2003秋季IDF特別報導-英特爾的系統規格發展進程

諸多嶄新規格打造全新風貌的個人電腦
記憶體規格從DDR走向DDR-2，以及FB-DIMM的出現
整合型晶片組的地位越趨重要

個人電腦歷經多年的歷史，為了相容性的考量，累積了不少規格上的包袱，不但造成效能上的瓶頸，嚴重限制了電腦的擴充性，更往往導致使用上的不便。但是，本屆IDF，英特爾所公布的眾多規格，將會取代眾多現有的老舊包袱，當然，也將會徹底改變現有個人電腦的風貌。最重要的，在過去一直被忽略的I/O系統，成為這一波改革風潮的核心。

隨著處理器的時脈越來越高，前置匯流排的頻寬越來越大，記憶體頻寬的需求也與日俱增，也因此，記憶體的架構也一直在改變。不過，現有的DDR SDRAM到了400MHz的資料傳輸時脈後，就已經碰到了持續成長的瓶頸。所以，正如同當年DDR SDRAM取代SDR SDRAM，DDR-2 SDRAM取代現有的DDR-SDRAM勢在必行。

根據英特爾的規畫，從2002年初的DDR266、2002年秋季的DDR333、2003年第二季的DDR400，預定2004年第二季的DDR2-400/533以及2005年第二季的DDR2-677，記憶體架構的更迭間隔約為一年一次。基本上，英特爾規畫的記憶體理論頻寬，都是配合新型處理器的前置匯流排理論頻寬而制定的，例如：當Prescott/Tejas走向1067MHz的前置匯流排時脈，就需要8GB/s的記憶體理論頻寬來支撐，這剛好就是64位元雙通道的DDR2-533記憶體所能達成的需求。以此類推，當轉型至DDR2-667，也就是走向1333MHz前置匯流排之時。從明年第二季開始，英特爾的晶片組將全面支援DDR2-400/533，而在2005年發表的Lakeport晶片組開始首度支援DDR2-667。

值得注意的是，因為DDR-SDRAM本身為2n prefetch，DRAM cell是以200MHz時脈運作，這也是英特爾所擬定的時脈上限。當DDR-2發展至DDR2-800後（4n prefetch，DRAM cell亦為200MHz），就會再度轉型至8n prefetch的DDR-3 SDRAM。回顧過去DDR-SDRAM從DRR-200（PC1600）開始起步，就不難發現這個200MHz的時脈區隔。

除此之外，運作時脈越高，對於實作可升級化的記憶體模組，困難度也會越高。尤其記憶體價格持續下滑，電腦上的主記憶體容量持續的成長，要驅動如此多的記憶體，就是一個不小的挑戰。對於安裝大量記憶體的伺服器及工作站，克服此挑戰，更是極為迫切的需求。

為此，英特爾推動FB-DIMM（Fully-Buffered DIMM）模組規格做為因應，使單一的記憶體通道，最多可以支援8組DIMM或288顆記憶體顆粒，為現有規格的4倍。如此一來，除了可以讓擁有大型記憶體需求的伺服器持續提升記憶體容量，也可以藉由較少的記憶體通道數目達成大容量記憶體的需求。另外，英特爾希望透過FB-DIMM的制定，降低未來從DDR-2轉型至DDR-3的時間及成本。

微軟未來的新世代作業系統Longhorn，在圖形化使用介面上最大的突破，莫過於從2D走向3D，這將要求一般使用者也必須擁有相當程度的3D繪圖效能。另外，個人電腦的低價化需求，也讓晶片組的設計走向高度的整合路線。所以，整合顯示繪圖功能的晶片組，在市場上的重要性與日俱增。甚至在未來，極有可能取代獨立顯示晶片成為市場的主流，這也就是眾多獨立顯示晶片廠商，開始重視整合型晶片組產品的主因。

英特爾明年發表的Grantsdale-G晶片組，內建的Extreme Graphic 3顯示繪圖核心，將會全面支援DirectX 9.0規格以及Shader 2.0。2005年的Lakeport-G，其內建的新型繪圖核心將有可能直接支援Shader 3.0。

