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CPU百科全书:构造篇
发表日期:2006-09-14作者:fantasy/水月子/ZHB[转贴] 出处:PConline  

??从外部物理构造的角度上说,目前应用在个人电脑中的CPU主要有两个部分组成,一个是内核,另一个是基板,此外还有内核和基板之间的填充物。


CPU物理结构图解

??一、物理构造
??1、CPU内核:
??CPU的中间就是我们平时称作核心芯片或CPU内核的地方,这颗由单晶硅做成的芯片可以说是电脑的大脑了,所有的计算、接受/存储命令、处理数据都是在这指甲盖大小的地方进行的。目前绝大多数CPU都采用了一种翻转内核的封装形式,也就是说平时我们所看到的CPU内核其实是这颗硅芯片的底部,它是翻转后封装在陶瓷电路基板上的,这样的好处是能够使CPU内核直接与散热装置接触。这种技术也被使用在当今绝大多数的CPU上。而CPU核心的另一面,也就是被盖在陶瓷电路基板下面的那面要和外界的电路相连接。现在的CPU都有以千万计算的晶体管,它们都要连到外面的电路上,而连接的方法则是将每若干个晶体管焊上一根导线连到外电路上。例如Duron核心上面需要焊上3000条导线,而奔腾4的数量为5000条,用于服务器的64位处理器Itanium则达到了7500条。这么小的芯片上要安放这么多的焊点,这些焊点必须非常的小,设计起来也要非常的小心。由于所有的计算都要在很小的芯片上进行,所以CPU内核会散发出大量的热,核心内部温度可以达到上百度,而表面温度也会有数十度,一旦温度过高,就会造成CPU运行不正常甚至烧毁,因此很多电脑书籍或者杂志都会常常强调对CPU散热的重要性。

??至于CPU内核的内部结构,就更为复杂了,CPU的基本运算操作有三种:读取数据、对数据进行处理、然后把数据写回到存储器上。对于由最简单的信息构成的数据,CPU只需要四个部分来实现它对数据的操作:指令、指令指示器、寄存器、算术逻辑单元,此外,CPU还包括一些协助基本单元完成工作的附加单元等。

??2、CPU的基板:
??CPU基板就是承载CPU内核用的电路板,它负责内核芯片和外界的一切通讯,并决定这一颗芯片的时钟频率,在它上面,有我们经常在电脑主板上见到的电容、电阻,还有决定了CPU时钟频率的电路桥(俗称金手指),在基板的背面或者下沿,还有用于和主板连接的针脚或者卡式接口。

??比较早期的CPU基板都是采用陶瓷制成的,目前AMD的Duron仍然采用这种材料,而最新的CPU,例如P3、Celeron2,Palomino内核的AthlonXP,都转用了有机物制造,它能提供更好的电气和散热性能。
??最后,在CPU内核和CPU基板之间,还有一种填充物,这种填充物的作用是用来缓解来自散热器的压力以及固定芯片和电路基板,由于它连接着温度有较大差异的两个方面,所以必须保证十分的稳定,它的质量的优劣有时就直接影响着整个CPU的质量。


??二、CPU封装方式和插座

??1、CPU封装方式
??设计制作好的CPU硅片将通过几次严格的测试,若合格就会送至封装厂切割、划分成用于单个CPU的硅模并置入到封装中。"封装"不但是给CPU穿上外衣,更是它的保护神,否则CPU的核心就不能与空气隔离和避免尘埃的侵害。此外,良好的封装设计还能有助于CPU芯片散热,并很好的让CPU与主板连接,因此封装技术本身就是高科技产品的组成部分。

??CPU的封装也是一种不断发展与更新的技术。目前最常见的是PGA(Pin-Grid Array,针栅阵列)封装,通常这种封装是正方形的,或者是长方形的,在CPU的边缘周围均匀的分布着三、四排甚至更多排的引脚,引脚能插入主板CPU插座上对应的插孔,从而实现与主板的连接。随着CPU总线带度的增加(参阅后面的内容)、功能的增强,CPU的引脚数目也在不断地增多,同时对散热和各种电气特性的要求也更高,这就演化出了SPGA(Staggered Pin-Grid Array,交错针栅阵列),PPGA(Plastic Pin-Grid Array,塑料针栅阵列)等封装方式。

