我们的办公和家用电脑，要用到哪些半导体芯片？

时间：2023-01-18

　　我先依据电脑架构图，画了下面这个简单的电脑芯片分布图。从图中可以看到，我们的电脑要用到很多的半导体芯片。

　　下面重点介绍几款主要的芯片。

　　1，中央处理器（CPU）

　　电脑内部最核心的部件是中央处理器，英文名称为：Central Process Unit，简称CPU。CPU是电脑中最大规模的集成电路，也是大家热捧的，技术最先进的半导体芯片。CPU主要有两种架构：一是采用复杂指令集（CISC）的x86架构；二是采用简单指令集（RISC）的ARM架构。个人电脑和服务器几乎都是使用x86架构的CPU。而ARM架构的CPU，则主要应用在手机和移动终端上。

　　CPU的制造企业

　　世界上能设计并制造 x86架构CPU 的企业并不多，英特尔是最有实力的一家。其次是AMD。他们都是美国企业。我国台湾的威盛也是x86架构CPU的生产企业，但现在已经被英特尔和AMD远远甩在后面。我国台湾还有一家DM&P，专门生产x86架构的SOC。CPU和桥做成一个芯片。我国大陆的海光和兆芯，也是x86架构CPU的生产企业。因为起步晚，又受到美国的封锁和打压，目前还是以国内市场为主。还有一些企业因为市场份额不多，在此略过。有兴趣的朋友可以在评论区留言补充说明，或者专门写一篇文章分享给大家。

　　由于英特尔一家独大，产品也特别丰富，所以，我们平常谈论CPU时，免不了总是提到英特尔的CPU。本文也不例外，经常会用英特尔CPU作为解说实例。

　　谈到英特尔CPU，就想起来著名的“摩尔定律”：每隔两年，CPU内部集成的晶体管数量就会翻一倍。这个定律在相当长的一段时间内，都是成立的。下面是我随手拍的几款CPU样品实物照片（部分图片来自网络）。

　　CPU的加工工艺

　　在CPU内部晶体管呈几何数量级增长的同时，CPU的加工工艺也在不断改进：早期的CPU采用90nm，或更落后的加工工艺。发展到酷睿第1代CPU时，采用的是45nm或65nm加工工艺；酷睿第2代CPU采用的是32nm加工工艺；酷睿第3~4代CPU采用的是22nm加工工艺；酷睿第5~11代CPU采用的是14nm加工工艺；酷睿第12代CPU采用的是英特尔7nm加工工艺。英特尔7nm工艺是英特尔当前最先进的加工工艺。

　　CPU的封装

　　一直以来，CPU的封装都在不断的改进。从 PPGA 到 FCPGA，再到 LGA。壳体从最初的又笨又重，发展到后来的小巧轻便。每一次改变，都是高效散热技术和低功耗技术进步的表现。下图从左到右分别是 PPGA、FCPGA、LGA 三种封装。

　　值得一提的是，还有一款奇葩奔腾CPU，做成插卡式，我只愿意叫它CPU模组。拆了塑料外壳的CPU如下图所示。

　　移动或嵌入式CPU则采用BGA封装形式。如下图所示。

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　　CPU的运行速度

　　以前，CPU的运行速度非常慢，CPU的频率是用MHz做单位。比如：33M，66M，133M。而且只有单个内核。现在，CPU频率是用GHz做单位。1GHz=1000MHz，速度提升了近千倍。即便这么快了，还觉得单核CPU不够快，还要用双核、4核、8核、16核的CPU。CPU的集成度是越来越高。下图中，左边的CPU是66MHz，右边的CPU是133MHz。

　　CPU的功能

　　早期的CPU，功能比较单一，主要是负责运算。下图是英特尔早期产品资料中的架构图。从图中可以看出，CPU除了与北桥芯片交换信息外，几乎没有其它功能。那时的内存管理器和显示功能，都集成在北桥芯片中。

　　后来，半导体技术越来越发达，晶体管密度可以做到更高，CPU内部集成的功能也就越来越多。现在大部分CPU都集成了GPU、内存控制器、PCIe控制器等功能。如下图所示。

