E X P
本文约 2870 字,26 张图表,正拼命加载…
  • 编辑
  • 评论
  • 标题
  • 链接
  • 查错
  • 图文
  • 拼 命 加 载 中 ...

    如今台式机CPU我们普遍都不能直接看到芯片的样子,会有一个金属的盖子在上面包裹着,这就是CPU的顶盖。它是有一个正式的名称的,叫做集成散热器(Integrated Heat Spreader),简称IHS,最主要作用是帮助CPU散热的。

    现在的CPU芯片(Die)的晶体管密度都非常高,小小的一颗芯片有着数以亿计的晶体管,表面积很小但发热量却很大,如何有效地把热量传导出去是一个很大的学问。另外硕大的散热器(台式机)直接安装在芯片上,对芯片施加的压力过大,容易造成电路板(PCB)变形,影响正常使用,CPU顶盖可以有效保护及分摊压力。

    CPU顶盖的发展变化与CPU的封装及散热器也是有密切关系的,它们一起确保了CPU性能的充分发挥,有效地解决CPU运行中存在的积热问题。

    接下来会以英特尔的CPU为主线,带大家一起看看CPU顶盖的发展变化过程。

    1971年-1988年

    早期的处理器结构还相对简单,晶体管数量不多,发热量也不大,陶瓷的顶盖上也不需要额外的辅助散热。

    英特尔最早的4004、8008、8086、8088等CPU都采用了DIP封装,通过CPU的两边的引脚可插到主板上的插槽或焊接在主板上。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。

    到了80286,80386时期,CPU顶盖大多仍是陶瓷材质,也有个别CPU的顶盖是采用塑料材质。随着处理器结构变得越来越复杂,晶体管数量的增多,封装方式的改变也使得CPU顶盖的面积变大了,不过仍然不需要额外辅助散热。

    这时期CPU一般采用了QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装。CPU芯片引脚之间距离很小,管脚很细,可以从四周引出,其引脚数一般都在100以上。QFP与PFP基本相同,前者一般是正方形,后者可以是长方形。这期间也开始有处理器使用PGA封装方式了。

    1989年-1996年

    这段时间集成电路的飞速发展,让处理器从内到外都发生了比较大的变化,即便英特尔的80486系列处理器前前后后就有各种不同封装和形态。

    到后来,原有的陶瓷顶盖变得不能完全满足散热的需要了,CPU顶盖上出现了被动散热片的身影。

    PGA封装方式开始更大规模应用,最显然易见的变化是,处理器的针脚不只有一圈,方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列,可以围成数圈。还出现了CPU的专用插座,来满足PGA封装的CPU安装和拆卸的要求,用于金属针脚的插座雏形就出现了。

    到了Pentium处理器的时候,英特尔在部分型号的CPU上使用了金属顶盖加强散热,一般使用的是材质是铜,所以看起来金灿灿的。这种处理器数量并不多,而且大多数是向OEM厂商供应。

    还有部分Pentium处理器使用了PPGA封装,英文全称为“Plastic Pin Grid Array”,是塑针栅格阵列的缩写。这些处理器除了有插入插座的针脚,为了提高热传导性,CPU顶盖使用了镀镍铜质的金属,同时芯片底部的针脚是锯齿形排列的。针脚的排列方式使得处理器只能以一种方式插入插座,外表上来说,和今天我们看到的处理器已经比较接近了。

    Pentium处理器和80486系列处理器一样,有各种不同封装和形态,来满足特定客户或用途的需要,比较杂乱繁多。

    在Pentium MMX/Pro处理器时期,金属顶盖开始普及,看到陶瓷顶盖的机会越来越少了。

    在这期间,英特尔为了一些老用户平台升级方便,推出了Pentium OverDrive升级套件(80486/Pentium/Pentium II处理器都有类似的升级套件),直接把散热器及风扇作为了处理器的顶盖,而有的风扇甚至是从处理器插座中取电,所以不会看到风扇的电线。

