CNVi 技術會是雷電 3 ( Thunderbolt 3 ) 介面的小小救星嗎？

這是個腦洞挺大的標題。我之所以想寫該主題，是因為晚上看到篇關於 ThinkPad X1 Tablet Evo 的評測，閱畢，對其中 PCI-E 通道的分配方式產生了一些曲解 ( 見該評測的評論 ) 。有陌生知識點就該學習，於是去查了一些資料，就有了這篇筆(che)記(dan)。

① 適用於射頻模塊 ( RF Module ) 的 M.2 連接器 ( M.2 Connector ) 的定義

目前超極本和平板所普遍採用的 WiFi + 藍牙(BT) 二合一模塊，統稱為射頻模塊。常見的射頻模塊有兩種形式：M.2 2230 和 M.2 1216 ，其中，前者尺寸為 22mm*30mm ，後者尺寸為 12mm*16mm ；除了尺寸上的區別，前者是插卡的版本 ( 即金手指與插槽連接 ) ，後者直接錫焊在主板上 ( PCI-SIG 協會將這種連接方式定義為 Socket 1 ，而前者為 Socket 2 或 3 ) 。

② 射頻模塊與晶元組 ( PCH or SoC ) 的經典連接方式及其不足

多年來，射頻模塊一直使用 PCI-E + USB 通道與晶元組連接 ( 見下圖左半邊 ) 。其中，PCI-E 通道連接 WiFi 部分，USB 通道連接 BT 部分，M.2 2230 和 1216 均可支持兩種通道同時連接。

這種連接方式是存在不足的。由於射頻模塊採用 PCI-E 和 USB 通道，對於操作系統而言，WiFi 部分會被識別為 PCI-E 設備，BT 部分則會被認為是 USB 設備。CPU 和晶元組與射頻模塊的通信，是以與 PCI-E / USB 設備通信的方式進行的，相當於在控制獨立的硬體設備。按照 Intel 官方的說法，在功耗 ( power ) 、成本 ( cost ) 和體積 ( size ) 上都存在浪費。

③ CNVi ( Connectivity Integration Architecture ) 的含義及其優勢

CNVi 正是為解決以上不足而提出的。Intel 官方也將 CNVi 稱作 Integrated Intel Wireless-AC Solution ，顧名思義，這是集成化的無線解決方案，對此，Intel 卻解釋的很含糊：

The integrated Intel? Wireless-AC moves key elements of Wi-Fi and Bluetooth? Technology into Intel? processors.

那麼，這個「 key elements 」指的究竟是什麼呢？其實從上圖右半邊可以看出，有了 CNVi 之後，射頻模塊的 WiFi 和 BT 部分均有不同程度的精簡，名稱也降格為了伴射頻模塊 ( Companion RF Module , CRF Module ) ，具體而言：

• 對於 WiFi 部分，CNVi 集成了 MAC 層；
• 對於 BT 部分，CNVi 除了集成 MAC 層，還包括 BB ( Base Band ) Modem 。

如此一來，BT 部分就不再需要 USB 連接，可以直接使用 GPIO ，原因是通信的雙方從「 晶元組 」與「 BT 設備 」變成了「 BB Modem 」與「 BB Filters 」，即 BT 設備內部的通信。

而對於 WiFi 部分而言，由於 CNVi 仍然未集成 WiFi 模塊的 BB Modem，並不能使用 GPIO 。顯然，PCI-E 也不適用，因為此時是 MAC 與 Modem 的通信，可以看成是「 數據鏈路層 」與「 物理層 」的事情。對此，CNVi 特別設計了一種介面，稱作 CNVio ( 毫無創意的名字 ) ，CNVio 就是通信的通道。

可以看出，CNVi 的思路，部分參考了當年晶元組南橋部分集成乙太網 MAC ( Ethernet Link Layer ) 的做法。有了 CNVi ，除了圖片里提到的三點優勢，諸如 PXE OpROM on WLAN 、Power on WLAN ( 腦洞大開 ) 或許也是可期待的。

④ 能夠支持 CNVi 的平台 ( 三部分需要同時滿足 )

• CPU 部分：

8th Gen Intel? Core? processors *

Intel? Pentium? Silver processors based on Gemini Lake

Celeron? processors based on Gemini Lake

* 以上是 Intel 給出的列表 —— 事實上，按照前面那張圖片所透露的信息，8th Gen Core 應當只包括 Coffee Lake ，i5-8250U / 8350U 、i7-8550U / 8650U 這些 Kaby Lake R ( Refresh ) 型號是不包括在內的。

• 晶元組部分：

Intel? 300 Series Chipsets for Coffee Lake

H310 / B360 / H370 / Q370 / HM370 / QM370 / CM246 ，不包括 Z370

• 射頻模塊部分：

Intel? Jefferson Peak CRF Module Series

Wireless-AC 9461 / 9462 / 9560 M.2 CNVio CRF Modules

⑤ CNVi 技術會是雷電 3 ( Thunderbolt 3 ) 介面的救星嗎？

回到標題所提出的問題。引入 CNVi ，省下了一條 PCI-E 通道 ( 和 USB ) ，這似乎是微不足道的 —— 但又是至關重要的。

原因是，像 ThinkPad X1 Tablet Evo 這樣的產品，滿足以下條件：

• 輕薄設計 ( 平板、超極本、二合一產品、NUC ，等等 )
• 搭載 15W 的 -U 系列 CPU ( 或 28W ，總之是 SoC )
• 帶有兩個 ( 或更多的 ) 雷電 3 介面 ( Intel 已經取消了雷電 3 的授權費 )

