科技典故
 
 
從單一控制到整合應用──淺論晶片組的發展歷程
高度整合的晶片組不過是這幾年才發生的事,如果說CPU是電腦的腦部,Chipsets就可算是電腦的心臟了。
晶片組(Chipsets)是由一組或多組以上的IC晶片架構而成,它是所有資料傳輸的樞紐,掌握著CPU、Memory與周邊設備之間的聯繫,亦即所有電腦中央處理及輸出入單元,都必須透過晶片組相互溝通協調。高度整合的晶片組不過是這幾年才發生的事,以前的主機板上佈滿了各式各樣負責不同功能的單功能晶片,常增加主機板面積空間,複雜的設計也使成本居高不下。後來由於IC晶片設計製程技術的進步,可把多顆單功能晶片架構於數顆濃縮晶片中,因此高度整合的Chipsets便誕生在世人面前,原本主機板的功能逐漸被取代。所以,當前IC研發的重心單晶片系統SoC(System on a Chip),亦較Chipsets省電許多,因SoC多具備集中、一致且完整的省電管控機制,在一整個晶片內傳輸資料,比晶片間傳遞更能省電。 簡言之,如果說CPU是電腦的腦部,Chipsets就可算是電腦的心臟了。大略而言,Chipsets可分成控制系統及其功能的晶片組、以及為應用需求所設計的晶片組這兩大類。 (一)控制系統之晶片組亦稱為系統晶片組,通常焊接在主機板上,由兩個晶片組所組成,靠近微處理器(MPU)的晶片組稱為北橋晶片(North Bridge),掌控Memory等功能運作;而位於PCI、AGP等插槽匯流排(Bus)附近的晶片組稱為南橋晶片(South Bridge),掌控主機板的輸出入訊號。此兩顆晶片組各自負責不同的工作,並利用主機板上的Bus作為訊號流通的媒介。 (二)此類具應用功能的晶片組包羅萬象,可包含在數據機、音效卡、顯示卡、網路卡等之內。這類晶片組甚至包含了電源管理、IDE控制晶片、鍵盤控制晶片(KBC,Keyboard Controller)、時鐘晶片(RTC,Real Time Clock)等等功能。以音效卡的晶片組為例,即是用來控制聲音訊號的輸出入,如此使用者才得以聽到音樂光碟的聲音;網路卡上的Boot PROM(Boot Programmable Read-Only Memory),也是一種用來讓PC從網路上載入其作業系統的晶片組。 倘若就系統晶片組來說,「上承旨意」的北橋包含以下幾個部份: (1)CPU介面:晶片組把CPU訊號轉換成其Bus訊號,若是CPU要存取Memory資料時,晶片組就必須把CPU訊號轉成Memory可存取的訊號; (2)記憶體控制器:因此晶片組亦負責控制Memory複雜的控制線路,並轉譯訊息讓Memory讀取; (3)PCI與AGP介面:晶片組控制存取PCI 與AGP Bus的訊息; (4)L2 Cache介面:控制讀取L2 Cache的訊息、並保持和L1 Cache資料的一致性。 那麼「下達命令」的南橋則包含ISA介面(把PCI的訊號轉成ISA的訊號)、X Bus介面(控制存取BIOS、RTC的訊息)、IDE介面(控制存取HD與CD-ROM)、USB控制器等等功能。 Chipsets的發展從1994年全球的10家公司,到1997年便縮減為4家公司,市場上常見的系統晶片組有Intel、VIA(威盛)、SIS(矽統)、ALI(揚智)等。其中Intel公司主流產品有440BX、i820、i815/815E;VIA有VIA、Apoll-Pro133/133A、KT-133等;SIS主要是SIS;ALI共有ALI、Aladdin-TNT2。其中除了Inteli820、i815/815E以外,所有的Chipsets都是由北橋南橋構成,Intel則由三塊晶片構成:分別是MCH (memory-controller hub,功能類似北橋)、ICH(I/O-controller hub,功能類似南橋)、FWH(Fireware-hub,功能類似BIOS)。由於此晶片組使用專門總線(一般稱為AHA;加速集線器結構;Acclerated-hub Architecture)連接主機板,並非如原來使用PCI總線傳輸資料,因此能滿足聯繫多種周邊設備時所需更高的效能。 此外在應用平台層面上,Chipsets多以Intel及AMD(超微)為主,後者雖以K7 MPU為基礎架構出Chipsets,但PC MPU市場幾乎為Intel壟斷,市佔率居高不下,因此應用平台的Chipsets市場主要還是被Intel獨佔;再者工程樣本專利權亦掌握在Intel手上,因此除了VIA能短暫與其拚搏外,SIS與ALI幾乎受到Intel的全面牽制。例如先前Intel的Chipsets產品有搭配DDR Memory的845D、整合型的845G系列,還有搭配Rambus的850E以及低價Chipsets 845GL。