    这个时期CPU整个形态变化会比较大,发展速度比较快,使用多年的陶瓷顶盖要被淘汰了。

    1997年-1999年

    “S.E.C.C.”全称“Single Edge Contact Cartridge”,是单边接触卡盒的缩写,处理器通过插入一个插槽与主板相连。使用的不是针脚,而是使用“金手指”触点,处理器通过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。(当时二级缓存并不集成在Die里面)

    S.E.C.C.2 封装与 S.E.C.C. 封装相似,但S.E.C.C.2 使用更少的保护性包装并且不含有导热镀层。

    这段时期的大部分Pentium II、早期的Pentium III、Pentium II Xeon、Pentium III Xeon系列处理器使用的这种像游戏卡带的插座(Slot1/Slot2插槽),封装特殊的结构造就了一个非常特别的由芯片、其附属电路和散热器结合而成的处理器顶盖。包括AMD早期的K7处理器,也是相似的结构。

    这是出于英特尔对垄断考虑,及集成电路制造工艺限制造成的。这种庞大且复杂的方式显然不能长久,当突破了技术的瓶颈,CPU的顶盖突然又走到了另一个极端:没有了。

    Pentium III处理器由Katmai核心变成Coppermine核心的时候,Pentium III的样子发生了翻天覆地的变化,就好像是完全不同的新产品。除了重回插座(Socket 370插座),使用了FC-PGA封装,整个Die裸露在外,完全没有了顶盖。

    这种结构很直接,一定程度上也有利于散热(参照近几年的开盖),但事实上相对容易把Die压坏。同时随着晶体管密度更高,积热情况也更严重,如何更有效让积热散去成了另外一个问题。AMD很快也跟进了,在桌面级别处理器上使用类似方式的时间比英特尔还更长一些。

    在这个时期处理器顶盖已经在设计上迎合了主动散热的需要。

    2000年-2004年

    英特尔在早期使用Socket 423插座,Willamette核心的Pentium 4处理器上做了一个大胆的尝试,采用了OOI封装。这种方式使用了反转芯片设计,其中Die朝下附在基体上,实现更好的信号完整性、更有效的散热,同时开始使用了集成式散热器器 (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Die之间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,所以显著地增加了热传导。

    Pentium III处理器再一次成为了小白鼠,也造就了一代名作Tualatin(图拉丁)核心。Coppermine-T核心和Tualatin核心的Pentium III处理器上也相继使用了我们现在很熟悉的集成式散热器 (IHS),包括使用Socket 478插座的Pentium 4处理器,都采用了这种被称为FC-PGA2的封装方式。

    这种处理器顶盖的结构离我们现在的认知更近了一步。

    2004年-2008年

    这时期英特尔处理器转向了LGA 775插座,而处理器使用了PLGA封装,这是“Plastic Land Grid Array”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。