不可避免地會遇到一個問題：PCI-E 通道數不夠用。以 i7-8550U 為例，它集成有 16 條 HSIO ( High Speed IO ) ，其中有 12 條 HSIO 可以被配置為 PCI-E 通道 ( 見 I/O Data Sheet PDF 的第 24 頁 )：

然而，將這 12 條 HSIO 全部配置為 PCI-E ，是有前提的：

• 不使用 GbE ( 圖中藍色部分 ) ，即千兆乙太網的 MAC
• 不使用 USB3 #5~6 ，即 5~6 號 USB3.0 介面
• 不獨立*使用 SATA 介面 ( 圖中綠色部分 )

* 在這裡，"獨立" 是指將 SATA 介面做成 7pin ( 獨立 SATA 介面 ) 、7+15pin ( 2.5 寸硬碟所用的介面 ) 或 7+9pin ( 2.5 寸光碟機所用的介面 ) 的形式，由於以上介面都僅能用於 SATA 設備，會導致同一 HSIO 下的 PCI-E 通道在事實上無法被利用 ( 即「物理上的插槽」與「邏輯上的定義」產生了衝突 ) 。這個現象，對於"惜資源如金"的工控主板電路工程師來說，感觸會尤其深刻 ( 甚至有時候在 PCB 打板時才會發現不對勁，白花花的銀子呀 ) 。

相對應地，"非獨立" 是將 SATA 介面做成可切換的形式。例如早期的 mSATA / mPCIe 二合一插槽，現在演變為 M.2 Key B+M ，這種插槽同時支持 SATA 和 PCI-E 的設備，由 UEFI BIOS 切換其功能：當切換為 M.2 Storage 模式時，支持 SATA 或 PCI-E 2X 的 SSD ，載入 Intel Rapid Storage Techonology ；當切換為 M.2 PCI-E 設備時，不載入 Intel RST ，主要用於 WWAN 模塊 ( 即 4G 網卡 ) 。

現在，假設滿足以上前提，那麼每增加一根供 NVMe SSD 使用的 M.2 Key M 插槽 ( 即圖中粉紅色的 Intel PCIe* Storage Device ) ，需要多佔用 4 條 PCI-E 通道 —— 也就是說，最多還剩下 8 條。而全速 ( 40Gbps ) 的雷電 3 介面，是需要使用 4 條 PCI-E 通道的，一旦給兩個雷電 3 介面以獨享的 PCI-E 通道，所剩的 8 條將全部分配完畢。結果是，沒有留給射頻模塊 ( 無線網卡 ) 的 PCI-E 通道了。所以，目前的通行做法 ( 包括 MacBook Pro 在內 ) 是，每兩個雷電 3 介面只使用一個雷電 3 控制器，讓這兩個介面共享 4 條 PCI-E 通道。

但是，這種通行做法並不是最優的。還是以 i7-8550U 為例，其 Spec 頁面指出了所支持的 PCI-E 組織形式：1x4, 2x2, 1x2+2x1 and 4x1 ，以此可以猜測 ThinkPad X1 Tablet Evo 的 PCI-E 配置：由於 RF Module 需要同時使用 PCI-E 和 USB ，其 M.2 Key E 插槽必然在 HSIO #5~6 的位置上；雷電 3 控制器和 NVMe SSD 各使用 4 條 PCI-E ( 實際順序也許和圖裡是反的，這個不重要 ) ，總的來看，是類似於下圖這樣：

也就是說，12 條 PCI-E 被配置為 4x1 + 4x1 + 2x2 或 4x1 + 4x1 + (1x2+2x1) —— 無論實際是哪一種，圖中紅色問號所指出的 PCI-E 資源都是閑置的 ( 或者說被浪費 ) ，閑置的原因正是射頻模塊佔用了寶貴的資源。要解決這個問題，CNVi 是很合適的。一旦引入 CNVi ，就可以空出完整的 3 組 4x1 PCI-E 資源，除了 NVMe SSD 使用其中 1 組，還可以讓每個雷電 3 介面都有對應的雷電 3 控制器，以及獨享的 PCI-E 4X 帶寬。

順帶一提，除了 CNVi 的利好，Intel 似乎還打算直接解決 PCI-E 通道數不足的問題。雖然現在還不知道 Whiskey Lake 是個什麼鬼，但從 Coffee Lake 起，Intel 已經把 -U 系列 CPU 所集成的 PCI-E 通道數，從 Haswell / Broadwell / Skylake / Kaby Lake 的 12 條，增加到了 16 條，比如 i5-8259U ( 雖然 i5-8259U 是 28W 的 eDRAM 版本，但是 Kaby Lake 的 28W eDRAM 版也是 12 條 PCI-E ) 。有理由認為 i5-9250U / i7-9550U ( 如果這就是 Whiskey Lake 的話 ) 同樣是 16 條 PCI-E 。

設想一下美好的應用場景：有了兩條獨享帶寬的全速雷電 3 介面，一個外接獨立顯卡，另一個外接拓展塢，只需幾秒鐘，就可以讓輕薄本 ( 平板 ) 在性能和功能上同時進化~