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科个普:LGA、PGA?从接口看看CPU:

AM5接口的AMD Ryzen 7000系列处理器推出后,意味着全部处理器都转向了LGA接口,AM4这个末代PGA接口就此挥别,PGA再无发展可能。可能有些疑问,这些个名词又是LGA又是PGA的,究竟啥意思?
别急,今天我们就一起通过这些接口插槽来看看CPU吧!




什么是PGA?
在CPU插槽尚未发明之前,CPU是直接焊接在主板上的。因早期电脑不普及、CPU种类较少,基本无问题。后来CPU开始变得多种多样,且DIY日益兴起,为了方便CPU的拆装更换,CPU插槽应运而生。所谓PGA,其实它是一个缩写,全称为Pin Grid Array,即插针网格阵列。PGA封装一般是将集成电路(IC)焊接在一块电路板上,电路板的另一面是排列成方阵的插针,这些插针可以插入或焊接到其他电路板上对应的插座中,适合于需要频繁插拔的场合。其实,无论PGA还是LGA,都是以Socket插座形式安装的,只不过习惯上我们用Socket指代PGA罢了。一般PGA插针的间隔为1/10英寸或2.54毫米。早期的Intel Pentium处理器采用的是PGA封装(Pentium 2之前),后来的Pentium 4处理器则采用了基于PGA技术发展来的FC-PGA(反转芯片PGA)封装,但依旧属于PGA范畴。




什么是LGA?
那么,什么是LGA呢?LGA全称为Land grid array,即平面网格数组封装,是一种集成电路的表面安装技术。其特点在于其针脚是位于插座上而非集成电路上。LGA封装的芯片能被连接到印刷电路板(PCB)上或直接焊接至电路板上。与传统针脚在集成电路上的封装方式相比,可减少针脚损坏的问题并可增加脚位。
其实早在1996年,MIPS R10000和HP PA-8000处理器就已经使用LGA封装,但Intel从2004年的Pentium 4 (Prescott) 处理器才开始使用。所有Pentium D和Core 2 Duo乃至今天的所有Intel台式机处理器都使用LGA封装。从2006年第一季度开始,Intel开始在服务器领域使用LGA封装。而AMD之前只在服务器及高性能领域才使用LGA封装(如 Socket G34,LGA 1944),直到现在全新一代的Ryzen 7000系列才转换到LGA(AM5)。




插槽之演变
如果我们将处理器与普通芯片“一视同仁”,你就会发现,无论是PGA还是LGA不过是为了方便更换而生的一种插槽接口方式。对比其他很多芯片,接插、安装方式多为焊接不可更换(或者说需要专业工具)的形式,例如双列直插封装、单列直插封装(SIP)、锯齿形直插封装(ZIP)、球栅阵列封装(BGA)等等。
CPU之所以需要更换,就是为了便于用户或者厂商对处理器的升级、更替。如果从电气特性、安全性来看,BGA方式其实是非常好的选择——但是它不具备便利的可更换特性。
PGA接口的出现,极大方便了更换处理器的工作,LGA的出现则更大程度上是为了降低维修成本——针脚从处理器一侧改在主板上,别看这个小改变,PGA的针脚容易断裂、且间隔较大。另一方面,LGA具备极佳的“扩展性”,PGA则不便于容纳更多接触点。这些点位或是供电、或是信号,随着处理器的复杂程度日益加剧,PGA显然不如LGA来得好。
当然,无论是PGA还是LGA接口,在安装处理器的时候,如何将其固定就十分有讲究了。为此,针对不同的接口也有不同的固定方式。在PGA接口上,其插座为零插拔力插座,即ZIF(Zero insertion force)。它通过一个杠杆让用户拉起或推开插座,这个时候,插座内的弹簧式触点就会分开,然后将PGA接口的处理器对准放下,再将拉杆拉回到原位卡主。当插座“归位”后,接触点会闭合并且“抓紧”处理器的针脚,以此固定。
而在LGA接口上,其实也是大同小异,只不过它是通过紧固顶盖的方式固定,少了弹簧式触点而已。