    随着底座改成触点式,这时期处理器顶盖已经和我们现在的结构趋于一致了。

    2009年至今

    LGA 115X插座开始,处理器顶盖从外观上看,基本变化不大,结构也差不多,一直沿用至今。实际上细微的差别和变化是存在的。

    例如处理器顶盖有采用圆角的(上图),也有直角的(下图),但更多的只是不同晶圆厂生产线或批次不同造成的。

    现在新款处理器上的PCB板在不知不觉中变得越来越薄,如果没有放一起比较,大概很多人都不会发现,摆一起这种变化就很明显了。

    前些年一直有讨论关于英特尔为何不再使用钎焊,事实上越来越小的芯片面积和越来越薄的电路板(PCB)是主要原因,会使得钎焊难度加大。

    不过近两代的酷睿由于发热量增大,英特尔重新使用了钎焊工艺顶盖,以金属材料代替硅脂后,热传导的效率大大提升,有助于CPU更好、更稳定的性能表现。

    资料参考和图片引用

    CPU World

    CPU-Zone

    Mynikko

    英特尔官网

    Semantic Scholar

    ×
    热门文章
    1NVIDIA、AMD主流显卡视频生产力测试:RTX Studio生态 VS 通用型OpenCL
    2CES 2021焦点回顾:移动平台闪光,显示技术诱人
    3Tanchjim正式发售Darling耳机:直插式设计,一圈两铁组合
    4英特尔或将推迟生产外包的决定,需等待新CEO上任后再定夺
    5华硕发布GeForce GTX 1660 SUPER ZAKU II版显卡,红色彗星的降临
    6NVIDIA公布支持Reflex低延迟技术的鼠标清单,首批共11款
    7NVIDIA悄悄修改了G-Sync Ultimate认证部分要求,HDR要求大幅降低
    8华硕放出GPU Tweak III开放测试版本:UI界面大优化,使用更方便
    9华硕ROG Phone 4获得3C认证,配备16GB内存
    已有 15 条评论,共 68 人参与。
    登录快速注册 后发表评论
    • zzj19870715博士 2020-12-26 13:01    |  加入黑名单

      Elwin 一代宗师

      不用钎焊主要是因为pcb变薄,过回流焊炉时导致pcb弯曲的几率增加,影响成品质量。所以在硅脂产品里所用的顶盖相对也要薄一些,外框边角有明显的弧形内凹。

      从coffeelake开始的软钎焊是个折中方案,其实效果并不如开盖液金。

      我比较迷惑的是,gpu自R300首次使用BGA封装之后,所使用的金属边框保护方案其实就非常好,为什么cpu就不能用?另外nvidia也喜欢给自家gpu用顶盖加硅脂,Fermi一代从gf104往上都是,这又是为什么。而gt200,g80,乃至更早的nv35,nv31都是钎焊,中间的nv36,g92,gf106等反而是类似ATI,更加实用的金属边框保护裸芯方案。这都是怎么想的。
      2020-12-24 21:30 已有2次举报
    • 支持(11)  |   反对(1)  |   举报  |   回复
    • 那么为什么要将PCB变薄呢?

      支持(2)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      15#

    • 我匿名了  2020-12-26 01:08

      Elwin 一代宗师

      最大的区别,笔记本是贴片焊接,台机是soket插槽。当然,显卡和笔记本一样也是贴片。但这不是说soket就不能露核心了,以前不是没有,只要在p3/k7的基础上做一圈保护边就可以解决问题嘛,还能中间少一个媒介。如果还不放心,担心散热器底部面积有大有小,可以参考7970那样的内外圈护片。

      虽说封装成本上去了点,但是也省了粘顶盖,填充散热介质的问题,相信总体成本会更低
      2020-12-25 23:29
    • 支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复
    • 笑了要是CPU现在没顶盖那么标识放哪里贴,GPU金属边框方案是中小核心适用AMD一直小核心方案,NV属于大核心不是金属顶盖就得全裸露。

      支持(0)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      14#

    • Elwin一代宗师 2020-12-25 23:29    |  加入黑名单

      wqxhrl 研究生

      我知道他的意思啊,所以我也说了笔记本CPU也是无顶盖的,但是台式机的CPU主板和散热是分开卖的。
      2020-12-25 12:32
    • 支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复
    • 最大的区别,笔记本是贴片焊接,台机是soket插槽。当然,显卡和笔记本一样也是贴片。但这不是说soket就不能露核心了,以前不是没有,只要在p3/k7的基础上做一圈保护边就可以解决问题嘛,还能中间少一个媒介。如果还不放心,担心散热器底部面积有大有小,可以参考7970那样的内外圈护片。

      虽说封装成本上去了点,但是也省了粘顶盖,填充散热介质的问题,相信总体成本会更低

      支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      13#

    • yjhercules终极杀人王 2020-12-25 21:50    |  加入黑名单

      Elwin 一代宗师

      intel的铜矿和amd k7都是完全裸漏,k7还加了四个脚垫,铜矿核心压根任何防护措施都没有,而且soket370和462都是两点式卡扣,比现在四点式更容易损坏。无论从哪方面看,2000年那时候都比现在风险大得多,但是实际操作上损坏cpu的人没几个,而且即便核心被磕掉一点点边使用起来也没有任何问题。
      2020-12-25 18:59
    • 支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复
    • 这个我知道,amd的 k7 很硬和脆 而die 高一些
      但是 INETL 的370 很薄而且有韧性
      我所知道并不是370没有压坏的
      只不过当时 扣具压力大的散热器是有
      一量370上了这种散热,不注意也会压片,但是由于有韧性 不会压碎,但是明显能看到裂纹
      而amd k7 就是直接压碎边角
      同样k7 要重 。370要轻
      因为基板不同,