英特爾希望先後透過其處理器及晶片組的市場優勢，逐漸提升顯示晶片市場影響力的企圖，早已不言可喻。透過處理器市場的佔有率優勢，以及晶片組與處理器發展的密切配合，也將同時對市場上其它晶片組及顯示晶片廠商帶來不小的壓力。PCI Express統一個人電腦的I/O規格
PC Card的後繼規格：Express Card

已在市場上歷經十年的PCI匯流排，至今已經疲態畢露，無論在頻寬以及擴充性上，均無法滿足今日及未來的需求。PCI Express（代號3GIO）的出現，將達成 I/O 系統的通用性和一致性，整合包含主機板晶片組南北橋之間的連結、顯示系統的需求、以及周邊裝置的應用，以簡化設計、提升擴充性、大幅降低系統整體成本。

更重要的是，英特爾並非僅將PCI Express限制於背板I/O應用，透過支援熱插拔的特性，亦可應用於外接式設備，甚至作為連接多臺主機及網路儲存設備的應用，大幅提升其泛用性。根據英特爾的計畫，從明年開始，支援PCI Express的產品就會大量出現在市場上，Grantsdale就將是第一個支援PCI Express的晶片組，而ATI亦在本屆IDF展示了使用PCI Express 16x的顯示卡。

不過，PCI Express並未相容於現有的PCI規格，且正面臨著PCI-X 2.0的強力挑戰，後者的主要訴求就是相容於既有PCI。所以，英特爾勢必設法提升PCI Express的附加價值，以加速推廣的進程。無獨有偶的，PCMCIA發表了Express Card，這也代表PCI Express亦將很快的應用於行動式運算平臺上。

現今的PC Card（PCMCIA）規格，其實已經擁有非常悠久的歷史，從1990年代初期以ISA為內部傳輸通道，當時僅有16MB/s的理論頻寬。後來，在1995年制定了以PCI為傳輸通道的32位元Card Bus規格，至今一直沒有被取代。但是，現有的PC Card規格，無論以頻寬和體積，均無法滿足今日的需要，對於筆記型電腦而言，取代PC Card的新規格，更是有著迫切的需求。

PCMCIA在本屆IDF正式發表代號New Card、用來取代PC Card的Express Card規格。Express Card最大的特色，就在於和PCI Express及USB 2.0的高度整合。有別於以PCI為基礎的Card Bus，如果系統已有PCI Express 1x或USB 2.0的支援，Express Card就毋需額外的控制器，可以直接將連接器整合至主機板上，而且僅需26隻接腳，遠少於Card Bus的68隻、以及額外需要200隻接腳的控制器，大幅降低製造成本。如果傳輸通道使用USB 2.0，理論頻寬既為480Mb/s（60MB/s），但換為PCI Express 1x，就將高達500MB/s之譜，遠邁現有的PCI匯流排。

Express Card分為寬度不同兩種類型，一種是寬度為34mm的ExpressCard/34，另一種是寬度為54mm的Express Card/54。兩者長度均為75mm，厚度均為5mm。插槽也分為兩種，Express Card/54的插槽，也可以使用ExpressCard/34。另外，由於Express Card的空間較PC Card為小，散熱面積約減少了三分之一，所以為了降低發熱量，主機端對Express Card/34和Express Card/54的供給電力限制在1.3W和2.1W。

英特爾未來的Sonoma行動運算平臺，其Alviso晶片組將會同時支援PCI Express及Express Card。Serial ATA走向第二代
「大水」沖走了系統的高熱

有別於2000年英特爾於春季IDF所公布的時程表，傳輸率6Gb/s的第三代Serial ATA規格發展因市場並無需求而被暫緩，規格改進的重心集中於提升Serial ATA的應用性，以及加速Parallel ATA至Serial ATA的轉移。

Serial ATA的實體層，從既有的Gen1i、Gen1m，新增了Gen2i、Gen1x及Gen2x三種規格，其中Gen代表世代，i代表內接，x代表外接，意味著Serial ATA開始從單純的短距離內接式應用，走向Box-to-Box的長距離外接式應用，大幅提升其泛用性。Gen1代表1.5Gb/s的傳輸率，Gen2則為3.0Gb/s，因8B/10B編碼之故，所以實際傳輸率分別為150MB/s及300MB/s。

