CPU的里里外外

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)。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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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，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Ⅲcoppermine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。
　　socket 370插座和socket 7插座的外形差不多，只不过它有370个孔，主要适用于intel celer cyrixⅢ系列处理器。
　　slot 1插槽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 c
　　slot a架构是由intel的竞争对手amd提出的，它支持amd athl 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 athl 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。