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标题: 《电脑四大核心硬件知识详解》之《CPU 知识详解》主频 [打印本页]

作者: sunweipeng 时间: 2009-7-9 09:53
标题: 《电脑四大核心硬件知识详解》之《CPU 知识详解》主频
5、主频

　　在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔，称为周期；而将在单位时间（如 1 秒）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位是 Hz（赫）。电脑中的系统时钟，就是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。频率在数学表达式中用“f”表示，其相应的单位有：

　　Hz（赫）
　　kHz（千赫）
　　MHz （兆赫）
　　GHz（吉赫）

　　其中：1GHz=1000MHz
　　　　　1MHz=1000kHz
　　　　　1KHz=1000Hz

　　计算脉冲信号周期的时间单位及相应的换算关系是：

　　s（秒）
　　ms（毫秒）
　　μs（微秒）
　　ns（纳秒）

　　其中：1s=1000ms
　　　　　1ms=1000μs
　　　　　1μs=1000ns

　　CPU 的主频，即 CPU 内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。通常所说的某某 CPU 是多少兆赫的，而这个多少兆赫，就是“CPU 的主频”。很多人认为 CPU 的主频就是其运行速度，其实不然。CPU 的主频表示在 CPU 内数字脉冲信号震荡的速度，与 CPU 实际的运算能力并没有直接关系。主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为 CPU 的运算速度还要看 CPU 的流水线的各方面的性能指标（缓存、指令集，CPU 的位数，等等）。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的 CPU 实际运算速度较低的现象。比如 AMD 公司的 AthlonXP 系列 CPU，大多都能以较低的主频，达到英特尔公司的 Pentium 4 系列 CPU 较高主频的 CPU 的性能。所以，Athlon XP 系列 CPU 才以 PR 值的方式来命名。因此，主频仅是 CPU 性能表现的一个方面，而不代表 CPU 的整体性能。

　　CPU 的主频并不代表 CPU 的速度，但提高主频对于提高 CPU 运算速度却是至关重要的。举个例子来说，假设某个 CPU 在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当 CPU 运行在 100MHz 主频时，将比它运行在 50MHz 主频时速度快一倍。因为 100MHz 的时钟周期比 50MHz 的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在 100MHz 主频的 CPU 执行一条运算指令，所需时间仅为 10ns，比工作在 50MHz 主频时的 20ns 缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。只不过电脑的整体运行速度不仅取决于 CPU 运算速度，还与其它各分系统的运行情况有关，只有在提高主频的同时，各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高时，电脑整体的运行速度，才能真正得到提高。

　　提高 CPU 工作主频，主要受到生产工艺的限制。由于 CPU 是在半导体硅片上制造的，在硅片上的元件之间需要导线进行联接，由于在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证 CPU 运算正确。因此，制造工艺的限制，是 CPU 主频发展的最大障碍之一。

作者: sunweipeng 时间: 2009-7-9 09:54
6、封装技术

　　所谓“封装技术”，是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。以 CPU 为例，我们实际看到的体积和外观，并不是真正的 CPU 内核的大小和面貌，而是 CPU 内核等元件经过封装后的产品。

　　封装对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏，还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的 PCB（印制电路板）的设计和制造，因此它是至关重要的。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件建立连接。因此，对于很多集成电路产品而言，封装技术都是非常关键的一环。

　　目前采用的 CPU 封装，多是用绝缘的塑料或陶瓷材料包装起来，能起着密封和提高芯片电热性能的作用。由于现在处理器芯片的内频越来越高，功能越来越强，引脚数越来越多，封装的外形也不断在改变。封装时，主要考虑的因素：

　　芯片面积与封装面积之比为提高封装效率，尽量接近 1:1。

　　引脚要尽量短，以减少延迟，引脚间的距离尽量远，以保证互不干扰，提高性能。

　　基于散热的要求，封装越薄越好。

　　作为计算机的重要组成部分，CPU 的性能直接影响计算机的整体性能。而 CPU 制造工艺的最后一步也是最关键一步，就是 CPU 的封装技术。采用不同封装技术的 CPU，在性能上存在较大差距。只有高品质的封装技术，才能生产出完美的 CPU 产品。

