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CHIP新电脑:最新芯片技术与产品综述


http://www.sina.com.cn 2005年09月15日 16:50 CHIP《新电脑》

  一系列新技术新产品的涌入,让2005年的芯片市场变得热闹非凡。在CPU、内存、图形和音频等领域,几乎都有重大的技术创新出现,这意味着芯片市场新一轮的改朝换代即将开始。

  在几年之前,计算机领域的竞争远不如现在激烈,CPU领域Intel一枝独秀,NVIDIA称霸图形市场,创新收购傲锐之后在声卡市场毫无对手,由于占据垄断地位,相关领域的技术
进步迟缓,甚至出现了短暂的停顿。

  今天的情况显然与之不同,不仅各个领域都出现了此起彼伏的激烈竞争,许多厂商更是因共同利益形成错综复杂的合作关系。为了在竞争中赢得主动,各厂商都视技术为王牌,投入相当大的精力于新技术的研发。经过一段时间的积累,这些新技术新产品纷纷登场亮相。

  在CPU领域,双核处理器开始推向市场,而IBM为PS3、Xbox 360等新一代游戏主机定制的PowerPC处理器更是令业界震撼!在内存领域,DDR2的推广开始走上正轨,DDR2-667规格得到了业界的普遍支持,这意味着DDR2时代开始到来。另一方面,Rambus公司则拿出了速度高达8GHz的XDR2内存,再度巩固了其在高端内存领域的优势。图形领域,NVIDIA的RSX和GeForce 7800GTX、ATI为Xbox 360定制的Xenos GPU以及AGEIA公司发布的PPU都是今年上半年的焦点!

  在音频领域,HD Audio的推行令普通PC用户也可获得出色的音频体验,而创新公司刚刚推出的X-Fi音频架构和X-Fi系列声卡,更是重新定义了高阶音频理念……这些新技术、新产品在深刻影响着各自领域市场格局的同时,也将为这些领域的未来发展打下坚实的基础。

  CPU:双核处理器上市,PowerPC修成正果

  双核处理器可以说是2005年CPU领域最大的亮点。今年5月,Intel发布双核架构的Pentium D和Pentium XE,两者都采用两个Prescott内核和1MB×2二级缓存方案,在多任务应用中的效能提升极其明显。不过,Pentium D谈不上是一套完美的双核架构,Intel只是将两个完全独立的CPU核心做在同一枚芯片上,通过同一条前端总线与芯片组相连。两个核心缺乏必要的协同和资源共享能力,而且还必须频繁地对二级缓存作同步化刷新动作,以避免两个核心的工作步调出问题。从这个意义上说,Pentium D带来的进步并没有人们预想得那么大!更糟糕的是,由于目前的大型3D游戏几乎都无法支持双核平台,导致Pentium D/XE的游戏效能很不理想,只能与同频率的单核心产品相当,估计这一点让玩家们饱受打击!

  几乎在Intel推出Pentium D/XE的同时,AMD也推出了双核架构的Athlon 64 X2处理器。与Intel不同的是,AMD早在设计K8架构时就考虑到了集成双核的可能性,而且为了构建多处理器的弹性互联架构,为K8核心增加了一个专门与其他CPU通信的任务指派单元,所以在AMD的多路Opteron系统中,我们可以看到Opteron之间具有高度协同特性,优势颇为明显!这样,当AMD要开发双核产品时就显得比较顺利。尽管Athlon 64 X2也是采用512KB/1MB×2的独占式缓存设计,但两枚CPU核心可实现任务的实时共享,双核心的架构优势也得以充分体现。可是非常遗憾,Athlon 64 X2遇到了与Pentium D/XE相同的难题——目前的游戏软件无法支持,游戏性能表现不佳,只是在多任务环境下,用户才可以感受到它的优点所在。从这一点来看,第一代双核X86处理器并不是很成功。

  游戏机处理器是2005年CPU领域的又一个热点。IBM为索尼PS3定制的Cell芯片发布,同时为微软Xbox 360游戏机定制的三核心PowerPC处理器也正式亮相。前者采用1个主CPU+8个协处理器的创新架构,由协处理器实施高效率的浮点运算,芯片的工作频率也高达4.6GHz,Cell最终拥有高达256Gflops的超强浮点性能,几乎可媲美一部超级计算机!而X86处理器远远无法与之相比——Intel的Xeon 3.06GHz处理器只能达到6.12Gflops的浮点性能,这个数字仅仅是Cell的四十分之一!