??奔腾ⅢCoppermine(铜矿) CPU,以及AMD公司的部分产品采用了一种独特的FC-PGA(Flip Chip Pin-Grid Array,反转芯片针栅阵列)封装技术,把以往倒挂在封装基片下的核心翻转180度,稳坐于封装基片之上,这样可以缩短连线,并有利散热。


??2、PU和主板连接方式
??CPU和主板连接的接口,主要有两类有,一类是卡式接口,称为SLOT,卡式接口的CPU像我们经常用的各种扩展卡,例如显卡、声卡、网卡等,是竖立插到主板上的,当然主板上必须有对应SLOT插槽。另一类是针脚式接口,称为Socket,Socket接口的CPU有数百个针脚(因为针脚数目不同而称为Socket 478、Socket 462、Socket 423等),一一对应插在主板CPU插座的针孔上。CPU的接口和主板插座必须完全吻合,例如SLOT 1接口的CPU只能连在具备SLOT 1插槽的主板上,Socket 478接口的CPU只能连在具备Socket 478插座的主板上,也曾经出现过配备了两种插座的主板,例如精英双子星主板,就同时具备了SLOT 1插槽和Socket 370插座,但目前这类主板已经很少了。

??下面具体介绍一些市场中还能见到的一些CPU接口:
??SLOT 1: SLOT 1接口一直是Intel的专利,所以采用这种接口的主板无一例外地支持Intel的处理器。Intel原本推出 SLOT 1接口的主板只是为了垄断今后的主板发展趋势,可是由于Super 7的兴起,打乱了Intel的完美计划。也许是希望借他人的手扩张市场,Intel于是后来将SLOT 1结构主板的制造授权提供给了VIA、SIS、ALI等主板厂商,所以这些厂商也相应推出了采用SLOT 1接口的系列主板,丰富了主板市场。SLOT 1的技术结构比较先进,能提供更大的内部传输带宽和CPU性能,这也是Intel下大决心抛弃Socket的原因(不过后来Intel又走回了老路),目前市场上流行的采用SLOT 1接口的主板芯片组有Intel的BX、i810、i820系列及VIA的Apollo系列,ALI 的Aladdin Pro Ⅱ系列及SIS的620、630系列等。采用不同芯片组设计的主板其性能也不同,有的还是整合主板,需要仔细辨别。不过随着Socket 370结构主板的普及,SLOT 1结构的主板目前销量已大不如前,给新的 Socket 370结构主板让出了不少市场份额。


SLOT 1插座Pentium II处理器

??SLOT 2:SLOT 2大概和我们这些平民DIYer们无缘了,它的用途比较专业:服务于高端服务器及图形工作站的系统。所用的CPU也是很昂贵的Xeon(至强)系列。采用SLOT 2接口的主板多有两个以上的CPU插槽,以供多处理器同时工作。支持SLOT 2接口的主板芯片组有440GX和450NX。


SLOT 2插座Pentium II Xeon处理器

??SLOT A :SLOT A接口是AMD为了与Intel分庭抗礼,另起炉灶的产物。SLOT A主板也就是给AMD主力产品K7 Athlon使用的。在技术和性能上,SLOT A主板可完全兼容原有的各种外设扩展卡设备。不过它使用的并不是Intel的P6 GTL+ 总线协议,而是Digital公司的Alpha总线协议EV6。EV6架构是目前最先进的架构,它采用多线程处理的点到点拓扑结构,支持200MHz的总线频率,这无疑给K7打下了一个良好的速度基础。目前上市的支持SLOT A接口结构的主板芯片组主要有两种,一种是AMD自产自销的AMD 750芯片组,另一种是VIA的Apollo KX133芯片组,还有目前正兴起的VIA KT133芯片组。不过由于目前生产K7主板的厂商并不多,无论是在产量还是产品兼容性问题上都不尽如人意,所以AMD面临着许多不利的困难,此外,为了降低制造成本和 CPU 设计??芷冢珹MD 又开发出最新的Socket A系列主板,它作为SLOT A接口的接班人,采用462针脚接口设计,支持最新的新Athlon(雷鸟)和Duron(钻龙)CPU,如同Socket 370一样,降低了制造成本,简化了结构设计。