      已有5次举报

      支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      12#

    • QQ23870862终极杀人王 2020-12-25 20:15    |  加入黑名单

      90年后的都见过

      已有2次举报

      支持(0)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      11#

    • zhaoyun980博士 2020-12-25 19:25    |  加入黑名单

      又没见我AMD的U粗线

      支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      10#

    • Elwin一代宗师 2020-12-25 18:59    |  加入黑名单

      quitsky 高中生

      可能存在一個原因:顯卡和筆記本是在工廠裡面生產的,也只需要適配少數幾種散熱器,那麼就可以通過生產工藝的要求和專用工具設備等手段來避免安裝散熱器時壓力過大或者過小。但是DIY玩家手裡的CPU散熱器千奇百怪,不一定都有這些生產手段,甚至裝機店都不一定有,那就只能是採取更保守的方法來避免核芯損壞。
      2020-12-25 09:55
    • 支持(8)  |   反对(0)  |   举报  |   回复
    • intel的铜矿和amd k7都是完全裸漏,k7还加了四个脚垫,铜矿核心压根任何防护措施都没有,而且soket370和462都是两点式卡扣,比现在四点式更容易损坏。无论从哪方面看,2000年那时候都比现在风险大得多,但是实际操作上损坏cpu的人没几个,而且即便核心被磕掉一点点边使用起来也没有任何问题。

      支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      9#

    • 拾人牙慧教授 2020-12-25 13:05    |  加入黑名单

      wqxhrl 研究生

      我知道他的意思啊,所以我也说了笔记本CPU也是无顶盖的,但是台式机的CPU主板和散热是分开卖的。
      2020-12-25 12:32
    • 支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复
    • 主要讨论的是金属边框问题,而不是裸露问题和分开卖的问题。
      笔记本和台式机的CPU都没有采用金属边框保护的设计。
      这种金属边框保护只用在GPU上,CPU完全没用过。

      支持(3)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      8#

    • wqxhrl研究生 2020-12-25 12:32    |  加入黑名单

      拾人牙慧 教授

      他的意思是,显卡核心其实并不是裸露的,有金属边框保护,金属边框就相当于一个,没有顶部金属板的顶盖。
      顶盖的根本目的是为了保护Die不被压坏,既然如此,为什么不推广使用这种散热和保护兼顾的“GPU式顶盖”呢
      2020-12-25 08:47
    • 支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复
    • 我知道他的意思啊,所以我也说了笔记本CPU也是无顶盖的,但是台式机的CPU主板和散热是分开卖的。

      支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      7#

    • quitsky高中生 2020-12-25 09:55    |  加入黑名单

      拾人牙慧 教授

      他的意思是,显卡核心其实并不是裸露的,有金属边框保护,金属边框就相当于一个,没有顶部金属板的顶盖。
      顶盖的根本目的是为了保护Die不被压坏,既然如此,为什么不推广使用这种散热和保护兼顾的“GPU式顶盖”呢
      2020-12-25 08:47
    • 支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复
    • 可能存在一個原因:顯卡和筆記本是在工廠裡面生產的,也只需要適配少數幾種散熱器,那麼就可以通過生產工藝的要求和專用工具設備等手段來避免安裝散熱器時壓力過大或者過小。但是DIY玩家手裡的CPU散熱器千奇百怪,不一定都有這些生產手段,甚至裝機店都不一定有,那就只能是採取更保守的方法來避免核芯損壞。