你方唱罢我登场
Socket 1—Socket 31989年,Intel最著名的80486处理器登场了,与之配套的便是Socket 1插座,这个时候,处理器的针脚不过169个,对比Intel最多触点的Socket R4插座(2066个触点),几乎是12倍的差距!Socket 1也是Intel第一个标准化的处理器插座,以此为基础,Socket 1一直发展至Socket 3。这期间,CPU一直是80486一个型号,当然区分为80486 SX/DX/DX2/DX4,乃至80486 OverDrive不同的规格,针脚也一路从169个升级到237个。
Socket 4—Socket 5Socket 4至Socket 5时期,Intel推出了著名的Pentium品牌处理器,也就是通俗意义上的80586(实际上没有这个名称)。同一时期,AMD也在Socket 5上推出了AMD K5处理器——尽管性能还是要比Pentium来得差一些。在Socket 4接口上,处理器的针脚数量为273个,而到了Socket 5上,已经增加到了320个针脚,当然,不同接口下的Pentium 处理器型号、性能也在变化。
Socket 71994年正式启用的Socket 7极为经典,Intel Pentium MMX就是基于Socket 7接口的处理器产品,也正是这个时期,个人电脑在中国开始流行起来。在这个时期,最为经典的Intel 430TX芯片组主板+Pentium MMX或者AMD K6-2几乎是“标配”的组合。而且,Socket 7接口因为没有专利壁垒的制约,所以第三方处理器如雨后春笋般爆发,包括Cyrix、AMD、IDT、Rise等处理器都在使用Socket 7。这也让Intel“痛定思痛”,推出了一个非常有悖常理的Slot 1接口,以专利壁垒的形式让诸多处理器厂商就此退出赛道。但是Socket 7接口的寿命并没有随着Intel改换门庭而终结,相反,在AMD的“大力支持”下,Socket 7一直存活到了2000年——AMD在这个接口上一直持续推出处理器,包括著名的K6-2+和K6-3。
Super Socket 71998年是属于AMD的一个闪耀时代,AMD K6-2大放异彩,这也是AMD第一次有了正面抗衡Intel处理器底气的一款经典产品。AMD的处理器此前一直采用Intel的插槽,而Socket 7是AMD拥有合法授权的最后一个。Intel曾希望通过中止Socket 7发展和走向Slot 1,让其他厂商无路可走,这个时期,诸多处理器厂商都倒下了。而AMD却坚持下来,根据需要,将Socket 7升级为Super Socket 7——它以配备100 MHz FSB(前端总线),在Socket 7接口上,最高只能支持83MHz的FSB。而且,Super Socket 7还提供了对AGP总线的支持,这也是Socket 7接口上没有的。另外,Super Socket 7还向下相容Socket 7,这意味着Socket 7的处理器可以用在Super Socket 7接口的主板上,但使用Super Socket 7规格的处理器在Socket 7主板上无法全速运作(前端总线的制约)。




特殊时期的产物
Slot 1Slot 1是Intel于1997年推出的一种处理器插槽,使用P6 GTL+总线协议,它拥有242个引脚,与当时的Intel Pentium 2一同推出。Slot 1并不是一个明智的技术产物,或者说它更是为了以专利壁垒限制竞争对手的商业手段——Intel在当时声称,在Socket 7接口的处理器中无法放置二级缓存,必须从物理形式上进行改变以满足这个设计要求。然而在此之后的不久,Intel就推出了Socket 370接口,在Socket 370的Celeron 300A处理器上,128KB的二级缓存赫然在列。而且,这种金手指的设计实际上也不可能有太多的发展空间,处理器越发复杂,需要的针脚也越来越多,金手指的插槽物理尺寸限制不可能无限扩大。最终Socket 370接口全面取代了Slot 1接口,这是因为Slot 1的设计传输速率达到了极限。
