F79228dac22535838b4e087e21ae6b7b Intel 在推出 Haswell-E 旗艦平台後,主流平台也將在 2015 年更新至 Broadwell。將會升級 DMI 通道頻寬,完全改變整個儲存裝置架構的演變,這將會增加主機板設計的複雜度。對於主機板廠來說,如何合理分配通道將會是個難題,消費者則是更應仔細挑選適合自己的產品。

6 款產品同時大放異彩

在 100 系列晶片組產品線中,將會提供 6 款產品,分別為商用 Q170、Q150、B150,家用 H110、H170、Z170。分別對應目前的 H81、B85、H97、Z97 產品,看似差異不大,但其中暗藏深水,不可忽視規格差異。


▲Intel 100 系列晶片組將會有 6 種不同定位與規格產品。(圖片來源:VR-Zone

首先為最高階的 Z170,PCIe 3.0 通道數量提供高達 20 條,相較於以往晶片組至多 8 條的架構,是非常大幅度的革新。通道數量大幅度增加的主因,在於處理器與晶片組之間的溝通橋樑 DMI 通道,將從 PCIe 2.0 x4 升級為 PCIe 3.0 x4,頻寬會由雙向 4GB/s 翻番為雙向 8GB/s。

這可緩解目前所有平台中頻寬不足的困境,如目前的 Z97 晶片組,僅能提供至多 2 個高速儲存裝置,如標準 M.2 或者廠商所搭載的第三方 SATA Express 晶片。當前所面臨 PCIe 通道嚴重不足的問題,如先前編輯強調的各項裝置共享、共用頻寬等問題,在 Skylake 平台下可以獲得較寬裕的調用空間。

26 埠按晶片等級屏蔽,Flexible I/O 架構複雜化

前面提到 Intel 100 系列晶片組,將會有 6 種不同等級產品推出。而在規格最完整的 Z170、Q170 上,將會提供高達 26 埠的通道數量,完整涵蓋 USB 3.0、PCIe、SATA 等諸多介面。

編輯這邊就晶片組整體功能、限制,還有主機板設計等面向解析,提供讀者比圖表資訊更加完整的產品設計概要。在閱讀完後將會對於主機板設計上面有更進一步的了解,同時也能夠因此應用於主機板產品選購上。


▲晶片組通道定義架構(通道 1~14)。(圖片來源:VR-Zone

大部分的主機板在設計上,會考量使用者習慣、裝置頻寬、裝置實用性。進而排出優先順序實作,同時也會因通道數量不足的問題,將多項裝置採取共享頻寬的取捨設計。

首先是 USB 3.0,可以看到通道編號 1~10 都是歸類在 USB 3.0,不過 USB3#7~USB3#10 亦可以被定義為 PCIe 功能,也就是代表這 4 個埠可以調整成 PCIe 通道。而在通道 USB3#10,則是還具備 PHY 功能,可以用來搭配 Intel 乙太網路 PHY 晶片。

另外是 USB3#1 部分標示為 Dual Mode,這個意思為該埠除了提供 USB 3.0 功能之外,還支援 OTG 模式。至於 USB3#2、USB3#3,則是還能夠轉變為 SSIC(SuperSpeed USB Inter-Chip),主要特色為整合 M-PHY 實體層、USB 協議層,能夠提供低功耗、高傳輸特性,不過這個部分是應用於晶片對晶片。

通道編號 11~14 則是屬於 PCIe 通道,除了通道 11 還包含網路 PHY 功能之外,其餘都是非常普通的 PCIe 通道。也就是並不具備可重新定義該埠功能的特性,是為我們常說的晶片組原生 PCIe 通道,這再簡單、純粹不過。

▲晶片組通道定義架構(通道 15~26)。(圖片來源:VR-Zone

通道 15~26,則是這次的重頭戲,可以看到圖中非常複雜的定義關係,分別為 PCIe、SATA、PHY,還有 Intel RST 功能具備與否。通道 15、16 與 19、20,可以從 PCIe 通道藉由 Flexible I/O 重新被定義為 SATA 或者是 PHY 功能。但是這 4 個通道只能定義出 2 個 SATA,而沒有被定義成 SATA 功能的埠,則是會成為 PCIe 通道或者是 PHY 功能。

另外可以看到圖表底下的 x4、x2,為 2 條或者 4 條 PCIe 通道合併頻寬的結果,另外該通道受到Intel RST 支援,反觀前面通道 7~14 並未被包括在內。通道 7~14 不同之處在於,即使主機板廠商將通道定義為 PCIe 且安裝 PCIe SSD,仍然不會在 Intel RST 軟體中看到該裝置。

由此我們可以看到原生 PCIe 通道共有 8 條,這邊所指為純 PCIe 功能,且不具備任何共用關係。但我們可以發現斷續情況非常嚴重,這會造成頻寬無法有效合併的關鍵問題。