  虽然Xbox 360配备的三核心PowrePC处理器与Cell相比还存在不小的差距,但它也是极为抢眼。简单点说,可以将它看做是Power 5处理器的三核心版本。Power 5是IBM超级计算机的主力芯片,无论基础架构还是实际性能都明显优于臃肿的X86芯片。微软显然不希望Xbox 360的处理器比Cell逊色一大截,在不能共享Cell设计的前提下,Power 5架构便成为最好的选择。事实上,IBM也没有令微软失望,它对Power 5核心进行了大量改进,并增加了一个处理核心,这样Xbox 360便拥有了一款独一无二的三核心处理器,而它的浮点运算性能高达115.2Gflops。这个指标虽然只有Cell的二分之一,但也是同一个量级的对手,更何况Cell在软件支持方面远不如Power 5架构来得成熟。

  不管是PS3还是Xbox 360,它们的售价都会比一部高端PC机低廉许多,而在游戏性能上相信没有哪一部PC机可与这二者匹敌。对苛求临场效果的游戏玩家来说,这两款游戏机都具有不可抗拒的吸引力,而最大的赢家也许是IBM公司——任天堂下一代游戏机“Revolution”的CPU也是由IBM定制的。不管用户购买的是PS3、Xbox 360还是Revolution主机,所使用的都是IBM提供的PowerPC硬件平台。换句话说,PowerPC将从此成为游戏机领域的新标准!既然指令系统相同,三大游戏主机要实现游戏的相互兼容并不是太难做到,虽然索尼、微软和任天堂肯定都不愿意这么做,但对IBM来说,这将是一个重新夺回处理器主导权的最佳时机,PowerPC有望成长为与X86分庭抗礼的另一极。

  内存:DDR2-667时代开始,XDR2跨越8GHz巅峰

  早在去年6月份,Intel推出915/925x系列芯片组之时,就走上了DDR2内存的推广之旅。但是,由于延迟较高,DDR2-533的实际效能反而不如成熟的DDR400内存,而前者的价格比后者高出数倍!在这种情况下,DDR2的意义仅在于新技术宣传,自然别指望能有多少消费者会买账,OEM厂商对此也是抱怨频频。

  进入2005年后,情况慢慢有了改观。新一代芯片组的出现,有望成为DDR2的救世主:Intel推出的945/955x平台选择DDR2-667作为标配,NVIDIA也推出了支持DDR2-667内存的nForce4 SLI Intel Edition,其他芯片组厂商也是努力跟进。就连铁板一块的AMD也都决定下一代Athlon 64/Opteron处理器将整合DDR2-667内存控制器,这标志着DDR2-667将取代现有的DDR2-533成为新的标准。虽然DDR2-667仍存在延迟时间长的不足,但在工作频率上有不小的优势,DDR2-667系统的实际效能将明显超越DDR体系。加上内存厂商扩大DDR2芯片的产能,预计在未来一年内DDR2内存的价格将会持续下滑,DDR2成为主流指日可待。

  而在DDR2努力成为主流的同时,Rambus公司也在致力于提升自己的内存技术。其第一代XDR内存最高可实现6.4GHz和8通道设计,带宽超越100GB/s。由于性能惊人,为索尼和IBM选中用于PS3游戏机中,而IBM未来基于Cell芯片的计算机产品也将选择高性能的XDR内存。尽管成绩斐然,XDR也没有遇到竞争对手,但Rambus仍在提升XDR内存技术。2005年7月,Rambus发布了XDR2技术,它在第一代的基础上作了进一步的结构改良,令芯片最高速率达到8GHz的超高水准,单条XDR2模组(16bit结构)便具有16GB/s带宽,若采用8通道设计将实现128GB/s的惊人带宽!相信在未来很长的时间内,XDR在绝对性能上都不会有竞争对手。Rambus将XDR定位于游戏机、HDTV、核心路由器、显卡显存等需要高速内存的领域,三星和东芝公司都已经量产XDR内存,在这些领域Rambus将大有可为。

  图形:统一渲染架构解密,PPU物理处理器亮相

  在上半年,图形市场迎来一连串近乎革命性的重大事件:5月,NVIDIA为索尼PS3开发的RSX GPU亮相。随后,NVIDIA推出了GeForce 7800GTX显卡,以24条像素渲染管线的超级配置一举成为娱乐显卡之王。在RSX露面的同时,ATI为微软Xbox 360开发的Xenos图形处理器也对外公布,而微软制定的统一渲染架构也随之解密!