Slot AIntel推出的Slot 1无疑堵住了大多数人的前进之路,不过AMD是个例外。你有Slot 1,我就弄一个Slot A!而且Slot A接口下的Athlon处理器,是历史上第一个达到1GHz的处理器产品!相比于Super Socket 7,Slot A拥有更高的总线速度,而且与之配套的处理器采用的是DEC原本为Alpha处理器开发的的EV6总线协议(服务器用),它的技术规格在当时非常先进。有趣的是,Slot A接口从外观上看和Slot 1几乎就是调转了180度,这样可以让主板生产厂商从现有市场采购所需要的接插件加以利用——当然,虽然物理形式极为接近,但是它对每个针脚(金手指)的物理定义完全不同。
Socket 370正如前文所述,Intel在转换到Slot 1接口之后不久,针对性的又推出了Socket 370接口的处理器,本意是针对OEM市场及中低端市场使用。很快,这个接口就取代了Slot 1,成为了相当时间内的主流处理器接口。所谓Socket 370,是指它的针脚达到了370个,进一步提升了密度,有趣的是,这个处理器接口和Slot 1可以实现转换——即Slot 1接口主板可以通过转接卡安装Socket 370接口的部分处理器,毕竟一段时间内它们都是使用Intel B440BX芯片组的。在Socket 370接口的处理器中,最出名的莫过于Intel Tualatin Pentium 3/Pentium 3S了,它们的性能甚至超过了部分早期的Intel Pentium 4处理器。
Socket AIntel和AMD的双雄局面就是从Slot 1/Slot A至Socket 370/Socket A阶段正式形成的。为了对抗由Slot 1到Socket 370的转变,AMD在Slot A接口之后推出了Socket A接口,或者称之为Socket 462接口。Socket A接口拥有 462个针脚,密度更进一步,它主要支持Athlon K7至Athlon XP 3200+处理器,包括历史上极为著名的Barton Athlon XP、Morgan Duron处理器,都是基于Socket A接口的产物。最重要的是,这一时期AMD的处理器性能普遍要好于同级别的Intel处理器10%以上——Intel Pentium 4这个历史上最失败的处理器拖了后腿。
Socket 423—Socket 478Intel犯错一直持续到Socket 423接口上。Socket 423的出现是为了配合Pentium 4处理器推出的,针脚数量达到了423个,目的是为了RDRAM内存数据交互和处理器的频率提升而设计。不过很快Intel就发现了一个致命错误,Willamette核心的Pentium 4处理器本意是为了高频而生,但是因为设计问题,频率始终无法突破2GHz,很快,它就被Socket 478接口的产品取代了——那些购买了Socket 423接口产品的人非常痛苦,因为它们升级的代价就是全面替换,而不是渐进升级。
Socket 478为替代Socket 423而生,初期也不是很顺利,最早的Socket 478接口主板因为设计问题不能支持533MHz前端总线,直至中期才开始完善并且最终支持到800MHz前端总线。而且,Socket 478接口时期也是Intel历史上非常黑暗的一段日子,这个接口下的Pentium 4处理器极为差劲,超高流水线、超高频率的Pentium 4处理器性能实际上非常孱弱,尤其是Prescott核心的Pentium 4处理器,性能低功耗高,发热也十分恐怖。到了2004年,LGA 775取代了Socket 478,Intel才迎来了曙光。
Socket 754—Socket 9392003年9月,AMD发布了Socket 754接口平台,用以支持Athlon 64和Sempron处理器使用,这也是首个支持64位处理器的接口平台。与后期发布的Socket 939接口平台对比,它实际是一个“不完全体”,具体表现在它支持单通道内存,HyperTransport总线带宽只有9.6GB/s,这也限制了这个平台的性能发挥,因此Socket 754接口的寿命并不长。
2004年6月,也就是Socket 754推出后不到一年的时间,AMD发布了Socket 939接口平台,它可以支持Socket 754所不能提供的双通道内存规格,并且HyperTransport总线的带宽也更大。不过你以为Socket 939很长寿吗?答案是否定的,仅仅过了不到两年时间,也就是2005年的5月,Socket 939就迅速被AM2接口取代了。




