PCI-E成瓶頸？誰阻撓USB3和SATA3普及

    泡泡網主板頻道12月15日 自電腦誕生起，就沒有過停止升級的步伐。普通消費者看到的只是CPU換成了什么，從P3、P4到現在的酷睿i7，內存從128MB、512M到現在的12GB。而內行看到是主板上的深刻變化，以上的改變，都與主板接口革新有關。

    主板motherboard，可以說是電腦系統中最為基礎最關鍵的設備。CPU和GPU無論多重要，都離不開主板的支持。電腦配件升級的目的是提高性能，減低功耗，即性能功耗比不斷提高。CPU、GPU、內存都是發揮性能的配件，而主板是將這些配件協調好的必經之路。

    從產品層面上講，好主板的標準是結實耐用、bug盡可能地少。而從主板的設計自身而言，將如此眾多的設備連接起來無瓶頸才是最重要的。那么，我們現在常見的主板是否有瓶頸呢？

● PCI總線何時被徹底取代？

    主板的主要作用是協調各配件的運作，無瓶頸是最基本的要求。這是主板接口不斷更新的真實原因。從早期的ISA，到后來的PCI，以及特為顯卡的設計的AGP無不是因此而誕生。

即便是非常先進的X58，還保留對PCI的支持

    我們首先回顧下主板接口的早期時代，并行接口?，F今PCI-E一統江湖之前，應用最廣泛的是誕生于1992年的PCI(Peripheral Component Interconnect)總線，即使是現在，一些設備仍舊在PCI上發揮余溫，而主板廠商也因為PCI設備的數量種類眾多，而遲遲不把其從主板上徹底拿掉。

這種徹底的革新幾乎不可見

    PCI設備設備優點就是兼容性高，即插即用。這就是一些周邊設備遲遲不更新至PCI-E，一直堅守PCI陣地的根本原因。PCI僅有的133MB/s峰值帶寬，應付高吞吐量的顯卡，存儲SAS卡，甚至千兆網卡都十分吃勁。雖然衍生出PCI-X增強數據吞吐量，但與PCI-E 1x就具有的250MB/s相比，差距甚遠，被淘汰也是必然。

    但是，以聲卡、電視卡為代表的功能擴展卡不需要太高的帶寬，因此PCI經過10幾年依然沒有被淘汰，也是情有可原的。在PCI總線基礎上誕生的AGP都已經被取代，PCI依然堅挺，可見只有當設備對帶寬提出更高要求時，才會加速更新換代，目前只有顯卡和陣列卡需要高帶寬，今后則會有更多的設備拋棄PCI。

● 除了顯卡，PCI-E何時才能真正普及

    時間進入2002年，隨著顯卡帶寬需求的進一步加大。原來為顯卡專用設計的AGP8X不堪重負。況且AGP是專為顯卡設計，如果為每種設備都設計單獨接口，絕非權宜之計。有鑒于此，在PCI、AGP、CSA（網卡專用）多種總線并存的情況下，第三代輸入輸出總線發布，即PCI-E。

    PCI-E相比之前接口的優勢明顯，首先它的出現結束了主板接口五代十國的情況（PCI、AGP、CSA），統一了總線標準，即所有設備均可通過PCI-E進行連接，這樣簡化主板設計上不必要的麻煩。此外，PCIE沿用了PCI總線的原理，但最大的革新是拋棄了并行共享總線，使用了更先進的串行點對點設計，可以大幅提高總線帶寬和效率。

    PCI-E的另外一大特點，就是升級相對容易，接口內部定義不必進行大的改動，通過提升頻率即可大幅提升有效帶寬。PCI-E2.0相對PCI-E，主要就是頻率的提高，進而提高帶寬。此外，針對PCI-E實際應用中出現的問題，PCI-E也進行了小修改，比如動態鏈接功能，可以動態調整總線速度，達到節能的作用。

支持PCI-E 2.0的話，X8就能當作X16用，X4也能當作X8用，性能損失很小

    其實對于顯卡來說，PCI-E 2.0翻倍的帶寬并沒有帶來多少性能提升，業界之所以著急升級到2.0標準，主要是考慮到多顯卡互聯的需要，因為目前的情況是提升PCI-E的工作頻率遠比增加芯片組的PCI-E通道數來得容易。