??Socket 478:Intel准备让所有的奔腾 4系列处理器都采用新的Socket478封装,这是由于采用0.13微米工艺加工,基于Northwood核心的奔腾 4处理器必须使用Socket478封装。到今年第四季度时,该系列处理器的频率将超过2GHz。迫于主板生产商的压力,Intel正准备增加Willamette核心Socket478处理器的产量。原因在于基于Northwood核心的处理器价格比较昂贵,毕竟它所采用的0.13微米加工工艺是比较先进的,所以它们的价格不可能在短期内降到Willamette核心处理器的价位。正是由于这个原因,主板生产商不敢生产太多基于Brookdale (i845)芯片组的Socket478主板。


Socket 478插座Pentium 4处理器

??Socket A:Intel对Athlon的惧怕迫使他们纷纷推出新的芯片组和CPU。而AMD借助其最新的产品加强了他们在市场上地位。AMD虽然在CPU市场中的份额较小,但是他们凭借着其K7家族的处理器,已经是很很地将了Intel一军。这款Socket A就是现在AMD对抗Intel的有力武器,此款接口的主板多基于KT133A、266A等VIA的芯片组主板。

??Socket 423:早期的奔腾 4系列处理器都采用Socket423封装,不过此款接口已经被淘汰,不建议用户购买。

??Socket 370 :为了拓展低端市场,打击AMD的产品销量,Intel决定力推他们的廉价赛扬A CPU。好马配好鞍,赛扬A被改造成了Socket 370结构,相应的廉价Socket 370主板出现了。Socket 370主板多为采用Intel ZX、BX、i810芯片组的产品,当然其他诸如VIA 、SIS等厂商也会参与进来,如VIA Apollo Pro系列、SIS 530系列等。原来有种观点认为,Socket 370的CPU升级能力可能不会太好,所以Socket 370的销量总是不如SLOT 1接口的主板。但世事难料,Intel 也在不断转变着策略,新千年随着Intel Coppermine系列CPU新P Ⅲ和新赛扬 Ⅱ(均为 Socket 370 结构设计)的推出,Socket 370接口的主板一改低端形象,逐渐成为CPU接口结构主板的主流,如目前最新的 i815 系列主板则都采用了Socket 370结构设计。Socket 370结构吸收了原有主板结构的优点是成本低廉和设计简单,支持面广。相反,原有的SLOT1接口的主板倍受打击,目前正迅速从主板市场消失。对于部分SLOT1接口主板,一块Socket 370转接卡是将其升级发展、发挥余热的最好伙伴。总的来说,Socket 370主板代表着目前以及未来一年内的时代主流,值得推荐!


Socket 370插座Celeron处理器

??Super 7 :Super 7接口主板是AMD、VIA、ALI、SIS等厂商共同倡导创建的。它最大的特点是直接支持100MHz总线频率和 AGP图形加速端口,延长了Socket 7接口主板的寿命。面对Intel都弃之不用的Socket 7接口,AMD等厂商并没有气馁,不但继续生产支持Socket 7的CPU产品,同时还将其发展为与SLOT 1抗衡的Super 7产品。实际上Super 7 并不是SLOT 1的对手,AMD这一点很清楚,不过为了保护自己的生产线不早被淘汰,同时加紧攻占低端市场, AMD对于Socket 7的产品仍然比较耐心,直接将其进化为Super 7系列。直到发展出了全新的Socket A接口产品。Super 7采用的芯片组有VIA公司的MVP3、MVP4系列,SIS公司的530/540系列及ALI的Aladdin V系列等主板产品。对应Super 7接口CPU的产品有AMD K6-2、K6-Ⅲ 、Cyrix M2及一些其他厂商的产品。但目前由于K6-2在赛扬的打压下市场份额迅速减少,因而目前市场上新型的Super 7主板已非常少见,基本上都还是一两年前的产品。

??除了上述的接口以外,我们还简略提及一下早期的CPU接口,它们分别是:

socket 4:支持Intel 60mhz-66mhz p5t系列cpu

socket 5:支持Intel 75mhz-166mhz p54c/p54cs系列cpu

socket 6:Intel 80486dx4/奔腾系列cpu

socket 7:支持Intel 75mhz-200mhz p54c/p54cs/p55c系列cpu、支持AMD k5/k6-2/k6-3、支持Cyrix 6x86/6x86l/mⅡ/mediagx

socket 8:支持Intel 150mhz-200mhz pentuim pro系列cpu。

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