原创 “千足虫”进化史--从表像看CPU发展

2006-10-27 11:23 6002 0 1 分类: 工程师职场

IBM推出了一种新的存储技术,叫做千足虫。这个富有创意的名称,一下子让我想到了CPU众多的引脚。不是吗?现在CPU引脚数已经有数百个之多,不正像一个千足虫吗?那么,这样的千足虫是怎样进化而来的呢?


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显微镜下的千足虫


一、急剧增长的引脚


《西游记》中有个脚踩风火轮的挪吒,他天生有三头六臂,能够眼观六路、耳听八方,所以能耐十分出众。考察CPU的发展历程,我们不难看出,CPU引脚的数目与性能高低之间也有密切的联系——引脚越多,性能也越高


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CPU引脚逐年增加


从Intel 8008到AMD Athlon FX,引脚数由18个提高到940(增长了50倍)。引脚数量的增长只是一个表象,在其背后隐含着处理器性能的巨大变化:数据线由8位增加到64位,位宽增长了8倍,即便频率不变,数据吞吐量也将大增;地址线由20根增加到36根,内存寻址空间由原来1MB220)提高到4GB236);控制信号线增加,使处理器能够支持更大的指令集,扩展了处理器功能。从Pentium II起,增加了温度输出引脚,用于显示芯片温度,Pentium 4处理器中又增加了温度控制引脚,当核心温度超出设定的温度值时,从芯片外部发出指令让CPU降频甚至撤除时钟信号迫使CPU停止工作。


当然,在新增的CPU引脚中还有为数众多的供电引脚和接地引脚,例如LGA 775中就有250个供电引脚和273个接地脚。一个芯片为什么需要那么多的电源引脚和接地引脚呢?这个问题还是留给大家自己去思考吧。




处理器


数据线宽度


地址线宽度


8086


8-bit


20-bit


80286


16-bit


24-bit


80386SX


16-bit


24-bit


80386DX


32-bit


32-bit


80486SX


32-bit


32-bit


80486DX


32-bit


32-bit


Pentium


64-bit


32-bit


Pentium Pro


64-bit


36 bit


Pentium II


64-bit


36 bit


Pentium III


64-bit


36 bit


Pentium 4


64-bit


36 bit


 

二、千变万化的封装


在微处理器发展史上,CPU封装形式和连接方式经历了四次大的变革。芯片的封装形式历经DIPPQFPPGAFC-PGABGALGACPU与主板之间的连接方式从引脚式、卡式、针脚式发展到触点式。


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CPU封装形式的变迁


第一次变革,从焊接到主板(DIPPQFP)改为可插拔的连接方式,提高了易用性。


第二次变革,从四边连接方式(PQFPLCC)改为底板连接方式(BGAPGAFC-PGA),是为了满足I/O引脚数急剧增长的需求。此次变革所获得的另外一个好处是,减少了引线长度,提高了抗干扰性能,更适合高频率CPU


第三次变革,从socket接口变为slot接口。Pentium IIPentium IIIAMD K7处理器采用了slot接口设计:先将CPU连接到子卡上,然后子卡再通过slot插槽连接到主板。Slot插槽通过单边接触(SEC)方式与主板连接,让芯片站了起来,本来是希望借此提高散热效果,但因为在CPU与主板之间需要两次连接,降低了可靠性,得不偿失,所以从Pentium 4开始,又回到了soket这条老路上来。  


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Pentium III for Slot 1


第四次变革,是为了满足Pentium 4处理器高功耗的需求,从PGAFC-PGA的转变。FC-PGA是一种倒装芯片封装形式,将核心翻转过来,让核心与散热片紧紧地贴在一起,缩短了芯片核心与散热片的距离,减小了热阻。


从封装形式的四次变革中我们不难发现,早期的封装革新主要是为了提供更多的引脚,而后期的革新主要是为了改善芯片的性能和散热效率。Pentium 4处理器采用LGA连接方式,PGA的插针变成了一个个圆形触点,增加了接触面积,也正是基于散热方面的考虑。




处理器


年代


封装形式


散热片


散热风扇


8086


1978


DIP


No


No


80286


1982


LLC/PGA/PLCC


No


No


80386


1985


PGA


No


No


80486SX


1990


PGA


Yes on 33 MHz


No


80486DX


1989


PGA/SQFP


Yes on 33 MHz


No


Pentium


1993


PGA


Yes


Yes


Pentium Pro


1996


PGA


Yes


Yes


Pentium II


1997


SEC


Yes


Yes


Pentium III


1999


SEC/PGA


Yes


Yes


Pentium 4


2000


PGABGALGA


Yes


Yes


 


各类散热装备粉墨登场

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386之前还没有CPU散热的概念,从Intel 80486起,CPU功耗达到20W,必须加装一个散热片才能维持稳定工作。当处理器频率升至100MHz以上时,发热量快速上升,仅靠散热片这种被动散热方案已经难以招架,还必须在散热片上加装风扇进行主动散热。

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Pentium 4的强制风冷散热器


进入Pentium时代以后,“散热片+风扇”的散热方案成为CPU的标配。最新的Pentium处理器功耗突破100W,散热片的体积增加了,散热器的材质也从铝材变成了铜材,风扇扇页的尺寸加大了,风扇转速也从1000转/分以下提高到3000转以上。由于CPU功耗继续攀升,水冷散热器和热管散热器这些本来只是超频玩家的装备,现在也被引入到品牌机中了。


PS:此文来自我的书稿《通俗硬件》,版权所有,禁止复制和传播!

文章评论1条评论)

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大胆地 2006-11-8 09:27

哈哈,我也是,希望练笔真的有效果阿
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