CPU處理器的基本結構

智慧型運算芯世界

CPU 是電腦的運算和控制核心,其作用堪比人的大腦。新型 CPU 已將傳統的中央處理器與顯示卡中的圖形處理單元(GPU)整合在一起,在一個 CPU 晶片中整合了多個 CPU核心以及若干個 GPU。

CPU 主要由運算器、控制器、暫存器群組、高速緩衝記憶體(Cache)和內部匯流排構成。 CPU 作為電腦的核心,負責整個電腦系統的協調、控制以及程式運行,隨著大規模積體電路技術以及微電子技術的進步,CPU 中整合的電子元件越來越多。從外部物理構造角度來看,CPU 主要由基板、內核、針腳、基板之間的填充物、散熱器裝置支撐墊等組成。

1. CPU 核心

核心(Die)又稱為核心,是 CPU 最重要的組成部分。圖 3-20(a)中 CPU 中心那塊隆起的晶片就是內核,是由單晶矽以一定的生產製程製造出來的,CPU 所有的計算、儲存指令、處理資料操作都由內核執行。

為了方便 CPU 設計、生產以及銷售管理,CPU 製造商會對各種 CPU 核心給出對應的代號,這就是所謂的 CPU 核心類型。

CPU 核心的發展趨勢:更低的電壓、更低的功耗、更先進的製造流程、整合更多的電晶體、更小的核心面積、更先進的管線架構和更多的指令集、更高的前端匯流排頻率、整合更多的功能(例如整合記憶體控制器等)以及多核心、整合圖形處理功能,與多個圖形處理單元(GPU)整合等。

2.基板

CPU 基板是承載 CPU 核心的電路板,是核心和針腳的載體。負責核心晶片和外界的通信,並決定這一顆晶片的時脈頻率,上面有電容、電阻,還有決定CPU 時脈頻率的電路橋(俗稱金手指),在基板的背面或者下沿還有用於和主機板連接的針腳或卡式介面。早期 CPU 基板採用陶瓷,新型 CPU 基板以有機物製造,能提供更好的電氣和散熱性能。

3.填充物

CPU 核心和 CPU 基板之間有填充物,作用是緩解散熱器的壓力、固定晶片和電路基板,它的優劣直接影響整個 CPU 的品質。

4. CPU 封裝

封裝是指安裝半導體積體電路晶片的外殼,CPU 封裝技術是一種將積體電路以絕緣的塑膠或陶瓷材料打包的技術。其作用為固定、密封、保護晶片和增強導熱性能。封裝還是溝通晶片內部與外部電路的橋樑:晶片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳上,這些引腳透過印刷電路板上的導線與其他裝置連接。

由於處理器晶片的工作頻率越來越高,功能越來越強,接腳數越來越多,封裝的外形也不斷在改變。封裝時主要考慮的因素如下:

(1)為提高封裝效率,晶片面積與封裝面積之比盡量接近 1 1∶ 。

(2)為減少傳輸延遲,接腳盡量短;為減少互相干擾,引腳間距盡量遠。

(3)為確保散熱,封裝越薄越好。

基於上述因素,隨著 CPU 整合度的提高以及越來越突出的散熱問題,CPU 的封裝形式也在不斷變化。從DIP、QFP、PGA、BGA 到S.E.C.C 再到LGA,晶片面積與封裝面積的比例越來越趨近於1∶1,承受的頻率越來越高,耐熱越來越好,引腳越來越多,引腳間距越來越小,重量越來越輕,可靠性越來越高,操作便宜性越來越反映人性化。

CPU 的封裝方式取決於CPU 安裝形式和裝置整合設計,從大的分類來說,採用Socket插座進行安裝的CPU 使用PGA(柵格陣列)方式封裝,而採用Slot x 槽安裝的CPU 則採用SEC(單邊接插盒)的形式封裝。現在還有 PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封裝技術。

5.介面類型

CPU 和主機板連接的介面類型主要有接腳式、卡式、針腳式、接點式等,對應主機板上有對應的插槽(Slot)或插座(Socket)。

Slot 介面(也稱為卡式介面)的 CPU 外觀像常見的各種擴充卡(顯示卡、音效卡、網卡等),豎立插到主機板上,當然主機板上必須有對應 Slot 插槽。

Socket 介面的 CPU 有數百(千)個針腳或接點一一對應插在主機板的 CPU 插座上。 CPU 的介面和主機板插座必須完全吻合。例如,Slot 1 介面的 CPU 只能安裝在具備 Slot 1 插槽的主機板上,Socket 478 介面的 CPU 只能安裝在具備 Socket 478 插座的主機板上。

注意:介面類型不同,金手指數、插針數或接點數以及接點的佈局、形狀等就不同,不能互相接插。
本文來自“精華:CPU中央處理器技術”