      支持(8)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      6#

    • 拾人牙慧教授 2020-12-25 08:47    |  加入黑名单

      wqxhrl 研究生

      毕竟显卡从一开始就是显卡板、核心、散热器组装在一起销售的,CPU如果做不到这点吧。能做到的比如笔记本的CPU,核心就是裸露的。
      2020-12-24 23:50
    • 支持(5)  |   反对(0)  |   举报  |   回复
    • 他的意思是,显卡核心其实并不是裸露的,有金属边框保护,金属边框就相当于一个,没有顶部金属板的顶盖。
      顶盖的根本目的是为了保护Die不被压坏,既然如此,为什么不推广使用这种散热和保护兼顾的“GPU式顶盖”呢

      支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      5#

    • 拾人牙慧教授 2020-12-25 08:44    |  加入黑名单

      Elwin 一代宗师

      不用钎焊主要是因为pcb变薄,过回流焊炉时导致pcb弯曲的几率增加,影响成品质量。所以在硅脂产品里所用的顶盖相对也要薄一些,外框边角有明显的弧形内凹。

      从coffeelake开始的软钎焊是个折中方案,其实效果并不如开盖液金。

      我比较迷惑的是,gpu自R300首次使用BGA封装之后,所使用的金属边框保护方案其实就非常好,为什么cpu就不能用?另外nvidia也喜欢给自家gpu用顶盖加硅脂,Fermi一代从gf104往上都是,这又是为什么。而gt200,g80,乃至更早的nv35,nv31都是钎焊,中间的nv36,g92,gf106等反而是类似ATI,更加实用的金属边框保护裸芯方案。这都是怎么想的。
      2020-12-24 21:30 已有2次举报
    • 支持(11)  |   反对(1)  |   举报  |   回复
    • PCB变薄的话,可以加入几层没有用的PCB,来增加厚度,增加强度吗?

      支持(1)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      4#

    • wqxhrl研究生 2020-12-24 23:50    |  加入黑名单

      Elwin 一代宗师

      不用钎焊主要是因为pcb变薄,过回流焊炉时导致pcb弯曲的几率增加,影响成品质量。所以在硅脂产品里所用的顶盖相对也要薄一些,外框边角有明显的弧形内凹。

      从coffeelake开始的软钎焊是个折中方案,其实效果并不如开盖液金。

      我比较迷惑的是,gpu自R300首次使用BGA封装之后,所使用的金属边框保护方案其实就非常好,为什么cpu就不能用?另外nvidia也喜欢给自家gpu用顶盖加硅脂,Fermi一代从gf104往上都是,这又是为什么。而gt200,g80,乃至更早的nv35,nv31都是钎焊,中间的nv36,g92,gf106等反而是类似ATI,更加实用的金属边框保护裸芯方案。这都是怎么想的。
      2020-12-24 21:30 已有2次举报
    • 支持(11)  |   反对(1)  |   举报  |   回复
    • 毕竟显卡从一开始就是显卡板、核心、散热器组装在一起销售的,CPU如果做不到这点吧。能做到的比如笔记本的CPU,核心就是裸露的。

      支持(5)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      3#

    • yjherculesss研究生 2020-12-24 21:37    |  加入黑名单

      大制作

      已有1次举报

      支持(6)  |   反对(0)  |   举报  |   回复

      2#

    • Elwin一代宗师 2020-12-24 21:30    |  加入黑名单

      不用钎焊主要是因为pcb变薄,过回流焊炉时导致pcb弯曲的几率增加,影响成品质量。所以在硅脂产品里所用的顶盖相对也要薄一些,外框边角有明显的弧形内凹。

      从coffeelake开始的软钎焊是个折中方案,其实效果并不如开盖液金。

      我比较迷惑的是,gpu自R300首次使用BGA封装之后,所使用的金属边框保护方案其实就非常好,为什么cpu就不能用?另外nvidia也喜欢给自家gpu用顶盖加硅脂,Fermi一代从gf104往上都是,这又是为什么。而gt200,g80,乃至更早的nv35,nv31都是钎焊,中间的nv36,g92,gf106等反而是类似ATI,更加实用的金属边框保护裸芯方案。这都是怎么想的。

      已有2次举报

      支持(11)  |   反对(1)  |   举报  |   回复

      1#

    登录 后发表评论,若无帐号可 快速注册 ,请留意 评论奖罚说明
    为你推荐