此外，最重要的，不僅只頻寬上的提升，Serial ATA規格最大的改變，莫過於AHCI 0.95版本（Advanced Host Controller Interface）的制定，提供Serial ATA既有及新增功能的共通化的軟體程式介面，亦支援第一代的裝置。簡而言之，Serial ATA將擺脫與既有ATA介面相容所帶來的束縛，全力發揮眾多有別於舊有ATA規格的優越性及發展潛力。英特爾預定在明年上半年發表的桌上型晶片組Grantsdale將支援AHCI規格，Intel Storage Driver和Linux亦為明年上半年開始支援，但是微軟在2005年才會導入於新一代作業系統Longhorn之中。換言之，除了提升頻寬至300MB/s以外的諸多特色，新的Serial ATA普及和應用依然需要一段時間。

那麼 Serial ATA II及AHCI新增了哪些特色？首先，定義了各裝置的Native Command Queue、各周邊擁有獨立的命令緩衝區，再以其為基礎，導入非同步（Asynchronous Notification）運作模式，可以大幅提升傳輸上的效率。另外，由於傳統ATA規格的輪詢（Polling）機制被取消，熱插拔的裝置偵測更有效率。揚棄了傳統ATA的主從裝置架構（Master/Slave），省卻了Parallel/Serial ATA之間的通訊協定轉換動作，更可充分發揮Serial ATA點對點連接的效能優勢。因此，AHCI可以支援32個獨立的Serial ATA裝置，電源管理機制亦有強化。

以上述新增特色為發展基礎，Serial ATA II工作小組發表了三項新的規格標準，分別為Digital Extension 1.1、Port Multiplier 1.1和Port Selector 1.0。和SCSI的Tagged Command Queue的觀念類似，Digital Extension提供更有效的匯流排命令管理，提升多組裝置同時運作下的效率，並減少匯流排發出查詢裝置情況的命令。Port Multiplier類似Hub的觀念，可以允許單一Serial ATA通道連接多部裝置，避免過去單一通道僅能連接單一裝置的缺點，最多可接續15臺裝置。Port Selector允許兩組Serial ATA通道同時連接同一臺裝置，確保連接埠故障時的備援，確保資料傳輸的穩定。

Serial ATA II的諸多改進，將大幅改進傳輸效能、穩定性及擴充性，有助於在高階應用市場的應用，跳脫今日Serial ATA僅能節省排線空間、簡化布線的窘境。在增加諸多有別於過去規格的強大功能後，日後Serial ATA完全取代Parallel ATA，亦指日可待。

隨著處理器的時脈持續成長，以顯示晶片為首的周邊設施亦有著水漲船高的發熱量，導致系統溫度越來越高，散熱元件所發出的噪音及系統產生的電磁輻射也越來越大。基於個人電腦系統持續縮小化的長期趨勢，單純使用更大型化散熱元件的方式已經無法滿足需求，所以，由英特爾研擬已久、代號Big Water、新一代的系統布置結構標準BTX（Balanced Technology Extended）就因應而生。

相較於行之有年的ATX，BTX最大的改變，就是根據系統散熱及內部空氣流動的角度，重新定義了主機板上包含電源插座等主要元件的擺放位置及限制高度，尤其將發熱量最高的處理器、北橋、南橋、以及顯示卡排成一線，以達成系統風扇冷卻進氣的最高效率。為了防止主機板變形，固定用螺絲孔的位置有所更動。另外，為了降低高度，BTX主機板後方背板上的插孔位置亦有改變。

BTX目前已有三種規格，針對不同的系統體積，分別有BTX、microBTX及picoBTX。不過，由於ATX已經行之有年，BTX要取而代之絕非一朝一夕之功。所以，目前BTX首先取代的，應為microATX的小型化系統。從Big Water概念的研擬，到BTX的制定，也可以看出電腦的散熱，已經成為極為嚴重的問題。老朽不堪的BIOS將被EFI所取代
新的不來，舊的不去

