英特尔主流服务器芯片组技术对比分析

作者：中关村在线 张桂林
第1页：服务器主板技术概述

一、服务器主板技术概述
    
　　主板在英文中可以被称作“Motherboard”，可以翻译为“母板”，从字面上就可以看出主板在微机、服务器系统中的重要性。主板是整个微机、服务器系统的载体，承载着CPU、内存、扩展卡的安装和协调，主板的性能决定着整个系统的性能，同时，主板的稳定性也决定着整个系统的稳定性。主板芯片组可以称作主板的“调度中心”，决定着主板的整体性能。

　　在面向高端应用的服务器领域，服务器主板的作用显得尤为重要。服务器相对于普通的微机系统需要多路处理器支持、需要支持更高容量的内存、需要支持更为快速的磁盘和更大带宽的网络接口，更为重要的是服务器主板需要更高的稳定性。而主板芯片组在这些规格特性中扮演了最为重要的角色，本文即将探讨的就是在服务器领域应用最为广泛的英特尔服务器芯片组技术。

　　和PC一样，服务器主板芯片组一般由北桥芯片和南桥芯片组成。英特尔的北桥芯片被称为Chipset Memory Controller Hub (MCH)，主板的北桥芯片组决定主板可以支持的CPU种类、前端总线频率、内存规格和容量等等，并且北桥芯片是处理器和高速设备的联系纽带，包括内存、高速PCI Express等设备的总线就是构架于北桥之上。目前应用于服务器主板的主流英特尔北桥芯片有面向入门级应用的Intel 3000/3010，面向主流应用的Intel 5000P/5000V，面向高端应用的Intel 7300，以及最新的支持英特尔45nm至强处理器的Intel 3200/3210，Intel 5400等。

　　而主板南桥芯片组决定着支持的扩展插槽和扩展接口的种类和数量，并且负责完成相对低速的系统设备的连接，如USB2.0接口、SATA接口、PCI-E x4、PCI-x、低速的PCI等等，同时，南桥芯片集成电源管理功能，也可以集成音频芯片如AC’97，节省系统成本。目前主流应用的英特尔南桥芯片有ICH7/ICH7R、Intel 631xESB/632xESB等等。
 
　　北桥芯片和南桥芯片之间为了实现大量数据的传输，是通过高速的总线进行连接的。在PC主板应用上，南北桥芯片之间的连接技术有Intel的Hub Link技术、Intel的DMI总线技术、VIA的V-Link技术、SIS的Multi-Threaded“妙渠”技术等。而在服务器主板应用上，南北桥之前需要更高速的总线进行连接，在入门级的Intel 3000/3010和Intel 3200/3210芯片组上采用取代了Hub link技术的DMI总线技术；而在高端的Intel 5000P/V、Intel 7300和Intel 5400芯片组上则采用ESI（Enterprise South Bridge Interface）总线技术，并且采用PCI-Express总线进行辅助通讯，来保证大量数据传输的畅通。

第2页：面向入门应用的Intel 3000/3010芯片组

二、服务器主板芯片组解析

　　介绍完服务器主板的一些相关技术之后，下面来对目前主流应用的英特尔服务器主板芯片组来做对比和解析。由于支持英特尔65nm工艺至强处理器的芯片组如Intel 3000/3010、Intel 5000P/V、Intel 7300等芯片组上市已久，相关的技术文章很多，在这里就只作简单对比分析，不再详细介绍。而英特尔在去年年底发布45nm新四核至强处理器之后，为了充分发挥新四核至强处理器的性能，英特尔发布了支持45nm至强的Intel 5400芯片组和Intel 3200/3210芯片组，在下文中将对这最新的芯片组做详细介绍。

　　1、 面向入门应用的Intel 3000/3010芯片组

    英特尔3000/3010芯片组专门设计用于入门级单处理器服务器平台，支持LGA775封装的双核英特尔至强3000系列、英特尔奔腾4处理器600系列、英特尔奔腾D处理器800系列和900系列以及英特尔赛扬D处理器。

    首先来看一下Intel 3000芯片组构架图：

　　从芯片组构架图可以清楚地看出Intel 3000芯片组支持单颗处理器，MCH支持533/667/1066MHz单条前端总线。支持双通道ECC DDR2 533/667内存，内存带宽为10.6GB/s。每条内存通道可以支持2个内存插槽，DIMM数量最大支持4个，最大内存容量支持8GB。

　　南桥采用ICH7，支持两个千兆以太网控制器，支持4组SATA接口和8个USB2.0接口。ICH7支持SATA 3G以及AHCI规格，提供RAID 0、1、5及10模式支持。ICH7内建4个PCI Express x1总线，可以组建为1个PCI Express x4接口。南北桥之前通过DMI总线进行连接，这和桌面级主板是相同的，DMI总线提供2GB/s的带宽。

