CNVi 技术会是雷电 3 ( Thunderbolt 3 ) 接口的小小救星吗？

这是个脑洞挺大的标题。我之所以想写该主题，是因为晚上看到篇关于 ThinkPad X1 Tablet Evo 的评测，阅毕，对其中 PCI-E 通道的分配方式产生了一些曲解 ( 见该评测的评论 ) 。有陌生知识点就该学习，于是去查了一些资料，就有了这篇笔(che)记(dan)。

① 适用于射频模块 ( RF Module ) 的 M.2 连接器 ( M.2 Connector ) 的定义

目前超极本和平板所普遍采用的 WiFi + 蓝牙(BT) 二合一模块，统称为射频模块。常见的射频模块有两种形式：M.2 2230 和 M.2 1216 ，其中，前者尺寸为 22mm*30mm ，后者尺寸为 12mm*16mm ；除了尺寸上的区别，前者是插卡的版本 ( 即金手指与插槽连接 ) ，后者直接锡焊在主板上 ( PCI-SIG 协会将这种连接方式定义为 Socket 1 ，而前者为 Socket 2 或 3 ) 。

② 射频模块与芯片组 ( PCH or SoC ) 的经典连接方式及其不足

多年来，射频模块一直使用 PCI-E + USB 通道与芯片组连接 ( 见下图左半边 ) 。其中，PCI-E 通道连接 WiFi 部分，USB 通道连接 BT 部分，M.2 2230 和 1216 均可支持两种通道同时连接。

这种连接方式是存在不足的。由于射频模块采用 PCI-E 和 USB 通道，对于操作系统而言，WiFi 部分会被识别为 PCI-E 设备，BT 部分则会被认为是 USB 设备。CPU 和芯片组与射频模块的通信，是以与 PCI-E / USB 设备通信的方式进行的，相当于在控制独立的硬件设备。按照 Intel 官方的说法，在功耗 ( power ) 、成本 ( cost ) 和体积 ( size ) 上都存在浪费。

③ CNVi ( Connectivity Integration Architecture ) 的含义及其优势

CNVi 正是为解决以上不足而提出的。Intel 官方也将 CNVi 称作 Integrated Intel Wireless-AC Solution ，顾名思义，这是集成化的无线解决方案，对此，Intel 却解释的很含糊：

那么，这个「 key elements 」指的究竟是什么呢？其实从上图右半边可以看出，有了 CNVi 之后，射频模块的 WiFi 和 BT 部分均有不同程度的精简，名称也降格为了伴射频模块 ( Companion RF Module , CRF Module ) ，具体而言：

如此一来，BT 部分就不再需要 USB 连接，可以直接使用 GPIO ，原因是通信的双方从「 芯片组 」与「 BT 设备 」变成了「 BB Modem 」与「 BB Filters 」，即 BT 设备内部的通信。

而对于 WiFi 部分而言，由于 CNVi 仍然未集成 WiFi 模块的 BB Modem，并不能使用 GPIO 。显然，PCI-E 也不适用，因为此时是 MAC 与 Modem 的通信，可以看成是「 数据链路层 」与「 物理层 」的事情。对此，CNVi 特别设计了一种接口，称作 CNVio ( 毫无创意的名字 ) ，CNVio 就是通信的通道。

可以看出，CNVi 的思路，部分参考了当年芯片组南桥部分集成以太网 MAC ( Ethernet Link Layer ) 的做法。有了 CNVi ，除了图片里提到的三点优势，诸如 PXE OpROM on WLAN 、Power on WLAN ( 脑洞大开 ) 或许也是可期待的。

④ 能够支持 CNVi 的平台 ( 三部分需要同时满足 )

8th Gen Intel® Core™ processors *

Intel® Pentium® Silver processors based on Gemini Lake

Celeron® processors based on Gemini Lake

* 以上是 Intel 给出的列表 —— 事实上，按照前面那张图片所透露的信息，8th Gen Core 应当只包括 Coffee Lake ，i5-8250U / 8350U 、i7-8550U / 8650U 这些 Kaby Lake R ( Refresh ) 型号是不包括在内的。

Intel® 300 Series Chipsets for Coffee Lake

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

Intel® Jefferson Peak CRF Module Series

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

⑤ CNVi 技术会是雷电 3 ( Thunderbolt 3 ) 接口的救星吗？

回到标题所提出的问题。引入 CNVi ，省下了一条 PCI-E 通道 ( 和 USB ) ，这似乎是微不足道的 —— 但又是至关重要的。

原因是，像 ThinkPad X1 Tablet Evo 这样的产品，满足以下条件：

不可避免地会遇到一个问题：PCI-E 通道数不够用。以 i7-8550U 为例，它集成有 16 条 HSIO ( High Speed IO ) ，其中有 12 条 HSIO 可以被配置为 PCI-E 通道 ( 见 I/O Data Sheet PDF 的第 24 页 )：

