在mini PC上使用eGPU

Mini PC之所以变得越来越流行，有一部分原因是因为它的的外形小巧，可以提供低功耗的基本计算功能，而且具有足够多的连接端口。因此，它们既适用于商业环境，比如：数字标牌，也适用于小内存需求或低成本安装vesa计算机的消费者。但是，Mini PC有一个缺点，由于使用带有集成图形的CPU使得它的图形性能有限，所以玩游戏的选项也受到一些限制。而且“AAA”级游戏通常都是无法播放的。

价格较低的笔记本电脑通常也存在相同的缺点，而用户想要满足自己图形需求的方法之一就是利用eGPU（即：外部GPU）。然而，商业上可用的eCPU都是十分昂贵的，而且还需要通过Thunderbolt 3端口进行连接。

更不幸地是，目前中国制造的mini PC包含有Thunderbolt 3端口的十分少。不过，现在中国国内的一些mini PC已经开始包含M.2 NVMe端口了，这让使用“PCIe x16到M.2 NVMe适配器”添加GPU成为可能。

下面我将会讨论可将GPU与mini PC配合使用的各种示例，包括对配置和性能影响的选择，尤其是对游戏的影响。建议你们阅读全文，但如果时间不多，可以直接看最后部分的结论。

配置选项

这一项的主要要求是要使用具有标准图形卡的PCIe x16接口。我们都知道商用eGPU本质上是美化的“PCIe x16转Thunderbolt 3适配器”。所以，可以通过使用“PCIe x16到M.2 NVMe适配器”和“Thunderbolt 3到M.2 NVMe适配器”来有效地复制它，而且这也适用于所有具有Thunderbolt 3端口的PC。

但是，如果 Mini PC没有所需的Thunderbolt 3端口，但是具有M.2 NVMe插槽，那么就可以使用PCIe适配器代替占用M.2 NVMe插槽的NVMe SSD。另外，如果没有其他可用的内部存储，就必须要使用外部存储，例如“USB到M.2 NVMe适配器”，从而重复使用被PCIe适配器取代的NVMe SSD。

因此，Mini PC只要有M.2 NVMe插槽，就会有许多连接GPU的选项：

1. 如果MiniPC具有Thunderbolt 3端口
   • 通过Thunderbolt 3端口连接，从而在“eGPU”中的使用GPU
   • 在“PCIe x16 to M.2 NVMe适配器”中使用GPU，并通过Thunderbolt 3端口 将“Thunderbolt 3 to M.2 NVMe适配器”连接起来
   • 使用安装在 M.2 NVMe插槽中的“PCIe x16至M.2 NVMe适配器”中的GPU，并通过雷电3端口连接的“雷电3至M.2 NVMe适配器”重新使用NVMe SSD，或通过USB端口连接的“USB至M.2 NVMe适配器”重新使用NVMe SSD，或使用通过USB端口连接的外部存储。
2. 如果没有Thunderbolt 3端口：
   • 使用安装在2 NVMe插槽中的“PCIe x16至M.2 NVMe适配器”中的GPU，并在USB端口连接的“USB至M.2 NVMe适配器”中重新使用NVMe SSD，或者使用通过USB端口连接的外部存储

技术了解

在不了解太多细节的情况下，对基础技术的简要说明有助于理解性能受到影响的原因。

在台式机中，独立显卡通常使用主板上的PCIe x16 Gen 3插槽。尽管现在Gen 4插槽也可以用了，但对游戏来说现阶段并不一定需要它们。PCIe Gen 3接口的每个通道数据传输速率是每秒8千兆字节，但由于使用了编码方案，带宽就减少了2/130％。因此，PCIe x16接口的能力为（8 GT / s * 16）– 2/130％或15.7538 GB / s，而PCIe x4接口的能力仅为3.938 GB / s。根据PCIe插槽与CPU的连接方式，与使用x16插槽相比，连接x4插槽时显卡性能可能会稍微下降，这取决于插槽是直接连接到CPU还是通过芯片组。TechPowerUp每半年就会测试一次PCIe扩展对当代高端图形卡的影响，在1920×1080分辨率下损失的一些例子，包括：通过CPU将GTX 1080从x16转换为x4 PCIe导致的GTX 1080，损失是4％、PCIe通过芯片组的损耗是8％、RTX 2080 Ti从x16变为x4的损耗为9％，RTX 3080从x16变为x4（以x16 Gen 1.1代表）的损耗则为13％。因此，对于微型PC用户来说，比较不幸的是：通过PCIe x4连接的图形卡与通过PCIe x16连接的图形卡相比将失去一些性能。