● USB3.0和SATA3.0標準出臺，需要PCI-E 2.0的支持

    今年最熱門的技術就是USB3.0和SATA3.0標準的出臺，但遺憾的是目前沒有任何一款芯片組能夠支持這兩項新潮的技術，尤其是Intel，作為SATA3.0和USB3.0標準的制定者和推動者之一，剛剛發布的P55芯片組居然不支持，這的確讓人非常遺憾。

    兩項技術的帶寬需求都很高，而得益于PCI-E2.0已經普及開來，所以給主板廠商充分的空間，通過PCI-E通道使用第三方解決方案來支持USB3.0和SATA3.0。

    一線主板廠商都選擇了SATA3.0控制芯片Marvell 88SE9134和USB3.0控制芯片NEC D720200F1來提供額外的接口，這兩顆芯片都是基于PCI-E 2.0 X1總線，這樣500MB/s的帶寬剛好可以滿足USB3.0的500MB/s理論值，勉強滿足SATA3.0 600MB/s的帶寬。

    當如果芯片組僅支持PCI-E 1.1的話，那么SATA3.0的帶寬將僅為250MB/s，還不如主板自帶的SATA2.0快，USB3.0的速度也將大打折扣。因此隨著USB3.0和SATA3.0標準的出臺，芯片組不支持PCI-E 2.0是絕對不行的！

●AMD最新7系列芯片組！全部支持PCI-E 2.0

    AMD的CPU雖然整體性能不如Intel，但芯片組和顯卡（整合顯卡）都做的有聲有色，就拿7系列芯片組來說，北橋除了提供顯卡使用了一條或者兩條PCI-E 2.0 X16接口外，還預留了6條PCI-E 2.0 X1接口供擴展卡使用：

AMD 790FX芯片組架構圖

AMD 790GX架構圖

    790FX北橋共提供了38條PCI-E 2.0通道，32條供顯卡使用（16+16或8+8+8+8模式），6條供擴展芯片或擴展卡使用。790GX北橋提供了22條PCIE2.0通道，16條供顯卡使用（16或8+8模式），6條供擴展芯片或擴展卡使用。

    當主板廠商整合USB3.0和SATA3.0芯片，或者用戶自行購買擴展卡時，由于這些PCIE都是2.0標準，所以完全不會有瓶頸。

● Intel南橋全面落伍，最新P55都僅支持PCI-E 1.1

    而Intel的做法與AMD不同，Intel的北橋僅為顯卡提供PCI-E 2.0通道，擴展卡的PCI-E通道由南橋提供，目前Intel最新的ICH10R南橋能夠提供6個PCI-E 1.1通道，數量雖然與AMD相同，但帶寬差一倍。

Intel X58架構圖

    X58作為目前最高端的芯片組，規格更加強大，除了ICH10R提供的6條PCIE 1.1通道外，X58北橋還能提供額外的4條PCIE 2.0通道供擴展卡使用，因此X58支持SATA3.0和USB3.0也不會有問題。但比X58更新的P55芯片組就沒這么幸運了：

    注1：上圖中Intel所標出的PCI-E總線是雙向帶寬值（上下行同時傳輸數據），可以看到，CPU中整合的PCI-E控制器帶寬是P55芯片組的兩倍。如果算單行帶寬的話，P55的PCI-E X1只有250MB/s。

    注2：X58北橋支持PCI-E 2.0，AMD主流芯片組都支持PCI-E 2.0，這些主板可以直接整合SATA3.0和USB3.0控制芯片，性能不會有損失。

    注3：Core i7-800和i5處理器整合了原本屬于北橋的所有功能（包括PCI-E 2.0），因此P55芯片組實際上就是一顆南橋，這顆“南橋”相比ICH9R/10R沒有什么實質性的改進，Intel這些年也是不思進取。

    LGA1156接口的Core i7/i5已經整合了北橋的全部功能，處理器內建PCIE 2.0 X16供顯卡使用，沒有給擴展芯片預留多余的PCIE通道。而P55芯片組僅相當于一顆南橋，規格并不比ICH10R強多少。

