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CPU的里里外外
www.51study.net  2004-10-28 22:48
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  CPU是中央处理单元(Central Processing Unit)的缩写,它可以被简称做微处理器(Microprocessor),不过经常被人们直接称为处理器(Processor)。不要因为这些简称而忽视它的作用,CPU是计算机的核心,其重要性好比心脏对于人一样。实际上,处理器的作用和大脑更相似,因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据,而主板芯片组则更像是心脏,它控制着数据的交换。CPU的种类决定了你使用的操作系统和相应的软件,CPU的速度决定了你的计算机有多强大,当然越快、越新的CPU会花掉你更多的钱。
  
  如今,Intel的CPU和其兼容产品统治着微型计算机——PC的大半江山,所以《CPU演义》系列文章将着重介绍这些CPU以及有关它们的制造过程、运行方式、性能、种类等知识。
  
  无论是Intel或AMD的CPU,还是你可能听说过的其他一些 CPU(比如iMac或SGI工作站所使用的CPU),它们都有很多的相似之处。
  
  CPU的核心
  
  从外表看来,CPU常常是矩形或正方形的块状物,通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。不过,你看到的不过是CPU的外衣——CPU的封装。而内部,CPU的核心是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片(其英文名称为die,核心),如图1。在这块小小的硅片上,密布着数以百万计的晶体管,它们好像大脑的神经元,相互配合协调,完成着各种复杂的运算和操作。
  
  
  图1 die就在CPU中部突起的部分
  
  硅能成为生产CPU核心的半导体材料主要是因为其分布的广泛性和价格便宜。此外,硅可以形成品质极佳的大块晶体,通过切割,得到直径8英寸甚至更大而厚度不足1毫米的圆形薄片——晶片(也叫晶圆)。一片晶片可以划分切割成许多小片,每一小片就是一块单独CPU的核心。当然,在切割之前有许多处理过程要做。
  
  Intel发布的第一颗处理器4004仅仅包含2000个晶体管,而目前最新的PⅢ处理器包含超过2000万个晶体管,集成度提高了上万倍,这可以说是当今最复杂的集成电路了。与此同时,你会发现单个CPU的核心硅片的大小丝毫没有增大,甚至变得更小了,这就要求不断地改进制造工艺以便能生产出更精细的电路结构。如今,最新的处理器采用的是0.18微米技术制造,也就是常说的0.18微米线宽。
  
  
  图2
  
  需要说明的是,线宽是指芯片上的最基本功能单元——门电路的宽度,因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同,所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集,可以降低芯片功耗,系统更稳定,CPU得以运行在更高的频率下,而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆,于是成本降低了。
  
  
  图3
  
  随着线宽的不断降低,以往芯片内部使用的铝连线的导电性能将不敷使用,未来的处理器将采用导电特性更好的铜连线,AMD在刚刚推出的K7系列的新成员——Thunderbird(雷鸟)的高频率版本中已经开始采用铜连线技术。
  
  CPU的封装
  
  在通过了几次严格的测试以后,已经置备出各种电路结构的硅片就可以送封装厂进行切割,划分成单个处理器的die并置入到封装中。封装可不仅仅是件漂亮的外衣。由于有封装的保护,处理器核心与空气隔离可以避免污染物的侵害。除此以外,良好的封装设计还有助于芯片散热。同时,它是连接处理器和主板的桥梁。
  
  
  图4
  
  封装技术也在不断发展,目前最常见的是PGA(Pin-Grid Array,针栅阵列)封装(图2是奔腾CPU有针脚一面),通常这种封装是正方形的,在中央区周围均匀的分布着三~四排甚至更多排引脚,引脚能插入主板CPU插座上对应的插孔。随着CPU总线宽度增加、功能增强,CPU的引脚数目也不断增多,同时对散热、电气特性也有更高的要求,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)。
  
  奔腾Ⅲ Coppermine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,见图3。它把以往“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。不过这并非Intel的什么创世之举,当年AMD在K6处理器中就采用了类似的技术(是从IBM买的专利),只不过由于被一块金属上盖“掩护”起来而不为人知,新Socket A系列CPU也采用的是类似技术。
  
  CPU的接口
  
  对应于不同架构的CPU,与主板连接的接口类型常各不相同。
  
  586时代最常见的是Socket 7插座,如图4。它是方形多针角零插拔力插座,插座上有一根拉杆,在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出,就可以轻易地插进或取出CPU芯片了。Socket 7插座适用于Intel Pentium、Pentium MMX、AMD K5、K6、K6-2、K6-Ⅲ、Cyrix 6X86、X86 MX、MⅡ等处理器。
  
  
  图5
  Socket 370插座(如图5)和Socket 7插座的外形差不多,只不过它有370个孔,主要适用于Intel Celeron、Coppermine及VIA Cyrix Ⅲ系列处理器。
  
  Slot 1插槽(如图6)是Intel的专利技术,它是一个狭长的242引脚的插槽,可以支持采用SEC(Single-Edge connector,单边连接器)封装技术的Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ和Celeron处理器。Intel首创的SEC封装实际上是一个固定在子卡上的PGA封装(如图7)。
  
  
  图6
  
  
  图7 这是打开的PⅡ
  
  Slot A架构是由Intel的竞争对手AMD提出的,它支持AMD Athlon处理器。从外观看,Slot A与Slot 1一样,不过它们在主板上的安装完全反向,电气指标也完全不同,不可以混淆的。
  
  目前看来,无论是Intel还是AMD都重新垂青于Socket架构,AMD Athlon家族新成员Duron和Thunderbird都采用了Socket A接口。尽管Slot架构对于Intel高端的至强(Xeon)处理器还是首选,但在未来还有多大空间却是未知。
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  AMD Athlon家族新成员Duron和T……
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