如此看来，提供40 Gbps外部I / O带宽的Thunderbolt 3是可以提供足够的带宽来连接GPU的。但是，这是最大带宽，而且是通过“显示输出”来计算的。英特尔表示，Thunderbolt 3的最大单向数据速度为22 Gbps（PDF），这是通过使用四个以4 * 8 Gbps或32 Gbps运行的PCIe Gen 3通道实现的，该通道可保留10 Gbps，从而保证Type-C USB 3.2 Gen 2×1的传输。因此，通过Thunderbolt 3进行的数据传输仅能够达到（（8 GT / s * 4）– 10 Gbps）– 2/130％或2.708 GB / s。由此产生的较低吞吐量为（PCIe x4为3.938 GB / s。Thunderbolt 3为2.708 GB / s则意味着通过Thunderbolt 3连接GPU时，图形性能将会进一步下降。

此外，并非所有制造商都在其Thunderbolt 3端口上实现了完整的x4 PCIe速度，大部分使用的还是x2的最小速度。另外，我们也不能保证，通过Thunderbolt 3连接的eGPU可以识别出设备的BIOS（Minisforum X35G就是这种情况）。与笔记本电脑一样，这是微型PC“谨慎选择”的案例。

此外，Thunderbolt 3是通过芯片组运行，而不是直接连接到CPU上。另外，电缆的两端都有一个Thunderbolt 3控制器，这就导致延迟。这个延迟主要是因芯片组、Thunderbolt 3控制器和电缆长度造成的。Thunderbolt 3电缆有两种类型：无源电缆和有源电缆。长度约0.5至0.8米的电缆支持40 Gbps的最大数据传输，并且一般都是“无源的”。而长达2米的电缆支持的最大数据传输为20 Gbps。除非它们是“有源”电缆，这就意味着它们的连接器中需要包含额外的电路，才能达到最大40gbps速度。

还有一点十分值得注意，USB端口可以具有不同的数据速率和传输速度。因此，一个USB 3.2 Gen 2×1端口可以具有10 Gbit / s的数据速率和1.21 GB / s的传输速度。

最后，GPU的性能还取决于许多变量，例如GPU、CPU的架构、功率、图形内存的数量、内存总线的宽度、时钟频率以及正在运行的应用程序/游戏设计等。简单地说就是，CPU必须先处理数据，然后才能将数据传递到GPU，接着GPU会执行渲染帧的工作。如果CPU无法足够快地处理数据，那么无论功率如何，GPU总是在等待CPU，这就是所谓的“CPU瓶颈”也叫“CPU约束”。当使用更强大的显卡时，游戏的性能下降也会成比例地恶化。因为要实现更高的FPS，就需要更多的带宽，因为需要传输更多的数据，就会使其更有可能受到带宽限制的影响。

本文进行的所有测试，主要集中于“通过M.2 NVMe插槽连接的eGPU”与“通过Thunderbolt 3端口连接的eGPU”之间的性能损失，并且不包括将eGPU与dGPU进行比较时的任何损失。

硬件总览

用于测试的mini PC，大多数都是i3 Intel NUC 8 Bean Canyon（即NUC8i3BEK）：

最初我之所以选择产品，主要是因为它配备了低功耗的英特酷睿 i3-8109U处理器。带有iGPU、Thunderbolt 3端口、M.2 NVMe插槽和一些USB 3.2 Gen 2×1端口。另外，它目前的价格非常低廉，只需299澳元（约合210美元另需加税费）。该设备配置了16GB（2 x 8GB）的G.SKILL Ripjaws DDR4 2400MHz内存和Kingston A2000 1TB NVMe SSD。

作为“eGPU”示例，我使用了ASUS XG Station Pro，它是Thunderbolt 3的eGPU扩展，附带了一条1.5m的“有源”Thunderbolt 3电缆：

对于“PCIe x16到M.2 NVMe适配器”，我使用了ADT-Link的R43SG。

这比基本的“PCIe x16到M.2 NVMe适配器”具有更好的价值，因为它包括GPU支架以及所有必需的电源连接。它还需要一个额外的电源，可以是标准PSU电源，也可以是DELL DA-2 8PIN 12V / 18A / 220W PSU（又名Dell D220P-01），这可以通过二手市场低价购买。

为了通过Thunderbolt 3连接R43SG，我使用了JEYI Thunderbolt 3 M.2 NVMe机箱（即：Thunderbolt 3到M.2 NVMe适配器”），因为它支持双面SSD，这与某些竞争对手的适配器不同。