CHIP新电脑:最新芯片技术与产品综述
  ATI Xenos与微软统一渲染架构

  在游戏机领域,ATI的成绩并不逊于NVIDIA,它为Xbox 360定制的Xenos图形处理器被认为是一款革命性的产品,原因就在于它没有继续采用“顶点渲染+像素渲染”的传统结构,而是根据微软的要求采用全新的“统一渲染架构”。这两种架构的差异在于:前者的顶点渲染工作和像素渲染工作必须由专门的硬件单元完成,这也就是我们在GPU逻辑图中常见的“顶点着色器”(Vertex Shaders)和“像素着色器”(Pixel Shaders)的概念。微软认为此种架构存在灵活度不佳的弊端,即顶点着色器与像素着色器的运算资源无法共享,在很多时候会导致硬件的利用效率不佳。为此,微软对DirectX API进行了根本性的改革,并将它更名为WGF。WGF 1.0在DirectX 9.0c基础上进行了适应性改良,使之可满足Longhorn系统3D操作环境的需要。而WGF 2.0则采用统一渲染架构(Unified Memory Architecture,简称UMA),将顶点渲染和像素渲染操作都交由通用的运算单元负责。微软计划在2007年开始在PC中启用该架构,不过自家的Xbox 360游戏机领先了一步。

  ATI专门设计的Xenos便是这样一款采用UMA架构的图形处理器,它拥有高达48条的统一渲染管线。Xenos另一个亮点在于它采用独特的双内核结构,主内核负责处理大多数图形运算(统一渲染架构所指的便是主内核),它采用台积电的90纳米工艺制造,芯片拥有2.56亿个晶体管,频率为500MHz。子内核则用于处理所有采样运算,包括色彩读写、混合,多重采样,Z轴运算等等,它同时包含10MB容量的嵌入式eDRAM。子内核由NEC提供,晶体管规模估计在1亿个左右,工作频率也是500MHz。

  由这些特征可以看出,ATI Xenos与NVIDIA RSX/GeForce 7800GTX是两个截然不同的体系,尽管NVIDIA一直对微软的统一渲染架构不满,认为渲染单元的分离设计更加科学,但它未来将不得不屈从微软的影响力,至少针对PC的GPU产品必须如此。但在游戏机领域,NVIDIA和索尼仍将坚持自己的设计思想,毕竟这关系到游戏兼容的大问题。

  AGEIA PPU物理处理器

  2005年3月,AGEIA公司在GDC2005游戏开发者大会上推出了划时代的PPU物理处理器(physics processing units),被称为本年度图形领域的重大技术创新。谈到PPU的概念,首先要了解GPU的来龙去脉。在3D技术发展早期,图形芯片只能完成常规的渲染操作,而关键的建模和光照运算必须以软件模拟的方式由CPU来完成,而NVIDIA在1999年8月推出的一款具有革命意义的GeForce256芯片,它具有硬件T&L引擎,可独自完成建模和光照运算,大大降低了CPU的负担,显卡的3D效能也获得了突飞猛进的提升!为此,NVIDIA创立了“GPU”的理念,ATI也很快跟进。不过,尽管GPU的出现让CPU负担减轻,但CPU仍需负责图形相关的物理运算工作,但由于CPU的通用性质,这些任务并非其特长。例如,在模拟石头从山坡滚下,并相互碰撞、反弹、急冲的场景时,Pentium D/XE和Athlon 64 X2等双核处理器可处理的石头数量只有800~1000块,受此制约,游戏开发商很难在游戏中实现宏大的场景。

  而在AGEIA发布PPU物理处理器之后,这些问题迎刃而解。PPU专门负责图形相关的物理运算,由于它的专属性质,运行效能远高于通用型的CPU产品。在发布会上,AGEIA官方表示,在模拟石头滚落的场景时,PPU目前可处理4200块,若对驱动程序加以改进,将这个数字提高到32000块不是什么难事,这意味着可以在计算机屏幕上模拟万石齐发的宏伟场景!