BIOS堪稱是現今個人電腦上，最古老的遺跡之一。受限於昔日8086的16位元定址的1MB記憶體空間限制，BIOS不但畫面簡陋、功能更新不易，而且發展及維護都極為困難。此外，不同版本的BIOS所擴充的功能並不見得相容，之間的設定發生衝突亦所在多有。所以，英特爾提出了新一代的可擴充式韌體介面規格EFI（Extensible Firmware Interface），做為取代BIOS的解決方案。其實EFI並非嶄新的技術，早在2000年就推出0.92版，經過三年多的改進及發展，目前發展至1.10版，更已是IA-64平臺上的標準。只是因為一般電腦使用者對於IA-64並不熟悉，並不知道EFI的存在，所以本屆IDF才讓眾人首度見識到EFI的面貌。

基本上，EFI可以視為一個迷你的小型作業系統。不過，卻沒有受到BIOS如此之大的限制。首先，因為EFI可以將程式及資料放置在硬碟等磁碟端儲存媒體上，更可以將日後擴充的功能及工具模組直接置於磁碟空間中的保留區，這是古老的BIOS所望塵莫及的。另外，由於記憶體有限定址空間限制的解除，EFI可以達成高色彩、高解析度、多語系且支援滑鼠的GUI操作介面，也可以整合更多樣化的系統管理及檢測功能，例如作業系統完全損毀，依然可以進行系統檢測。最後，今日的BIOS已經是個人電腦中，唯一依然需要倚賴組合語言撰寫程式的部分，EFI允許使用C語言發展，除了降低維護程式碼的複雜度，亦可以輕易的發展功能上的擴充。

EFI的技術優勢並不僅限於上述數點。對於同時管理大量電腦的MIS工作者而言，EFI支援TCP/IP通訊協定及網路遠端管理，將可以大幅降低他們的工作量。此外，EFI本身亦可直接整合裝置驅動程式，簡化作業系統的開發，也因此，EFI非常適合嵌入式系統的應用。更值得注意的是，EFI提供了強化管理數位版權及安全運算的新機會。在未來，英特爾三大處理器產品線IA-64、x86以及XScale，都將統一使用EFI做為系統韌體規格。

當然，要現有眾多的電腦使用者在短期內放棄行之有年的BIOS是不可能的任務。為此，英特爾發展了相容性支援模組CSM（Compatibility Support Module），允許使用者選擇使用EFI或是舊有的BIOS進行開機程序，亦發展了將既有BIOS程式碼轉換為EFI模組的執行方式。根據英特爾的計畫，他們希望可以在2007年將BIOS予以完全取代。另外，EFI也需要作業系統的支援，微軟的新世代作業系統Longhorn將是第一個支援EFI的個人電腦作業系統。

不過，EFI本身並非沒有潛在的問題及限制。首先，EFI將資料儲存於磁碟系統雖然解除了容量空間的不足，但是磁碟系統的易毀性造成資料損毀，以及資料轉移都會造成不小的麻煩。Compaq曾經嘗試將BIOS資料放置於硬碟上，結果無論替換故障硬碟或更換大容量硬碟都非常困難。另外，由於使用高階語言、以及資料存放於硬碟之中，都會對安全性造成極大的威脅，因為程式碼的取得及解譯都變得更簡單，也等於對病毒等破壞大開方便之門。最後，也是最重要的，對於今日的使用者而言，更換現有的BIOS並非燃眉之急，也不見得會帶來太多明顯的好處，更需要等待支援的作業系統。這是EFI推廣的過程中，英特爾所必須克服的種種困難。

隨著諸多嶄新規格的陸續提出，許多古老的架構標準都在面臨著空前的挑戰。從USB取代串列/序列埠；PCI Express取代PCI；BTX取代ATX；Serial ATA取代Parallel ATA；Express Card取代PC Card；直到EFI取代有著二十年歷史的BIOS，代表著除了x86指令集外，近二十年來IBM PC AT所遺留下來的諸多遺跡將全數消失，全新的硬體架構打造出全新的電腦風貌。解除了過去的諸多限制，我們可以期待未來的個人電腦的效能成長將更為驚人，使用上的便利性及擴充性將更為廣泛。從DDR到DDR-2