我还使用了ORICO M2PAC3-G20 M.2 NVMe SSD机箱，用来作为“USB到M.2 NVMe适配器”。

这款产品最高支持USB 3.2 Gen 2×2，也就是20 Gbps，也包括USB-C型到C型电缆和USB A型到C型电缆。从技术上讲，我本来可以使用10 Gbps M2PV-C3型号或类似型号的，但因为目前还没有多少mini PC支持USB 3.2 Gen 2×2。

所以，最后在测试期间，我使用了两个“M.2 NVMe至PCIe x4适配器”，以及一个带有散热器的EZDIY-FAB NVMe PCIe适配器。

以及带散热器的RIITOP PCIe 3.0 x4 / x8 / x16到M.2 PCIe NVMe适配器

软件总览

为了测试NVMe SSD的性能，我使用了CrystalDiskMark：

为了测试GPU性能，我同时使用了3DMark的Fire Strike：

和Unigine’s Heaven：

图片描述：Unigine’s Heaven的界面

为了测试游戏性能，我使用了《古墓丽影》（Shadow of the Tumble Raider，SOTTR），因为它是一款CPU要求相当高的密集型游戏，包含带有图形预设的可重复基准。

为了确认Thunderbolt 3电缆正在全速运行（也就是40 Gbps运行），我使用了CUDA-Z。

我还使用MSI Afterburner / Rivatuner捕获了CPU、GPU使用率和帧速率的数据，然后在电子表格中对其进行处理。

进行测试

首先，在没有eGPU的情况下对NUC8i3BEK微型PC进行了测试，以获得一组基准结果：

然后，我在XG Station Pro中安装了GTX 1650 Super，并通过Thunderbolt 3电缆将其连接到NUC8i3BEK mini PC上，并重复测试以获取1650 Super的基准：

第一步研究是查看由R43SG适配器与JEYI适配器组成的“DIY eGPU”是否可以复制商用eGPU，而且不会造成任何性能损失。

结果非常相似，并且在测试方差的范围内。所以，这表明这是可行的eGPU替代方案。

接下来，在研究使用Thunderbolt 3连接eGPU时的损失量之前，我还执行了一些进一步的验证测试。首先，将NVMe SSD安装在EZDIY-FAB适配器中以及将R43SG安装在M.2 NVMe插槽中，并将其移至R43SG。这表明与初始基准相比，R43SG不会造成任何性能损失：

但是，一旦将带有EZDIY-FAB和NVMe SSD的R43SG安装在JEYI中并通过Thunderbolt 3进行连接，结果就会表明，尽管iGPU图形性能保持不变，但对SSD性能的直接影响可以看到，“连续读取”下降29%，“连续写入”下降41%。

然后我可以通过在JEYI中简单地安装NVMe SSD，从而来确认：

根据上面的技术解释，预计读/写速度会下降。但是，看到的幅度实际上并不代表仅使用Thunderbolt 3所造成的损失，这我将在下面进行讨论。

最后，将 NVMe SSD保留在 JEYI中并将 R43SG 安装在带有GTX 1650 Super 的 M.2 NVMe插槽中。当直接连接到 R32SG中的GPU上时，图形性能提高了大约10%（这是基于 Firestrike Graphics 和 Heaven 结果）而通过 PCIe 或通过 Thunderbolt 3连接时大约有9% 的图形损失。

通过在USB连接的ORICO中安装NVMe SSD来完全移除Thunderbolt 3，也可以确认这种图形性能的增/减，这就是典型的配置。这同时也可用于不具有Thunderbolt 3端口的mini PC。

显然，由于使用了USB接口的带宽限制，读/写性能进一步下降。

我更详细地查看了运行《古墓丽影》基准测试时的GPU性能，它同时显示了CPU和GPU的瓶颈。

图片描述：《古墓丽影》基准测试

因此，通过将GPU升级到RTX 2060，从而潜在地增加传输到GPU的数据量，使用Thunderbolt 3会有什么影响？

首先，可以为安装在M.2 NVMe插槽中的R43SG和RTX 2060以及通过Thunderbolt 3连接在JEYI中安装的NVMe SSD得出新的基准：

现在，与安装在XG Station Pro中并通过Thunderbolt 3连接的RTX 2060进行比较：

或安装在JEYI适配器中，并通过Thunderbolt 3连接的R43SG和RTX 2060。

上表显示了，在通过Thunderbolt 3连接eGPU或R32SG时，由于额外的数据导致了图形损失的预测轻微增加。而且，在通过PCIe直接连接到R32SG的GPU上时，图形改进了约14%。