例如 PCIe#11,並沒有辦法與 PCIe#19 合併頻寬,成為一個 PCIe x2 通道。通道合併的前提為兩者為相鄰的關係,所以若要合併頻寬、受 RST 支援,且為純 PCIe 通道,那麼就只有 PCIe#19、PCIe#20 具備這些條件特性。

主機板設計面難題

從上面我們可以發現,Skylake 平台雖然提供了大量的 PCIe 通道,不過仍然只有 6 條獨立自主,其餘皆為 Flexible I/O 結構。

Flexible I/O 架構有利有弊,好處為主機板廠商能夠擁有更大的可變性,藉由功能定義彈性製造出各種符合需求的產品。壞處為因複雜的結構關係,不再是以往單純 PCIe 通道的結構,如何定義出合乎需求的功能,成為各家主機板廠目前需要學習的一個課題。

例如 SATA 埠,在 Z97 上必定具備 4 個埠,剩餘的 2 個則是可轉為 PCIe 使用。但在 100 系列上,全數 SATA 皆可轉為 PCIe,且因不連貫的問題,造成選擇上必須要做出取捨。若將通道 15、16 定義為 SATA 功能,則是會造成 x4 通道的減少,而不能滿足最多 3 個 x4 通道且受 RST 支援。

這造成一些盲點區域,如廠商想提供 6 個 SATA,勢必只能有 1 個 M.2 x4。另外同時在網路功能的提供上,也侷限在要犧牲 USB 3.0 通道,或者是取用為數不多的 PCIe 通道。

反過來說,雖然帳面上能夠提供最高 20 條 PCIe 3.0、6 個 SATA 6Gb/s、10 個 USB 3.0,甚至是 3 個 SATA Express、3 個 M.2 x2/x4。仔細推敲後可以發現,這些都是一連串的共用結構關係,真正獨立 USB 3.0 只有 4 個、而 PCIe 則為 8 條,但是並沒有任何獨立自主的 SATA 6Gb/s。 

廠商設計習慣解析

就廠商習慣上,大多數會選擇將網路晶片接在通道 10 上,原因在即使犧牲掉通道 10 的 USB 3.0 功能,仍然還有 4 個以上獨立 USB 3.0。甚至是可以只取通道 1~6 作為 USB 3.0,通道 7、8 調整為 PCIe,用以導入第三方 USB 3.1 晶片。

至於通道 9 做為 PCIe x1 插槽,通道 11~14 連接第三方晶片提供更多功能,或者與 PCIe x1 插槽共用,通道 15~18 合併頻寬為 1 個 PCIe x4 插槽,提供使用者高速儲存裝置介面。通道 19~22 則是提供標準 SATA 6Gb/s 另外具備 SATA Express 功能的雙模式多功能埠,最後通道 23~26 則是合併頻寬為 1 個 PCIe x4,用於提供 M.2 x4。

如此一來該主機板可以提供 6 個 USB 3.0、2 個 USB 3.1、標準 PCIe x1/x4 插槽、M.2 x4、SATA Express。因通道數量較以往晶片多,能夠以較少的共用切換結構設計主機板功能,在 Z97 上面常見的 ASMedia 製 1 轉 4、1 轉 7 晶片將不復見。

競爭問題造成混亂

上一段編輯所分析的廠商設計習慣,看似 100 系列晶片會較少使用到共用切換結構,或者是強硬的使用多裝置共享單一頻寬的設計。不過這點就是目前主機板廠商所面臨到的最大問題,且也是目前的盲點。

在低階主機板上,按照編輯所分析的去實作並沒有任何問題,大多足以滿足使用者需求。但在高階主機板設計上,因廠商間競爭激烈,勢必會將所有高速裝置、新晶片功能,盡可能的全數導入。如 Z97 上的華碩 Maximus VII Formula,或者是華擎 Z97 Extreme 6,這些都是功能豐富,但最終實作後出現通道數量嚴重不足的產品。

甚至我們可能還可以看到 4 個 SATA 埠與 2 個 SATA Express 共用通道,藉由切換晶片修改模式,這個現象目前也是 Z97 上面常見的方式,如 SATA 6Gb/s、M.2、SATA Express,三位一體的複雜設計。

這也是目前廠商最大的問題與盲點,即使 Intel 晶片組已經提供眾多原生功能,但因應消費者期待、與同行競爭,廠商必然會推出一些功能冗長,甚至是走火入魔的無裝置可用的誇張規格。如目前的 SATA Express 或者是 Ultra M.2,這些都是市面上根本無實體裝置,甚至是還在草案中的規範,就已經被主機板廠商導入設計實作中。既無法使用,還會影響到其他裝置的頻寬,可謂是全盤皆輸的局面。

▲華碩 Maximus VII Formula,非常標準的眾多功能主機板。

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