　　下面是集成了GPU的CPU照片：

　　还有一种All-in-one的System On Chip芯片，简称SOC。这种芯片是把CPU、桥芯片和超级I/O功能全部集成到一颗芯片内部。如下图所示：

　　其实，很早以前就有SOC芯片，我国台湾的矽统、DM&P都曾生产过这种芯片。

　　2，桥芯片

　　在早期的电脑中，一般有两个桥芯片。分别被称为南桥和北桥。南桥的英文为South Bridge，简写作SB；北桥的英文为North Bridge，简写作NB。南桥和北桥通过PCI总线交换数据，通用性很高。因此，主板厂商在立项时，可以自主选择南桥和北桥。桥芯片可以自由搭配。即A家生产的北桥可以搭配B家生产的南桥来使用。因此，各家桥芯片生产企业之间的竞争非常激烈。呈现百家争鸣的态势。

　　当时，CPU是PPGA封装，CPU和桥芯片的制造企业之间，会分享CPU引脚定义和界面信号详细参数规格。因此，不同厂商制造的CPU也可以互换。

　　为了业绩，大厂在推销桥芯片时，就强调自家的南桥和北桥搭配起来更好用，将南桥和北桥合称为芯片组（Chipset）。旧的南桥和北桥架构如下图所示。

　　后来，Intel为了独占更多的芯片市场，不再沿用旧的架构，改用 GMCH+ICH 的架构。GMCH的完整名称为Graphics and Memory Controller Hub，ICH 的完整名称为I/O Controller Hub。英特尔虽然给新的架构取了新的名称，但因为还是两个桥芯片，许多人仍然沿用旧的称呼，将 GMCH 或 MCH 称为北桥，将 ICH 称为南桥。PCI 总线被移到 ICH 下面，南桥和北桥之间改用专门的接口信号。如下图所示。

　　再后来，英特尔又把部分北桥功能整合到CPU中，把北桥剩余的功能和南桥芯片整合成一个芯片，称为Platform Controller Hub，简称PCH。如下图所示。

　　桥芯片的生产企业

　　在旧的南北桥架构时期，生产桥芯片的企业还是比较多的。但英特尔改变架构之后，受到专利授权等因素制约，许多企业都不再生产系统芯片了，转做其它类型的芯片。百家争鸣的时代就此结束，英特尔笑到了最后。

　　英特尔在桥芯片企业中是遥遥领先的姣姣者，我国台湾的威盛、我国大陆的兆芯等也是桥芯片生产企业。但出货量都非常少。还有一些桥芯片生产企业，我因为很久没有接触了，也没时间去核实，所以不敢随意展示出来。读者如果有准确信息，欢迎在评论区留言补充说明。

　　下面是我随手拍的桥芯片样品照片（部分图片来自网络）：

　　桥芯片的封装

　　桥芯片一般是BGA封装。现在的PCH桥芯片，除了引脚，外形和CPU一样了。如下图。

　　如果是嵌入主板，CPU和桥芯片都是BGA封装，则普通用户很难一眼分辨清楚哪个是CPU，哪个是PCH。要仔细查看芯片表面的印字才行。

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　　桥芯片的功能

　　不同的PCH，其功能有所不同。现在大部分PCH都集成了PCIe总线控制器、USB控制器、SATA控制器、HDA控制器、LPC总线控制器、SATA控制器、SMBUS控制器、GPIO控制器、网络控制器等等。有些PCH还集成了部分显示功能。具体可参阅前面贴出的系统架构图或桥芯片的DATASHEET。PCH必须配合指定的CPU才能正常工作。PCH和CPU之间由专门的总线信号来通讯。

　　3，超级I/O芯片

　　超级I/O芯片的生产企业

　　早期生产超级I/O芯片的企业比较多，我国台湾的华邦是比较出名的一家，但现在华邦的超级I/O芯片比较少见。还有我国台湾的联阳半导体和精拓科技也是超级I/O芯片的生产企业。还有美国的Microchip也生产超级I/O芯片，但我比较少用到。

　　超级I/O的功能

　　超级I/O芯片的功能相对比较固定。主要是提供串口（COM）、并口（LPT）、PS/2键盘鼠标接口、看门狗（WDT）、GPIO、硬件监视（HWM）和部分开机时序的管理等功能。如下图所示。

　　超级I/O芯片的封装

　　超级I/O的封装以PQFP或近似的封装为主。下面是我随手拍的几款超级I/O芯片实物照片。

　　4，其它芯片

　　除了以上芯片，电脑中还有独立的GPU、内存芯片、HDA codec以及其它各种控制器芯片。下次如果有时间我再整理。但如果此类文章阅读量不大，表示需要了解的人不多，那我就不再浪费时间了。