、GPU功能融合，芯片组仅剩I/O功能。在这样的背景下，三方芯片组产品实际上失去了生存的空间—目前处境不利的便是NVIDIA，尽管现在NVIDIA在芯片组领域具有很强的技术优势，但伴随着北桥的消失，NVIDIA的技术力量也无从发挥，被迫退出芯片组市场也许只是时间问题。或许情况会更严重一些，那就是NVIDIA的图形业务也将因此受到影响。借助北桥的整合，AMD可以称心如意地将自己的图形产品与CPU平台捆绑，并拒绝支持NVIDIA的SLI技术；而在Intel平台，Intel自身也准备推行
Larrabee高并行处理器(显示方案)，NVIDIA的生存空间将可能遭受严重的挤压。

写在后：PC将重回封闭时代？

在伴随着PC从诞生、发展、普及到现在的演变之后，南北桥结构的芯片组终于到达生命的终点。对很多PC玩家来说，始于上个世纪末的南北桥时代或许值得回味，尤其是Intel、VIA、SiS与ALi的芯片组大战演绎了许多精彩故事。一个市场总是从小到大、从杂乱走向统一，芯片组领域也是如此，VIA、SiS和ALi或者是因激烈的市场竞争倒下，或者是因或多或少的垄断政策导致衰亡，而后起之秀的NVIDIA领了数年的风骚之后也无奈地被边缘化，ATI的芯片组业务则有幸伴上AMD而得以发扬光大—现在，芯片组市场实际上只剩下Intel与AMD两强对立，而纯粹的芯片组竞争已经不复存在，双方都在打造自己的封闭平台、并在平台的层面上进行对抗，更为可怕的是，Intel与AMD要打造的平台不仅仅只包含CPU与芯片组，未来还将蔓延到高端图形技术中。

在未来的日子中，芯片组作为一个独立产品将不复存在，它只将作为某一套计算平台的子集，未来的PC用户也许无法再选择采用何种芯片组，而只能选择哪家方案的主板。新用户或许会因为选择简单而感到愉快，但对于经历过芯片组市场百花齐放的资深用户，或许更多是感到莫名的滋味。在这个快速发展的产业中，用户并没有多少话语权，游戏规则总是快速变动，在未来的五年之内，我们可能会看到封闭平台重新主导计算产业。