無論是SDR SDRAM、DDR SDRAM以及DDR-2 SDRAM，基本架構都是不變的。

我們先介紹資料預先擷取（Prefetch）的觀念。在過去的DRAM設計中，預先擷取的觀念為何會被導入？主因就是希望結合預先擷取緩衝區以及多組內部的cell陣列，可以允許讓DRAM cell以較外部為低的時脈運作，在資料輸出的時候，透過多組輸出緩衝區進行交錯（Interleave），以達成較內部DRAM cell數倍的時脈輸出資料。換句話說，電力消耗和雜訊都可以因此減少，這個因素在實作對連續位址的爆發性存取模式（Burst）時更是重要。所以，我們可以了解到，DDR SDRAM是 2n prefetch，DDR-2是4n prefetch。同理可證，未來的 DDR-3就是8n prefetch。

但是，為何我們不一口氣做到8n、16n、甚至32n呢？預先擷取緩衝區寬度的增加，意味著更多數量的輸出暫存器，這些都會增加晶片的面積。另一個隱而不現的問題，就是內部cell陣列數目的增加，在相同的容量下，會降低晶片的電路密度，等於增加晶片的面積，也會增加額外的耗電量。

那麼相較於DDR SDRAM，DDR-2 SDRAM除了prefetch從2n轉為4n，還有什麼重大的改變呢？最重要的，莫過於AL（Additive Latency）、也就是posted CAS。AL參數的功能是，在DRAM存取的過程中，可以讓RAS/CAS位址封包在相鄰的時脈周期中插入定址匯流排。換句話說，AL允許在定址過程中作出某種程度的邏輯排程，以有效提高命令匯流排（Command Bus）的利用率。此外，隨著記憶體時脈的逐漸提升，為了提高系統的穩定性，DDR-2 SDRAM實作了ODT（On-Die Terminator）、也就是原本主機板上記憶體模組附近維持訊號完整性的終端電阻，直接整合至記憶體顆粒之中。如此一來，除了降低系統成本、改善系統穩定性外，也會降低延遲。Data Strobe的部分，從原先的單端（Single-Ended）改為差動式（Differential）訊號，對於提升運作時脈有著相當程度的幫助。最後，封裝方式由原先的TSOP轉向FBGA，這對縮小晶片面積、降低熱量及耗電量均有所助益。

不過，原先的DDR-2 SDRAM規格，並不是沒有缺點的。首先，在JEDEC官方的DDR-2 SDRAM規格草案中，為了降低產品測試成本，將爆發存取模式（Burst Mode）的長度從DDR SDRAM的8個時脈周期降低至4個時脈周期。考量到DDR-2 SDRAM的存取延遲較DDR SDRAM為長，這對於實際上的有效頻寬比例有著不良的影響。此外，JEDEC SDRAM由於其定義的最大bank數目僅有四組，所以在過去令人所詬病的bank衝突（Conflict）機率較高，並沒有得到改善，這也對DRAM內部的平行存取、提升有效頻寬造成不小的限制。在IDF所公布的DDR-2 SDRAM正式規格中，對兩者作出了改進，爆發存取模式長度修正為8個時脈周期，而最大bank數目從4組提升至8組。這些改進，大幅提升了記憶體控制器最佳化的潛力，也較能確保從DDR SDRAM升級至DDR-2 SDRAM所能得到的效能提升。

從早期的FP-DRAM、EDO-DRAM，走向同步化介面的SDRAM，一路發展至DDR-2及未來的DDR-3，代表隨著處理器持續高度成長的時脈，所需要的巨大記憶體頻寬，仰賴著記憶體架構的持續發展。近期Rambus亦發表了代號Yellowstone、新一代的XDR記憶體架構，屆時，DDR-2/DDR-3 SDRAM，和XDR之間，勢必引爆更大規模的頻寬競賽。⊙劉人豪