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cpu-第7部分

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     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芯片的封装技术:
   DIP封装
     DIP封装(DualIn…linePackage),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。
   DIP封装具有以下特点:
   1。适合在PCB(印刷电路板)上穿孔焊接,操作方便。
   2。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。
   QFP封装
     这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术(PlasticQuadFlatPockage),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。
   QFP封装
     这种技术的中文含义叫方型扁平式封装技术(PlasticQuadFlatPockage),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。
   PFP封装
     该技术的英文全称为PlasticFlatPackage,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。
   PGA封装
     该技术也叫插针网格阵列封装技术(CeramicPinGridArrauPackage),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ZIFCPU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。
   BGA封装
     BGA技术(BallGridArrayPackage)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
   目前较为常见的封装形式:
   OPGA封装
     OPGA(OrganicpingridArray,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AthlonXP系列CPU大多使用此类封装。
   mPGA封装
     mPGA,微型PGA封装,目前只有AMD公司的Athlon64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。
   CPGA封装
   CPGA也就是常说的陶瓷封装,全称为CeramicPGA。主要在Thunderbird(雷鸟)核心和“Palomino”核心的Athlon处理器上采用。
   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。
   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)。
   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。
   PPGA封装
    “PPGA”的英文全称为“PlasticPinGridArray”,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。
   S。E。C。C。封装
     “S。E。C。C。”是“SingleEdgeContactCartridge”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起处理器、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。
   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)。
   S。E。P。封装
    “S。E。P。”是“SingleEdgeProcessor”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IntelCeleron处理器。
   PLGA封装
   PLGA是PlasticLandGridArray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Socket775接口的CPU采用了此封装。
   CuPGA封装
   CuPGA是LiddedCeramicPackageGridArray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AMD64系列CPU采用了此封装。
   超线程技术HT
     CPU生产商为了提高CPU的性能,通常做法是提高CPU的时钟频率和增加缓存容量。不过目前CPU的频率越来越快,如果再通过提升CPU频率和增加缓存的方法来提高性能,往往会受到制造工艺上的限制以及成本过高的制约。
     尽管提高CPU的时钟频率和增加缓存容量后的确可以改善性能,但这样的CPU性能提高在技术上存在较大的难度。实际上在应用中基于很多原因,CPU的执行单元都没有被充分使用。如果CPU不能正常读取数据(总线/内存的瓶颈),其执行单元利用率会明显下降。另外就是目前大多数执行线程缺乏ILP(Instruction…LevelParallelism,多种指令同时执行)支持。这些都造成了目前CPU的性能没有得到全部的发挥。因此,Intel则采用另一个思路去提高CPU的性能,让CPU可以同时执行多重线程,就能够让CPU发挥更大效率,即所谓“超线程(Hyper…Threading,简称“HT”)”技术。超线程技术就是利用特殊的硬件指令,把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片,让单个处理器都能使用线程级并行计算,进而兼容多线程操作系统和软件,减少了CPU的闲置时间,提高的CPU的运行效率。
     采用超线程及时可在同一时间里,应用程序可以使用芯片的不同部分。虽然单线程芯片每秒钟能够处理成千上万条指令,但是在任一时刻只能够对一条指令进行操作。而超线程技术可以使芯片同时进行多线程处理,使芯片性能得到提升。
     超线程技术是在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源,理论上要像两颗CPU一样在同一时间执行两个线程,P4处理器需要多加入一个LogicalCPUPointer(逻辑处理单元)。因此新一代的P4HT的die的面积比以往的P4增大了5%。而其余部分如ALU(整数运算单元)、FPU(浮点运算单元)、L2Cache(二级缓存)则保持不变,这些部分是被分享的。
     虽然采用超线程技术能同时执行两个线程,但它并不象两个真正的CPU那样,每各CPU都具有独立的资源。当两个线程都同时需要某一个资源时,其中一个要暂时停止,并让出资源,直到这些资源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等于两颗CPU的性能。
     英特尔P4超线程有两个运行模式,SingleTaskMode(单任务模式)及MultiTaskMode(多任务模式),当程序不支持Multi…Processing(多处理器作业)时,系统会停止其中一个逻辑CPU的运行,把资源集中于单个逻辑CPU中,让单线程程序不会因其中一个逻辑CPU闲置而减低性能,但由于被停止运行的逻辑CPU还是会等待工作,占用一定的资源,因此Hyper…ThreadingCPU运行SingleTaskMode程序模式时,有可能达不到不带超线程功能的CPU性能,但性能差距不会太大。也就是说,当运行单线程运用软件时,超线程技术甚至会降低系统性能,尤其在多线程操作系统运行单线程软件时容易出现此问题。
     需要注意的是,含有超线程技术的CPU需要芯片
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