解說HyperTransport 飆速介面的案例探索之旅(五)

2004-11-01
隨著中央處理器CPU及多種個人電腦元件速度的提高,元件之間互連的數據匯流排以及輸出入介面,逐漸成為系統性能提高的瓶頸...
隨著中央處理器CPU及多種個人電腦元件速度的提高,元件之間互連的數據匯流排以及輸出入介面,逐漸成為系統性能提高的瓶頸,若系統工作時,元件無法達到理想狀態,則系統性能就很難有效地發揮出來。  

3GIO(PCI Express)、Hyper-Transport等技術便是出現於這樣的時空背景,目的無他,就是提高個人電腦的數據運算處理速度,進而創造更高層次的應用。  

許多廠商在很早之前就預見北橋及南橋晶片之間的頻寬會成為電腦效能的資料瓶頸,若能突破頻寬瓶頸,電腦的處理效能將會倍增。而隨著64位元運算時代的到來,日益熱門的介面技術將帶來新的高速傳輸技術思維。顯而易見,PCI匯流排擴充卡市場呈現出疲態,乃是IT產業自然淘汰的必然結果。  

高速介面標準HyperTransport  

HyperTransport是AMD(Advanced Micro Devices)公司所倡導的高速介面標準,原名為LDT (Lighting Data Transport),意指光速般的資料載送能力。  

早在1999年該公司就開始設計,並於2001年正式推廣,也得到業界一致的推崇與認同,可說是成功之舉。HyperTransport與PCI Express、PCI-X等匯流排,在應用定位上有所不同,HyperTransport並不是作為連接裝置設備的系統介面,它是一種定位於晶片間互連的高速匯流排,比如說兩枚處理器構建SMP系統、微處理器與晶片組之間的連接、晶片組南橋與北橋的接續、高性能伺服器內部連接等等。請稍留意,「HyperTransport」自然也是AMD公司的註冊商標(trademark)。  

HyperTransport的多方應用  

以當前的局勢來論述,說HyperTransport乃是AMD64處理器結構的中樞,並不過分。也是目前個人電腦採用HyperTransport技術最為明顯的應用案例之一。  

第二個有趣應用HyperTransport的實際案例,就是蘋果電腦推出聲勢驚人的巨無霸Power Mac G5 。  

Power Mac G5的策略是採用PCI-X擴充槽,將舊有PCI匯流排速度由33MHz提升至133MHz,而資料傳輸量也就由266Mbps一口氣增加至2Gbps的吞吐量(Throughput)總和。PCI-X的運作也比傳統的PCI效率更高、速度更快,擁有更多可用的頻寬,因此相當適合高畫質(HD:High Definition)視訊、或其他需要大量資料傳輸的用途。其中,最為有趣的地方就是將PCI-X控制晶片與輸出入系統連結建構到系統控制晶片的 HyperTransport匯流排上,這是在G5令人激賞的先進架構。不僅如此,HyperTransport通訊協定整合Power Mac G5的輸出入子系統,將它們連接到系統控制晶片。Serial ATA、Gigabit乙太網路、FireWire 800、USB 2.0、光纖數位音訊及類比音訊,皆整合在2組雙向HyperTransport連結架構上,以達到1.6Gbps的最大傳輸效能。因此,Hyper- Transport介面也可以說是Power Mac G5的內在中樞神經,一點也並不為過。HyperTransport技術扮演「Host Bus」的角色,也就無庸置疑了。  

再列舉一個更為鮮明又好玩的實際案例,若是打開微軟開發的電玩機X-Box來剖析硬體的內在美,很有趣的事情就擺在眼前。機器的心臟是英特爾所得意的攜帶式電腦用之Celeron處理器,其中的晶片組,也就是NVIDIA所稱的圖形處理器(GPU)之多媒體,與通訊處理器(Media and Communications Processor-MCP)之間的連接匯流排正是HyperTransport。MCP無仿以南橋來視之的話,也就形同是南北橋的跨接。所以說,X- BOX根本就是一台PC的花樣變化,冠上了不同的作業系統,產品靈魂就化身成家用電玩機器。  