新世代LGA VS PGA 性能之争
截至目前,除了Slot 1和Slot A接口外,无一例外处理器都是使用PGA方式设计的,而在2004年,Intel推出了更为先进的LGA即LGA 775平台,就此一场PGA VS LGA的争夺战正式打响——如果以AMD的AM5作为截止符,这场“争夺持续了18年之久。LGA 775LGA 775于2004年7月发布,最初取名为Socket T,这是首个使用LGA方式的接口平台。不过这个时期,Intel的处理器性能依旧“拉胯”,Pentium 4、Pentium D、部分Prescott核心的Celeron(Celeron D)性能难以让消费者满意,直到划时代的Core 2 Duo处理器诞生,才让Intel重回性能之巅。
有趣的是,LGA 775接口平台也是最后一个拥有第三方芯片组的产物,这个时期除了Intel自己的芯片组产品外,NVIDIA还推出了支持LGA 775接口平台的nForce系列芯片组产品,SIS也拥有 SIS649/656/656FX/661FX/662/670/671FX多款产品,VIA也有VIA PM800/PT800Pro/PT894/PT894 Pro多款。最有趣的是,刚刚被AMD收购的ATI也推出了支持Intel处理器的Radeon Xpress 200 IE、RD600芯片组产品。在此之后Intel也好、AMD也罢,再也没有第三方芯片组产品了,这两家厂商形成了事实上的平台垄断。
LGA 1156—LGA 1151LGA 775接口平台的Core 2 Duo一经发布便让Intel重回巅峰,自然Intel希望凭借这个优势稳固自己的优势地位,LGA 1366和LGA 1156就此诞生。LGA 1366接口平台产品性能极为强悍,但是多用在服务器、工作站上,对普通用户而言LGA 1156更为合适,在LGA 1156接口平台上,第一次取消了南北桥设计,也就是将北桥功能集成于处理器之中,南桥则演变为PCH芯片,也就是单芯片构架,这种模式沿用至今。之后的LGA 1155更是达到了一个新高度,著名的Sandy Bridge构架处理器至今还有一些老用户在使用,可见其性能之强悍。
到了2013年,短命的LGA 1150诞生了,尤其对比后来者LGA 1151接口平台,它的寿命不过只有两年,很快就被取代了。LGA 1151接口品台于2015年推出,从Skylake到Coffee Lake,LGA 1151接口平台历经了Intel四代处理器,甚至最早的100系列芯片组可以通过“破解、修改”从第六代处理器一直支持到第九代处理器,历经5年之久。
Socket AM2—Socket AM3+在Intel LGA接口平台高歌猛进之时,AMD却陷入了麻烦,2006年AMD推出了Socket AM2接口平台,针脚数量为940个(单就数量而言只比Socket 939多了一针),与之匹配的Phenom构架系列处理器性能对比Intel同时代产品总是差强人意,也是这个时期,Intel的处理器因为领先优势代际间性能差距并不大——因为这已经足够压制AMD平台产品了。为了保持竞争力,AMD的Socket AM2至Socket AM3保持了良好的兼容性,因此设计也颇为奇特。比如到了AM3接口平台的时候,其主板的接口拥有941个针脚,但是处理器则是938个针脚,这样独特而怪异的设计应该是历史上唯二的存在。在AM2和AM3接口平台之间,还有一个过渡性的AM2+,用以平滑过渡,但是它的存在时间极为短暂,只不过是以AM2接口平台为基础,增加了对HyperTransport 3.0总线的支持,但是又不能使用DDR3,很快就被淘汰了。到了AM3+时,主板底座针脚数为942个,处理器针脚数为938个,以此来保持对AM3接口处理器的兼容。它提供了AM3接口平台没有的HyperTransport 3.1总线,并且DDR3内存规格和供电效率上改进明显。不过,这个时候的AMD处理器依旧难与Intel同时代产品竞争,可以说,这一段时期也是AMD历史上最为艰难的时刻。
Socket AM 4什么是扬眉吐气?Socket AM 4接口平台完美的诠释了这一点。早期的Socket AM 4平台几乎就是APU的天下,代号为Bristol Ridge的APU产品集成了诸多功能,用以吸引用户使用。2016年发布的Socket AM 4拥有1331个针脚,这让它的拓展性大为增加。到了2017年,隐忍了许久的AMD终于爆发了——Ryzen在此时横空出世,它让AMD再也次拥有了和Intel一较高下的本钱。时至今日,Socket AM 4横跨了四代产品,从Zen直至Zen3微构架的Ryzen处理器将Intel的同时代产品比了下去,同时,其保持了极佳的兼容性,即便是老款的Socket AM 4接口平台芯片组主板,也能对新处理器提供良好的兼容性支持。可以说,Socket AM 4接口平台功不可没。
LGA 1200—LGA 1700LGA 1200接口平台的推出,无疑现在看是一个过渡性产品,而且其配套处理器的性能并不令人满意。2020年5月发布,2021年就被LGA 1700取代了。上不能替LGA 1151,下无法与LGA 1700平滑过渡,LGA 1200接口平台虽然支持10代和11代酷睿处理器,但只是昙花一现的存在而已。LGA 1700接口平台无疑是Intel的一个翻身仗——大小核心设计、支持DDR5内存规格的12代酷睿处理器终于迎头赶上,性能提升巨大,但也正因如此,其对电压、信号等设计更加复杂,更多的针脚来定义相关规格势在必行。这也是为什么LGA 1700的触点数量一下提升了500个的根本原因。
LGA AM5Intel和AMD总是呈现螺旋式的技术竞争,不过在接口方面,AMD最终也从PGA转换到LGA了。
可以说,Socket AM4已经是PGA方式的天花板了,处理器拥有高达1331个针脚,实难再扩大面积增加针脚数量。要知道新一代Ryzen 7000系列的处理器拥有高达1718个触点,继续使用PGA模式无疑是非常困难的(除非继续增大处理器面积),无论对安装还是后期维修来说,都已经很难实现,因此必须专用AM5接口平台。之所以需要这么多的触点,是因为在Ryzen 7000系列处理器不仅要提供对DDR5的支持,同时还需要对PCI-E 5.0提供支撑,那么多的信号定义、供电定义,无论如何也是AM4接口平台那1331个针脚无法支撑的,这也是为什么AMD最终也转向了LGA的根本原因。从技术角度,LGA确实要比PGA更好,因为在有限的面积内它可以容纳更多的触点,PGA的针脚间距不可能一直缩小。而且在维修上,更换处理器底座的技术难度远远低于修复处理器针脚的难度。
如果不考虑更换升级的可能性,BGA才是最终的“王道”,例如APPLE的处理器产品,目前无一例外都采用BGA方式,这样可以充分保证足够的电气特性,同时也兼具稳定性,故障几率相比也是最低的。但是对于大多数人而言(包括我在内),可更换、升级处理器是一个必须的选项。显然,在可见的未来相当长一段时间内,LGA将是唯一的选择。



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