  在硬件规格上,PPU也颇为强悍,它拥有1.25亿个晶体管,复杂度超过现有的CPU。该芯片也是由台积电负责生产,但只是采用成熟的0.13微米工艺,芯片核心面积达到182平方毫米,功耗只有20W。PPU发布之后引起业界的强烈反响,十几家游戏公司明确表态将在游戏中支持PPU技术,其中包括Epic和育碧(Ubisoft)两家顶级的游戏开发商。硬件方面,作为板卡界巨头的华硕决定率先与AGEIA合作生产PCI接口的PPU扩展卡。当然,未来将转入PCI Express体系,由此形成“GPU-PPU-CPU”的三角协作关系。

  音频:HD Audio技术实用化,创新发布X-Fi音频架构

  HD Audio的实用化是2005年音频技术领域的主要事件。作为AC97标准的取代者,HD Audio致力于提升整合音频的音效体现,其采样精度高达24bit/192KHz,并可硬件支持Dolby Headphone、Dolby Virtual Speaker、Dolby Pro Logic II/IIx和Dolby Digital Live等一系列杜比音效技术,同时还对信噪比进行了明确的规定。在HD Audio标准公布后,芯片组厂商和CODEC开发商态度十分积极,继Intel的915/925x系列芯片组之后,NVIDIA的nForce4系列,VIA的VT8251南桥,SiS的966型南桥,ULI的M1573/M1575南桥,以及ATI的SB450南桥都可支持HD Audio规格,而Realtek瑞昱则及时推出数款符合HD Audio标准的CODEC芯片……但也许是考虑到成本问题,多数主板厂商都没有将第一代产品送交杜比实验室进行HD Audio认证。幸运的是,此种情况在近期有所改变,华硕、微星、技嘉、升技等厂商出品的旗舰级955x主板均通过了Dolby Master Studio认证,相信随着时间的推移,通过杜比认证的主板和整机产品会越来越多,HD Audio的应用会真正走上正轨。

  另一方面,整合声卡的盛行让独立声卡市场不断萎缩,这使得在独立声卡市场占主导地位的创新公司成为最大的受害者。在时隔4年之后,创新终于推出了新一代X-Fi音频架构及X-Fi音频处理器(X-Fi为Xtreme Fidelity缩写,终极保真之意),创新希望它能够让用户恢复对独立声卡的信心。为此,X-Fi架构近乎被重新构建,它与前几代高端声卡存在许多根本性的差异,如X-Fi音频处理器拥有超过5000万个晶体管,拥有多个处理引擎,运算能力达到10340MIPS,相当于上一代EMU10K2音频芯片的24倍!

  显然,大幅度提升的运算效能让X-Fi能够处理更多的声音特效,并有能力为特定应用灵活分配资源,CPU的负担也得到大幅度降低——在创新公布的早期测试中,X-Fi技术能够将大型3D游戏的帧速提高17%之多,效果堪与升级显卡相媲美。另外,X-Fi架构一个重大创新之处在于,它很好地解决了采样频率转换的难题,而且为MP3音乐、游戏、电影以及音乐创作专门优化,只要消费者将CD和MP3音乐升级到Xtreme Fidelity标准,这些音乐在压缩过程中的损失便能够得到最大程度的修复,用户由此可体验到媲美原始CD拷贝的卓越回放效果,相信这对于音乐爱好者来说会有很强的诱惑力。

  为了满足多个领域的需求,创新一共推出了Sound Blaster X-Fi Elite Pro、Sound Blaster X-Fi Fatality FPS、Sound Blaster X-Fi Platinum和Sound Blaster X-Fi XtremeMusic等四个版本的X-Fi声卡,分别针对专业、游戏、数字娱乐和音乐体验等应用,信噪比指标均相当高!除了希望恢复独立声卡辉煌之外,创新更是希望X-Fi技术能够增强其在数字音频市场的竞争力,其中一个重点就是MP3播放机市场。创新表示,将把X-Fi音频处理器引入到MP3播放机领域,届时创新的MP3产品将拥有超越苹果iPod的超凡音质。由此可见,创新对X-Fi寄予了厚望。

  总之,一系列新技术新产品的涌入,让2005年的芯片市场变得热闹非凡。在CPU、内存、图形和音频等领域,几乎都有重大的技术创新出现,这意味着芯片市场新一轮的改朝换代即将开始。

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