在《古墓丽影》基准测试期间，我可以清楚地看到CPU瓶颈。

因此，当R43SG和RTX 2060安装在功能更强大的NUC7i7DNHE mini PC的M.2 NVMe插槽中时，由于缺少Thunderbolt 3端口，其NVMe SSD移至了ORICO：

该结果表明，GPU再次成为瓶颈。

如前面所述，使用JEYI适配器时，出现的读/写速度下降不仅仅是由于Thunderbolt 3引起的。而且，还有各种报告称，“Thunderbolt 3到M.2 NVMe适配器”的性能会因所使用的控制器类型而异。 NVMe SSD的影响，导致某些品牌的SSD表现优于其他品牌。

为了检查这一点，我测试了一个新的addlink 2TB NVMe SSD，其公告的“顺序读取”为3500 MB / s，“顺序写入”为3,000 MB / s。首先进行一些基准测试。

显示的平均“顺序读取”为3,276 MB / s，“顺序写入”为2,997 MB / s。

我又进行了一次测试，但这次我使用了Thunderbolt 3进行各种组合的连接：

显示性能仅下降19％，平均“顺序读取”为2663 MB / s，“顺序写入”下降35％至1,948 MB / s。这表明读取使Thunderbolt 3链接达到了其理论的最大值。

相比之下，前面提到的金士顿1TB NVMe SSD的性能下降则是在SSD用于多次基准测试后才出现的。而且损耗均衡降低了广告发布的“顺序读取”速度（即2,200 MB / s）和“顺序写入”的速度（即2,000 MB / s）。更好的比较是查看新SSD时进行测试的结果：

这表明“顺序读取”的速度下降了41％，而“顺序写入”速度则下降了42％。这表明使用JEYI适配器的addlink SSD的性能下降比例小于Kingston SSD的。

在整个测试过程中，排除了因Thunderbolt 3电缆引起的任何变化，我使用了JEYI电缆，这是一种“无源”电缆。但是，我还单独使用“有源”Thunderbolt 3电缆进行了一些比较测试，但发现没有显着差异。

附加分析

下表提供了结果摘要：

具体来说，仅看图形性能（基于Firestrike Graphics and Heaven的结果）就可以清楚地看到通过Thunderbolt 3连接的影响。

仅查看《古墓丽影》基准时，就可以看出CPU对图形性能的影响。使用“低”图形预设进行升级时，GPU不会影响平均FPS，因为如前所示，此低功耗CPU是瓶颈。有趣的是，当通过PCIe连接1650 Super时，它几乎比通过Thunderbolt 3 2020更好：

固态硬盘的读/写速度受到固态硬盘连接方式的极大影响，尽管如上所述，这不一定会影响图形性能，但它会影响游戏体验，因为加载时间会因接口的不同而不同。

结论

鉴于目前显卡的稀缺性，任何eGPU解决方案的一个重要优势都是允许系统（和/或用户）之间共享一个GPU。

最有可能的是，迷你PC上的端口将决定电子GPU的具体配置方式，但从外观上看，通过Thunderbolt 3端口连接的电子GPU比通过PCIe连接时更整洁，但其图形性能却损失了约10%。此外，电子GPU的外壳可能会被认为是比较合适的，因为GPU的风扇叶片不用暴露在外。然而，商用电子的GPU价格十分昂贵，而且可能相当大，而“DIY电子GPU”却可以以更低的成本提供到同样的性能。

如果要在M.2 NVMe插槽中使用R43SG之类的适配器以获得最佳图形的性能，一定要记得考虑“Thunderbolt 3到M.2 NVMe适配器”对SSD速度的影响。所以，综合考虑的话，使用“USB到M.2 NVMe适配器”是更便宜的选择。

由于迷你PC的CPU功率较低，因此重要的是不要对使用的GPU进行过高的配置，因为它的全部潜力很有可能会因为被“CPU绑定”而无法完全发挥出来。

最后，请注意，当直接从eGPU启动时，你可能会遇到一个空白的屏幕，因为，最初的iGPU可能只处于活动状态，而eGPU直到桌面启动后才开始活动，因为它被主显示器使用。你可能需要按下空格键，然后在不可见的情况下输入你的Windows密码以使桌面启动，或者如果愿意的话，在启动后简单地将HDMI线从Mini PC“热交换”到eGPU上。禁用iGPU不是一个首选的解决方案，因为如果eGPU出现故障或被完全删除，可能会导致无显示。

Nicholas Dong 董巷

文章翻译者：Nicholas，技术支持工程师、瑞科慧联（RAK）高级工程师，深耕嵌入式开发技术、物联网行业多年，拥有丰富的行业经验和新颖独到的眼光！