這一個案例,給我們上了寶貴的一門課,也許有人會覺得有點奇怪,因為既然採用了Intel的CPU,反而不採用它的本尊架構。原因是,匯流排的技術,基本上與處理器的廠別是無甚關聯的。唯有像處理器與晶片組之間的FSB(Front Side Bus)或是Processor Bus,才是各家拿手看家本領。  

晶片對晶片之高速傳輸技術  

如果想用一句極簡話來闡明HyperTransport技術的精髓,可說HyperTransport是一門晶片對晶片之間(Chip-to-Chip) 點對點之高速傳輸技術。知名的美國市調公司In-Stat/MDR於2004年8月24日公佈新興技術─晶片對晶片之間高速傳輸(Chip-to- Chip)技術,包括有HyperTransport介面、PCI Express(3GIO)與RapidIO匯流排等等,市場進展會相當迅速,預估2003~2008年間將以173%的複合增長率(CAGR )攀升,到了2008年市場將超過3億美元的水準。  

僅管當紅產品PCI Express (3GIO)的起步有些零亂,但預期在PC需求旺盛下將快速成長。但其規格若不儘速穩定下來,多少會影響使用者的信心。至於,有人說PCI-X匯流排將會是最大輸家,PCI-X將在2008年底前退出市場。此話未免說得太早,瞬息變化莫測、技術轉移太快的今日,什麼事情都可能發生,誰輸誰贏唯有仰賴時間來驗證與論斷。  

描述主要特徵  

匯流排形式隸屬於2條點對點(Point-to-Point)的單方向數據傳輸線路,一條為輸入信號線、另一條為輸出信號線,一條輸入與一條輸出形成一個連結(Link)。而該連結可以透過位元數的增加來逐步遞增頻寬。也就是空間延伸觀念的一種。3GIO也是採用空間延伸觀念,但是實踐手段卻是迥然不同。 HyperTransport利用一條連結,擴展位元數的方式來增加頻寬。而3GIO卻是採了連結延伸的擴張方式。  

連結(Link)的位元寬,也就是可以遞送的總位元數,可以有2,4,8,16到32位元,3GIO卻有x1,x2,x4,x8,x16與x32位元。如果就技術面的層次來觀瞻,這兩者皆是好東西,實在難分軒輊。  

傳輸協定採用封包式(Packet)的傳送架構,可以是2DW(4個位元組)的多數載送。無論是數據資料(Data)還是命令(Command),都是以 4個位元組的寬度封包來載送。所有的命令都是4位元組的長度,其中必然都會存在有6個位元的「命令樣式(command type)」欄位。不過,根據資料交易的屬性,最為常用的命令該是「讀取請求(Read Requests)」、「讀取回應(Read Responses)」以及「寫入(Writes)」等存取命令。剩餘的欄位部分,就與命令有所相依的關係了。其中,比較特殊的位元是「PassPW (pass posted write)」這個位元,適用於「讀取請求(Read Requests)」,作為次序法則的控制。若是該命令需要使用到位址(Address)資訊時,跟在其後的4個位元組,也就是40個位元的長度可供使用,足夠應付當前所需。一般來說,「讀取回應(Read Responses)」以及「寫入(Writes)」命令之後,跟著而來就是資料封包。理所當然,資料封包也有其格式上的規劃與定義。資料大小從4個位元組到64個位元組不等,以4個位元組為邊界。  

每一個方向的頻寬(Bandwidth)從100MB/sec到11.2GB/sec,這些數據的由來是可以定性與定量來敘述的,不僅與構成連結的位元寬成正比,也與時脈速率息息相關(表1)。資料吞吐量(Data Throughput)為22.4Gbps,也就是最高限度的資料速率,很有機會因為新版規格的冒出,使得這個數值往上升。HyperTransport 匯流排並無擬定新的傳輸技術,而是採用了1.2V的泛用型LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)信號,具有100歐姆的差動特性阻抗。該LVDS介面已經被驗證是高速、成熟的介面之一,在筆記型電腦領域中發揚光大。  