　　CPU 芯片的主要封装技术：

　　1) DIP 技术

　　DIP 封装（Dual In-line Package），也叫双列直插式封装技术。指采用双列直插形式封装的集成电路芯片。绝大多数中小规模集成电路，均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过 100。DIP 封装的 CPU 芯片，有两排引脚，需要插入到具有 DIP 结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP 封装的芯片，在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏管脚。DIP 封装结构形式有：多层陶瓷双列直插式 DIP，单层陶瓷双列直插式 DIP，引线框架式 DIP（含玻璃陶瓷封接式、塑料包封结构式、陶瓷低熔玻璃封装式）等。

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图2 DIP 封装的 8086 处理器

　　DIP 封装具有以下特点：一是适合在 PCB(印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。二是芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。

　　最早的 4004、8008、8086、8088 等 CPU 都采用了 DIP 封装，通过其上的两排引脚，可插到主板上的插槽或焊接在主板上。

　　2) QFP 技术

　　这种技术的中文含义，叫方型扁平式封装技术（Plastic Quad Flat Pockage）。该技术实现的 CPU 芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式，其引脚数一般都在 100 以上。该技术封装 CPU 时操作方便，可靠性高；而且其封装外形尺寸较小，寄生参数减小，适合高频应用；该技术主要适合用 SMT 表面安装技术在 PCB 上安装布线。

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图3 QFP 封装的 80286

　　3) PFP 技术

　　该技术的英文全称为 Plastic Flat Package，中文含义为塑料扁平组件式封装。用这种技术封装的芯片，同样也必须采用 SMD 技术将芯片与主板焊接起来。采用 SMD 安装的芯片，不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊盘。将芯片各脚对准相应的焊盘，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。该技术与上面的 QFP 技术基本相似，只是外观的封装形状不同而已。

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图4 PFP 封装的 80386

　　4) PGA 技术

　　该技术也叫插针网格阵列封装技术（Ceramic Pin Grid Arrau Package）。由这种技术封装的芯片，内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，根据管脚数目的多少，可以围成 2～5 圈。安装时，将芯片插入专门的 PGA 插座。为了使得 CPU 能够更方便的安装和拆卸，从 486 芯片开始，出现了一种 ZIF CPU 插座，专门用来满足 PGA 封装的 CPU 在安装和拆卸上的要求。该技术一般用于插拔操作比较频繁的场合之下。

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图5 早先的 80486 和 Pentium、 Pentium Pro 等 CPU 均采用 PGA 封装形式

　　5) BGA 技术

　　BGA 技术（Ball Grid Array Package）即球栅阵列封装技术。该技术的出现便成为 CPU、主板南、北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。但 BGA 封装占用基板的面积比较大。虽然该技术的 I/O 引脚数增多，但引脚之间的距离远大于 QFP，从而提高了组装成品率。而且该技术采用了可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善它的电热性能。另外，该技术的组装可用共面焊接，从而能大大提高封装的可靠性；并且由该技术实现的封装 CPU 信号传输延迟小，适应频率可以提高很大。

　　BGA 封装具有以下特点：

　　1、I/O 引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于 QFP 封装方式，提高了成品率

　　2、虽然 BGA 的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能

　　3、信号传输延迟小，适应频率大大提高

　　4、组装可用共面焊接，可靠性大大提高

作者: sunweipeng 时间: 2009-7-9 09:55
2# sunweipeng 6) OPGA 封装

　　OPGA（Organic pin grid Array，有机管脚阵列）。这种封装的基底使用的是玻璃纤维，类似印刷电路板上的材料。此种封装方式，可以降低阻抗和封装成本。OPGA 封装拉近了外部电容和处理器内核的距离，可以更好地改善内核供电和过滤电流杂波。AMD 公司的 Athlon XP 系列 CPU 大多使用此类封装。

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图6 OPGA 封装

　　7) mPGA 封装

　　mPGA，微型 PGA 封装，目前只有 AMD 公司的 Athlon 64 和英特尔公司的 Xeon（至强）系列 CPU 等少数产品所采用，而且多是些高端产品，是种先进的封装形式。

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图7

　　8) CPGA 封装

　　CPGA 也就是常说的陶瓷封装，全称为 Ceramic PGA。主要在 Thunderbird（雷鸟）核心和“Palomino”核心的 Athlon 处理器上采用。