　　再来看一下Intel 3010芯片组构架图：

　　对比两张构架图可以清楚地看出，英特尔3000 MCH同英特尔3010 MCH功能基本是相同的，最大的区别就在于英特尔3000 MCH支持一个PCI Express x8端口，而英特尔3010 MCH可以支持两个PCI Express x8端口或一个PCI Express x16端口。

第3页：面向主流应用的Intel 5000P/V芯片组

2、 面向主流应用的Intel 5000P/V芯片组

　　Intel 5000P/V芯片组是设计用于主流应用的双路处理器平台，支持LGA封装的65nm工艺的英特尔双核至强5000/5100处理器和英特尔四核至强5300处理器，也可以支持最新的45nm四核至强5400系列处理器。

　　首先来看一下Intel 5000P芯片组的构架图：

　　从芯片组构架图可以看到Intel 5000P MCH支持双路处理器，通过点对点的双独立系统总线（DIP）支持两颗处理器，两条前端总线频率分别为1066/1333MTS。Intel 5000系列芯片组开始支持FB-DIMM，全缓冲内存（FB-DIMM）， FB-DIMM是Intel开发的一种内存模组技术，并不是一种新的内存芯片技术，但这一技术改变了内存子系统的体系架构。该系统架构如下图所示，类似于PCI Express的信号总线是与传统DIMM的最大不同。

    全缓冲内存技术从DDR2、DDR3技术上发展起来，FB-DIMM与内存控制器之间的数据与命令传输不再是传统的并行线路，而采用了类似于PCI-Express的串行接口多路并联的设计，以串行的方式进行数据传输。相对于普通内存，全缓冲内存模组可以提供更高的内存带宽和更大的内存容量。

　　从Intel 5000P的芯片组构架图可以看到，MCH支持四通道内存技术，支持DDR2-533/667内存规格，每个内存通道数据带宽可以达到5.3GB/s，那么四个通道总的内存带宽可以达到21GB/s。可以满足1333MHz前端总线处理器21GB/s的数据带宽，所以从这里看出Intel 5000P MCH在设计时为支持45nm至强处理器1333MHz前端总线留足了余量。每个内存通道可以支持4个双列DIMM，总共可以支持16个DIMM插槽，内存总量可以达到64GB。

　　再来看一下Intel 5000V的芯片组构架图：

　　从构架图对比可以看出两个芯片组的区别是Intel 5000V MCH则仅支持2个FB-DIMM内存通道，每个通道最高可支持4 DIMMs，总共可支持8 DIMM，最高内存容量可达16 GB。 5000P MCH支持3个x8 PCI-Express通道，每通道可以进一步配置为2个x4通道，其中1个x8通道（或者配置为2个x4通道）用于同南桥芯片ESB2通讯。5000V MCH则仅提供1个x8（或者配置为2个x4通道）用于同南桥芯片ESB2通讯。

　　南桥芯片均采用了Intel 631xESB/632xESB，支持6组SATA接口，8个USB2.0接口，内建两个PCI-E x4总线，和一个PCI-x 133总线。并且均支持双千兆以太网控制器。

第4页：面向高端的支持多路处理器的Intel 7300芯片组
    3、 面向高端的支持多路处理器的Intel 7300芯片组

　　Intel 7300芯片组是面向高端应用的多路处理器平台，支持英特尔四核至强7300和双核至强7200处理器。

　　首先来看构架图：

　　从构架图可以看出，Intel 7300 MCH通过4条独立的1066MTS前端总线点对点的支持四路处理器。支持四路全缓冲内存通道，每通道支持8个双列DIMM插槽，每条内存通道数据带宽可达8GB/s，总体内存带宽可达32GB。如果使用8GB FB-DIMM（2Gbit x 4，stacked DRAM芯片），那么最高可提供256GB的系统内存。

　　Intel 7300 MCH支持7个PCI-E x4总线，可以组装为1个PCI-E x8接口，1个PCI-E x8辅助ESI总线和南桥ESB芯片进行通讯。南桥依旧采用Intel 631xESB/632xESB，在这里不做赘述。

第5页：支持45nm至强新四核处理器的Intel 5400芯片组

　　4、支持45nm至强新四核处理器的Intel 5400芯片组

　　Intel 5400芯片组既是服务器又是工作站的双用平台，最大的特点就是支持Intel刚刚发布的45nm处理器，并提供1600MHz前端总线，而且它所支持的内存容量和PCI-E都比前一代有所增强。特别适合服务器应用和高性能HPC计算应用等解决方案。