在2003年3月Intel推出為應用平台設計的Centrino,使其他業者廠商在新一代NB用PC Chipsets上吃足苦頭。日前Intel再推出全新875P系列主機板Chipsets,可支援Pentium 4新一代FSB800MHz,並且具備雙通道DDR 400 Memory、8 USB2.0 ports、AGP 8X、強化MCH執行效率及超執行緒技術(Hyper Threading Technology)等功能,加速其在Chipsets的獨霸地位。 至於在多元應用的晶片組研發,主要是以無限區域網路(WLAN)、手機射頻、繪圖晶片以及數位家庭整合ADSL等方面為主。 1999年時由於WLAN市場不受重視,因此上游晶片市場由Lucent與Intersil兩家寡佔,毛利高達50%。後來情勢丕變,如Radiata、Atheros等等晶片廠商開始投入,造就WLAN晶片組市場蓬勃發展。其中,Agere是從Lucent獨立出來的子公司,市佔率僅次Intersil為全球第二。Agere的晶片RF Chips是購自Philips,其餘Baseband、MAC晶片則是自製,目前主要產品為IEEE 802.11b的Chipsets,多供應Toshiba、Compaq、Apple、Dell、NEC、IBM等系統製造商,台灣環隆電氣是其主要代工廠商。Intersil為市佔率最高的Chipsets製造商,2000年市面上普遍的晶片為Intersil的PrismⅡ.Ⅴ,2001年5月Intersil宣佈新一代的PrismⅢ。 此外,成立於1998年5月的Atheros,是由Stanford與3Com的RF與訊號處理專家所組成,一開始將目標放在GHz的WLAN Chipsets市場,率先量產並主宰全球第一款IEEE 802.11a Chipsets。Atheros日前推出4種Chipsets,有Combo 802.11a/b/g 的AR5001X,以及IEEE 802.11a的AR5000、AR5001A,還有專為橋接器推出的AR5001AP,於2002下半年開始量產。另外以色列的Envara晶片設計公司於2001年7月底,在日本推出一組名叫WiND、5GHz的Chipsets,並在2002年 4Q量產,特點在於利用dual-band RF 的方式,將802.11b與802.11a兩顆CMOS晶片,其中一顆做MAC與baseband、另一顆則做dual-band RF,同架構在一個Chipset上,成為一組Dual-Mode的晶片組,可省15%-20%的電力。上述Atheros及Envara兩家WLAN晶片廠商,亦在最近推出全CMOS製程的多模WLAN(.11b/g/a)手機射頻Chipsets。另者Broadcom在LAN與寬頻IC的領域經營有成,2002年1月推出首款IEEE 802.11b Chipsets;2004年7月中又推出僅由三顆CMOS製程製作成802.11a/b Dual-Band解決方案的Chipsets。 越來越多的娛樂功能與整合需要,包括強化數位影像處理、線上遊戲與數位家電等等,使得繪圖晶片組的研發更加如火如荼。1999年開始,整合型繪圖晶片組(Integrated Graphic Chipsets;IGC)便成為應用晶片組炙手可熱的焦點之一,它有別於一般繪圖晶片、均以繪圖卡上Memory作為儲存運算資料的運作方式,IGC是記憶體共享架構(Share Memory Architecture;SMA),主要是透過與整個PC系統共享主記憶體空間來運作,以nVIDIA的nForce系列為尖兵。另外,攸關數位家庭整合品質的ADSL,其方向亦朝向單晶片與多種相容標準發展,Orckit與Fujitsu所合作推出的KeyWave,將類比與數位統整合成單一晶片;在多種相容標準的方案Lucent於200年發表WildWire,使用單一晶片可同時支援V.90、DSL Lite以及Full Rate三種標準。 Intel Pentium 4已能滿足作業系統及應用軟體對硬體效能的需求,且工作時脈已不再是評估CPU效能的唯一指標,對於FSB(CPU 之外部頻率、即是微處理器到北橋晶片間的傳輸速度)的更新速度將會趨緩;況且Memory規格已升級Dual DDR 400,北橋晶片因應傳輸效能平衡、進行產品升級的必要性便大幅降低。另一方面,隨著PCI Express即將成功取代AGP Bus以及南北橋,後者之間的介面規格變動性亦大幅降低。綜合上述因素長期來看,CPU、南北橋及繪圖晶片之間進行整合的條件益發成熟,從Chipsets到SoC的距離亦將更形縮短。