● 轉接卡必須插在PCIE2.0擴展槽上才能發揮全部效能

    像這樣的SATA3.0或USB3.0擴展卡，接口都是PCIE 2.0 X1，必須要求主板支持PCIE2.0，否則速度直接減半。如果是AMD的7系列主板，那就沒有任何問題，但如果是Intel主板的話，X58主板可以找2.0的接口插上，而P55及以下級別的主板就只有250MB/s的帶寬了。

● 移花接木——使用CPU提供的PCI-E通道

    這種方法如果論效果的話確實是解決了目前P55-PCH和Marvell 88SE9134的窘境，但也是需要有特定環境的。

    這種方法的原理是利用兩顆P13PCIE開關芯片把兩顆Marvell 88SE9134鏈接到Lynnfield處理器所提供的兩條PCI-E x8 2.0總線中的一條，這樣雖然有效的解決了帶寬問題，但前提是使用這款主板的用戶不能在使用SATA 6Gbps的同時使用NVIDIA的SLI或者AMD的CrossFire技術，因為這樣Lynnfield所能提供給顯卡的帶寬會變得不夠用……

● 過河搭橋——通過橋接芯片將南橋PCI-E轉換成2.0標準

    P55芯片組提供了8條PCI-E 1.1通道供附加芯片或擴展卡使用，多數情況下用戶只能用到其中的兩三條，多余的通道被閑置浪費掉了。其實如果把剩余的通道組合起來的話使用就能實現N倍的帶寬。

    華碩就使用了一顆PLX公司產的PEX8613橋接芯片來將P55的PCI-E通道組合起來使用。這顆芯片看上去比較眼熟，與ATI HD4870X2顯卡上用的PEX8647芯片比較相似。華碩所使用的PEX8613是低規格版，可以將4條PCI-E通道橋接成8條供兩個設備使用：

    PEX8613芯片同時支持PCI-E 1.1和2.0標準，如果掛接在P55上面的話，雖然PCI-E僅為1.1標準，但4條依然可以達到1GB/s的帶寬，剛好可以滿足兩個PCI-E 2.0 X1設備的需要——正好外掛一個USB3.0控制芯片和一個SATA3.0控制芯片。

    華碩的解決方案看似繁瑣，理論上性能沒有瓶頸，既不影響顯卡性能、又不限制SATA3.0和USB3.0的帶寬，還沒有浪費P55芯片組的PCI-E資源，更不影響南橋擴展槽(還剩4個通道)，缺點是增加了額外成本——PEX8613芯片。

● PCI-E 2.0帶寬提速的額外好處

    大家都知道，主板芯片組有通道數限制，不可能無限制增長。以X58為例，北橋提供了36條通道，而分給顯卡使用的是32條，南橋上雖然有6條pci-e 1x可供使用，但這些PCI-E是1.1版本，而且南北橋間的采用DMI連接，所以性能上損失較大。

X58獨立的PCI-E控制器提供了36條

    那么，在有限的通道數上，PCI-E如何能夠盡可能多地發揮帶寬的優勢呢？我們以對接口帶寬需求最旺盛的顯卡為例給大家講解：

    根據我們之前的測試測試，得出的結論是：老舊的PCI-E 1.1接口，16X實際上和PCI-E 2.0 8X接口的帶寬是相同的，理論上可以滿足顯卡的需求。而8X的接口大小相對16x來說是一半大小，這樣算下來的話，PCI-E2.0與PCI-E1.0所提供的帶寬一致的情況下，占用的帶寬PCI-E2.0僅是PCI-E1.0一半。這樣的，在有限的通道數限制下，PCI-E2.0節約通道數，并能插上更多的設備。

更多的插槽可以組建多GPU的超級計算機

    總結：PCI-E為高帶寬設備而生，從PCI到PCI-E 1X，133-250MB/s，帶寬增加了一倍，從AGP 8x到PCI-E X16，帶寬翻了四倍。而PCIE 2.0帶寬再次翻倍，且每通道通過的帶寬流量更大?！?