另外,HyperTransport亦支援多重處理(Multiprocessing)。為了保固過去在PCI匯流排上軟體發展的資產, HyperTransport仍維持與PCI記憶體存取相同的次序(Ordering)法則。連接之接腳數目是在可以接受的範圍之內,以8位元的資料寬幅度為例,接腳數目約是在55隻(圖11、12)。至於HyperTransport的介面,已經支援到PCI和PCI-X的映射。  

技術規格相容 應用範圍廣泛  

雖然HyperTransport乃是緣起於AMD,為了如同PCI有PCI-SIG的官方組織,獲得其他信服者的參與,技術規格乃是由「HyperTransport Technology Consortium」技術聯盟所策劃、出版、鼓吹與維護。若是隸屬於該技術聯盟的成員,可以免權利金來取得IP。  

當前最新版是該技術聯盟發布的Hyper-Transport 2.0規格,進一步地提升頻寬,可以滿足業界對下一代運算、通訊以及嵌入式平台的需求。若從速度與頻寬層面來分析,可與PCI Express結合也是合乎情理的事情。  

既然HyperTransport技術是一種積體電路間點對點(Point-to-Point)的高速互相連接技術。在連接兩個晶片時,理所當然地採用兩個單向連接。但是,有趣的問題就浮出檯面上來了,若是在連接多個元件時,該怎麼辦呢?HyperTransport技術是允許採用菊鏈串接式(daisy chain)的手段來實踐與滿足這種連接的狀況。  

諸如Microsoft的X-box電玩機、Apple的Power Mac G5高效能桌上型電腦、Cisco的高階網路路由器(router)、IBM和Sun Microsystems的伺服器筆記型電腦以及AMD所有Athlon64、Opteron-based的電腦、伺服器等,這些業界的領導廠商都採用了 HyperTransport技術,也象徵該門技術已開始牽動業界,有其分量存在。  

未來,高速傳輸晶片(Chip-to-Chip)潛在市場是應用在消費電子之家庭娛樂方面,就是目前所知道的HyperTransport應用在電動遊戲機。但其應用空間是相當廣泛的,可以跨極眾多的資訊產業領域。  

傳統I/O技術未被取代  

綜合以上所言,可以清楚獲知HyperTransport技術的目的並不是要取代其他傳統的I/O技術,而是要提供一種符合記憶體及I/O元件資料傳輸需求的高標準晶片對晶片的內部連結之用,它可以容易地連結到低速的傳統I/O裝置及高速的新媒體I/O通道。以數據頻寬的尺度來衡量, HyperTransport技術與PCI Express相比顯得毫不遜色,可擴展性、可延伸性均是兩者的優勢與特徵,也都是朝向可以採用價廉的FR-4四層線路版來使用。  

註1 PCI-SIG(Peripheral Component Interconnect-Special Interest Group):PCI特殊研究組,成立於1992年,PCI與PCI-X匯流排以及後繼PCI Express等皆是該組織所規範。2000年該組織成為非營利公司。為擁有和管理產業開放標準PCI的特殊研究組。隨著產業界原有本地I/O技術改進需要的出現該組織定義並使用了新的產業I/O標準。目前全全球有超過850家公司成為PCI-SIG的主要成員。  

註2 HyperTransport 技術聯盟,為一個非營利性組織,致力於推動HyperTransport技術成為一個開放式、免費的業界標準。用於高頻寬晶片間通訊。只要提供少量管理費,任何公司都可以成為聯盟成員並享有免費使用該組織擁有知識產權的HyperTransport技術。  

註3 HyperTransport技術發展的里程碑摘錄:  

‧Microprocessor Forum 1999,發表HyperTransport技術。  

‧May 2000,完成HyperTransport技術1.0版。  

‧Winhec 2000,簡報HyperTransport技術。  

‧July 24, 2001,「HyperTransport Technology Consortium」技術聯盟正式成立。  

‧June, 2001,nVIDIA公開第一個利用HyperTransport技術發展之南橋晶片。  

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