　　来看一下架构图：

　　Intel 5400芯片组，MCH提供双FSB处理器接口；四个全缓冲DIMM内存通道；9个x4 PCI Express总线，可以配置为x8或者x16接口；一个Enterprise South Bridge Interface（ESI）；6个系统管理的SM总线接口；此外芯片组在FSB中集成24MB嗅探筛选器，探听筛选器功能是消除被探听的处理器的前端总线上不必要的探听，消除被探听的总线上的探听可以将整个带宽提供给数据传输。有助于减少处理器的前端总线发生数据堵塞的情况，提高前端总线的效率。并发探听支持有效地减少了由于多探听延迟造成的性能衰减。探听筛选器储存着所有系统缓存线的标签和一致性状态信息，它用来决定带有地址的缓存线是否被缓存和缓存到哪里，一致性协议引擎（CE）访问探听筛选器来查看条目，升级添加条目或者废止探听筛选器中的条目。

　　Intel 5400芯片组主要面向于工作站和高性能计算（HPC）系统，支持Intel双核至强5100系列处理器、四核至强5300系列处理器、四核至强5400系列处理器和双核至强5200处理器。Intel 5400支持双路处理器，支持双独立点对点前端总线，前端总线可以运行在266MHz（1066MTS）、333MHz（1333MTS）或者400MHz（1600MTS）。两条前端总线的数据带宽是独立的，上行最高17GB/s或者21GB/s，下行8GB/s或者10GB/s。MCH支持38位寻址空间，最高支持128GB物理内存。
　　
　　MCH支持4个全缓冲内存通道，每个通道可以支持4个双列全缓冲DDR2 DIMM。因此，MCH可以最高支持16个DIMM，内存容量最大可以支持128GB。如果内存规格为DDR2-533，那么每个全缓冲内存通道可以达到4.25GB/s（533x64/8）的读取带宽，四个内存通道总的读取带宽可以达到17GB/s；由于FB-DIMM采用了非对称设计，上行信号线为14bit，其下行信号线为10bit，所以数据的写入带宽小于数据读取带宽，总的数据写入带宽为8.5GB/s。如果内存规格为DDR2-667，那么每个全缓冲内存通道可以达到5.325GB/s的数据读取带宽，四个内存通道的总数据读取带宽可以达到21.3GB/s；四个内存通道总数据写入带宽为10.7GB/s。

　　5400芯片组提供的PCI Express通道总数达到了40个。MCH提供了9个基于PCI-E 2.0规格的x4 PCI Express端口，可以组合为PCI Express x8或者PCI Express x16接口。 如果组合为PCI Express x16，数据传输速率可达5Gbps，可以作为显卡或者高性能计算应用。

　　上图所列出了8个基于PCI-E 2.0规格的x4 PCI Express端口，另外一个x4 PCI Express用于连接到北桥，扩大向631xESB/632xESB南桥传输数据的带宽。
 
　　Intel 631xESB/632xESB I/O Controller Hub集成了一个Ultra ATA 100控制器，6个SATA控制端口，1个EHCI控制器，4个UHCI控制器支持8个外部USB 2.0接口，1个LPC接口控制器和一个flash BIOS接口控制器。除此之外Intel 631xESB/632xESB I/O Controller Hub包含一个PCI接口控制器，Azalia / AC’97数字音频控制器，集成LAN控制器，一个ASF控制器和一个ESI（Enterprise South Bridge Interface）与MCH进行通讯。Intel 631xESB/632xESB I/O Controller Hub提供数据缓冲和接口仲裁，使得系统接口操作更为有效，并且提供所需的数据带宽使系统获得最优的性能。Intel 631xESB/632xESB I/O Controller Hub集成RAID功能提升SATA磁盘的性能。

Enterprise South Bridge Interface

　　Intel 631xESB/632xESB I/O Controller Hub的高级电源管理特性支持一直开着（Full-on），睡眠（Stop Grant），挂起到内存（Suspend to RAM），挂起到硬盘（Suspend to Disk）和软关机（Soft-Off power）功能。通过集成的LAN功能，Intel 631xESB/632xESB I/O Controller Hub可以支持报警标准格式ASF（Alert Standard Format）远程管理。ASF向当前计算机用户本地报警和向管理应用程序远程报警。如果感应器（如温度、电力、风扇以及机箱侵入感应器等）检测到一些主要环境事件，ASF 就会发出远程报警。 在没有操作系统的环境下，ASF 还担负了其它报警任务，包括密码无效、系统心跳和启动失败指示等。

　　从上面的介绍可以看出，在Intel 5400芯片组中并没有什么新的技术，它只是Intel 5000系列芯片组和下一代芯片组之间的过渡产品。

三、总结
　　
　　看到这里，想必网友们对目前面向主流应用的英特尔服务器主板芯片组有了一个粗略的认识，由于篇幅和笔者水平有限，不能介绍的非常详尽。如果大家需要了解目前主流服务器主板产品，请大家继续关注中关村在线服务器频道的后续文章。