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图8

　　9) FC-PGA 封装

　　FC-PGA 封装是反转芯片针脚栅格阵列的缩写，这种封装中有针脚插入插座。这些芯片被反转，以至片模或构成计算机芯片的处理器部分被暴露在处理器的上部。通过将片模暴露出来，使热量解决方案可直接用到片模上，这样就能实现更有效的芯片冷却。为了通过隔绝电源信号和接地信号来提高封装的性能，FC-PGA 处理器在处理器的底部的电容放置区域（处理器中心）安有离散电容和电阻。芯片底部的针脚是锯齿形排列的。此外，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式插入插座。FC-PGA 封装用于奔腾 III 和英特尔赛扬处理器，它们都使用 370 针。

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图9

　　10) FC-PGA2 封装

　　FC-PGA2 封装与 FC-PGA 封装类型很相似，除了这些处理器还具有集成式散热器(IHS)。集成式散热器是在生产时直接安装到处理器片上的。由于 IHS 与片模有很好的热接触，并且提供了更大的表面积以更好地发散热量，所以它显著地增加了热传导。FC-PGA2 封装用于奔腾 III 和英特尔赛扬处理器（370 针）和奔腾 4 处理器（478 针）。

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图10

　　11) OOI 封装

　　OOI 是 OLGA 的简写。OLGA 代表了基板栅格阵列。OLGA 芯片也使用反转芯片设计，其中处理器朝下附在基体上，实现更好的信号完整性、更有效的散热和更低的自感应。OOI 有一个集成式导热器(IHS)，能帮助散热器将热量传给正确安装的风扇散热器。OOI 用于奔腾 4 处理器，这些处理器有 423 针。

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图11

　　12) PPGA 封装

　　“PPGA”的英文全称为“Plastic Pin Grid Array”，是塑针栅格阵列的缩写。这些处理器具有插入插座的针脚。为了提高热传导性，PPGA 在处理器的顶部使用了镀镍铜质散热器。芯片底部的针脚是锯齿形排列的。此外，针脚的安排方式使得处理器只能以一种方式插入插座。

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图12

　　13) S.E.C.C. 封装

　　“S.E.C.C.”是“Single Edge Contact Cartridge”缩写，是单边接触卡盒的缩写。为了与主板连接，处理器被插入一个插槽。它不使用针脚，而是使用“金手指”触点，处理器使用这些触点来传递信号。S.E.C.C. 被一个金属壳覆盖，这个壳覆盖了整个卡盒组件的顶端。卡盒的背面是一个热材料镀层，充当了散热器。S.E.C.C. 内部，大多数处理器有一个被称为基体的印刷电路板连接处理器、二级高速缓存和总线终止电路。S.E.C.C. 封装用于有 242 个触点的英特尔奔腾 II 处理器和有 330 个触点的奔腾 II 至强和奔腾 III 至强处理器。

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图13

　　14) S.E.C.C.2 封装

　　S.E.C.C.2 封装与 S.E.C.C. 封装相似，除了 S.E.C.C.2 使用更少的保护性包装并且不含有导热镀层。S.E.C.C.2 封装用于一些较晚版本的奔腾 II 处理器和奔腾 III 处理器（242 触点）。

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图14

　　15) S.E.P. 封装

　　“S.E.P.”是“Single Edge Processor”的缩写，是单边处理器的缩写。“S.E.P.”封装类似于“S.E.C.C.”或者“S.E.C.C.2”封装，也是采用单边插入到 Slot 插槽中，以金手指与插槽接触，但是它没有全包装外壳，底板电路从处理器底部是可见的。“S.E.P.”封装应用于早期的 242 根金手指的 Intel Celeron 处理器。

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图15

　　16) PLGA 封装

　　PLGA 是 Plastic Land Grid Array 的缩写，即塑料焊盘栅格阵列封装。由于没有使用针脚，而是使用了细小的点式接口，所以 PLGA 封装明显比以前的 FC-PGA2 等封装具有更小的体积、更少的信号传输损失和更低的生产成本，可以有效提升处理器的信号强度、提升处理器频率，同时也可以提高处理器生产的良品率，降低生产成本。目前 Intel 公司 Socket 775 接口的 CPU 采用了此封装。

图16

　　17) CuPGA 封装

　　CuPGA 是 Lidded Ceramic Package Grid Array 的缩写，即有盖陶瓷栅格阵列封装。其与普通陶瓷封装最大的区别，是增加了一个顶盖，能提供更好的散热性能以及能保护 CPU 核心免受损坏。目前 AMD 64 系列 CPU 采用了此封装。

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