然而，将这 12 条 HSIO 全部配置为 PCI-E ，是有前提的：

* 在这里，"独立" 是指将 SATA 接口做成 7pin ( 独立 SATA 接口 ) 、7+15pin ( 2.5 寸硬盘所用的接口 ) 或 7+9pin ( 2.5 寸光驱所用的接口 ) 的形式，由于以上接口都仅能用于 SATA 设备，会导致同一 HSIO 下的 PCI-E 通道在事实上无法被利用 ( 即「物理上的插槽」与「逻辑上的定义」产生了冲突 ) 。这个现象，对于"惜资源如金"的工控主板电路工程师来说，感触会尤其深刻 ( 甚至有时候在 PCB 打板时才会发现不对劲，白花花的银子呀 ) 。

相对应地，"非独立" 是将 SATA 接口做成可切换的形式。例如早期的 mSATA / mPCIe 二合一插槽，现在演变为 M.2 Key B+M ，这种插槽同时支持 SATA 和 PCI-E 的设备，由 UEFI BIOS 切换其功能：当切换为 M.2 Storage 模式时，支持 SATA 或 PCI-E 2X 的 SSD ，加载 Intel Rapid Storage Techonology ；当切换为 M.2 PCI-E 设备时，不加载 Intel RST ，主要用于 WWAN 模块 ( 即 4G 网卡 ) 。

现在，假设满足以上前提，那么每增加一根供 NVMe SSD 使用的 M.2 Key M 插槽 ( 即图中粉红色的 Intel PCIe* Storage Device ) ，需要多占用 4 条 PCI-E 通道 —— 也就是说，最多还剩下 8 条。而全速 ( 40Gbps ) 的雷电 3 接口，是需要使用 4 条 PCI-E 通道的，一旦给两个雷电 3 接口以独享的 PCI-E 通道，所剩的 8 条将全部分配完毕。结果是，没有留给射频模块 ( 无线网卡 ) 的 PCI-E 通道了。所以，目前的通行做法 ( 包括 MacBook Pro 在内 ) 是，每两个雷电 3 接口只使用一个雷电 3 控制器，让这两个接口共享 4 条 PCI-E 通道。

但是，这种通行做法并不是最优的。还是以 i7-8550U 为例，其 Spec 页面指出了所支持的 PCI-E 组织形式：1x4, 2x2, 1x2+2x1 and 4x1 ，以此可以猜测 ThinkPad X1 Tablet Evo 的 PCI-E 配置：由于 RF Module 需要同时使用 PCI-E 和 USB ，其 M.2 Key E 插槽必然在 HSIO #5~6 的位置上；雷电 3 控制器和 NVMe SSD 各使用 4 条 PCI-E ( 实际顺序也许和图里是反的，这个不重要 ) ，总的来看，是类似于下图这样：

也就是说，12 条 PCI-E 被配置为 4x1 + 4x1 + 2x2 或 4x1 + 4x1 + (1x2+2x1) —— 无论实际是哪一种，图中红色问号所指出的 PCI-E 资源都是闲置的 ( 或者说被浪费 ) ，闲置的原因正是射频模块占用了宝贵的资源。要解决这个问题，CNVi 是很合适的。一旦引入 CNVi ，就可以空出完整的 3 组 4x1 PCI-E 资源，除了 NVMe SSD 使用其中 1 组，还可以让每个雷电 3 接口都有对应的雷电 3 控制器，以及独享的 PCI-E 4X 带宽。

顺带一提，除了 CNVi 的利好，Intel 似乎还打算直接解决 PCI-E 通道数不足的问题。虽然现在还不知道 Whiskey Lake 是个什么鬼，但从 Coffee Lake 起，Intel 已经把 -U 系列 CPU 所集成的 PCI-E 通道数，从 Haswell / Broadwell / Skylake / Kaby Lake 的 12 条，增加到了 16 条，比如 i5-8259U ( 虽然 i5-8259U 是 28W 的 eDRAM 版本，但是 Kaby Lake 的 28W eDRAM 版也是 12 条 PCI-E ) 。有理由认为 i5-9250U / i7-9550U ( 如果这就是 Whiskey Lake 的话 ) 同样是 16 条 PCI-E 。

设想一下美好的应用场景：有了两条独享带宽的全速雷电 3 接口，一个外接独立显卡，另一个外接拓展坞，只需几秒钟，就可以让轻薄本 ( 平板 ) 在性能和功能上同时进化~

超能网放出了一份关于AC9560的测试，与AC7260相比，延迟要来得更低一些：