Казалось, корпус — это просто

В ноябре 1971 г. малоизвестная тогда компания Intel выпустила первый процессор — 4004, содержащий 2300 транзисторов. Микросхема позволяла выполнять ряд арифметических преобразований и нашла основное применение в калькуляторах. Чуть позже, в апреле 1972 г., был представлен чип 8008, который, помимо калькуляторов, использовался в автоматах по разливу воды и терминалах ввода-вывода. Обе микросхемы производились по технологии 10 мкм и выпускались в традиционных керамических корпусах типа DIP (dual-in-line packages).

В таких корпусах прямоугольной формы контакты располагались вдоль двух больших сторон и припаивались непосредственно к монтажной плате. Этот тип корпуса, являясь одним из самых простейших, применялся для большинства выпускаемых в то время микросхем, да и по сей день широко используется в электронике. Универсальность, простота изготовления и надежность позволили DIP-корпусам стать в 70-х годах своего рода стандартом де-факто для упаковки микросхем.

В те времена основная роль корпусов заключалась в защите ядра процессора от внешних воздействий и в организации контактов ввода-вывода. Невысокий уровень интеграции и относительная конструктивная простота тогдашних процессоров позволили Intel использовать для своих первых процессоров DIP-корпуса. Однако с каждой новой моделью процессоров Intel делала значительный шаг в сторону их усложнения — повышались интеграция и тактовые частоты, увеличивалось число внешних контактов.

В апреле 1974 г. был представлен процессор 8080, работающий на тактовой частоте 2 МГц и содержащий 6000 транзисторов, причем количество микросхем его поддержки было снижено с 20 (у 8008-го) до 6. Новый чип использовался в компьютерах Altair, во многом обеспечив их популярность. Затем, после нескольких промежуточных моделей, в июне 1979 г. Intel выпустила новый микрочип, ориентированный именно на применение в компьютерах — 8088. Он содержал уже 29000 транзисторов и работал в зависимости от модификации на частоте 5 или 8 МГц. Именно этот процессор стала устанавливать в свои персональные компьютеры корпорация IBM.
Следующее знаменательное событие произошло в феврале 1982 г. Какая тогда стояла погода, пожалуй, мало кто и помнит, но можно не сомневаться, что настроение у сотрудников компании Intel, названной «одним из триумфаторов мира бизнеса семидесятых годов» , было лучше некуда, тем более что в то время слово из трех букв (AMD) еще казалось им совсем безобидным. Увидел свет новейший микропроцессор Intel 80286, который выпускался в трех модификациях: 6, 10 и 12 МГц. В октябре 1985 г. Intel представила еще более мощный, уже 32-разрядный, микропроцессор Intel 386DX. Он выпускался в четырех модификациях: 16, 20, 25 и 33 МГц. По сравнению со своим предшественником он был гораздо сложнее и имел новую архитектуру. Так, если 80286 содержал 134 млн транзисторов, то Intel 386DX — уже 275 млн. Естественно, что старый DIP-корпус уже не годился для новых микропроцессоров. Было принято решение отказаться от этого стандарта в пользу более прогрессивного решения. Новый корпус должен был отличаться от DIP рядом значимых параметров: необходимо было решить проблему размещения большого количества контактов ввода-вывода на ограниченной площади и свести к минимуму влияние взаимных электрических наводок, проявляющихся при повышении тактовых частот микропроцессоров. Сначала DIP-корпуса были заменены корпусами PQFP (Plastic Quad Flat Package), в которые заключалось большинство процессоров 386.

В этих плоских пластмассовых корпусах четырехугольной формы контакты располагались уже с каждой стороны. Такое решение позволило на какое-то время снять проблемы с организацией контактов, число которых у новых микропроцессоров возросло по сравнению с «простыми» микросхемами. Однако проблема наводок, обусловленных повышением тактовых частот, все равно оставалась нерешенной. Еще одним недостатком данного конструктива был способ установки микропроцессора на материнскую плату. Процессоры в данном корпусе монтировались непосредственно на материнской плате путем впаивания, что зачастую заметно ограничивало возможности производителей компьютеров и комплектующих. В связи с этим при производстве микропроцессора i386DX Intel начала применять еще один новый тип корпуса — CPGA (Ceramic Pin Grid Array), который стал первым опытом компании в использовании многослойных керамических корпусов. Переход на стандарт PGA, который, пережив множество внутренних преобразований, используется для корпусировки микропроцессоров и по сей день, на тот момент помог решить все насущные проблемы. В новом корпусе штырьковые контакты (а их число могло быть большим, чем у DIP- и PQFP- корпусов) располагались на нижней стороне и позволяли монтировать микропроцессор на материнской плате в специальный разъем, получивший название Socket. Таким образом, отпадала необходимость в пайке, что, с одной стороны, снижало расходы на производство материнских плат, а с другой — облегчало ремонт и модернизацию компьютеров. Забегая вперед, замечу, что другим опытом по применению разъема типа Socket стал выпуск процессора 486 в корпусе SQFP (Shrink Quad Flat Package). У этого внешне похожего на PQFP корпуса контакты также располагались с четырех сторон, но были подогнуты под нижнюю часть корпуса. Стандарт SQFP позволял монтировать микропроцессор как непосредственно на плате, так и через Socket-разъем. Правда, особого распространения данный тип корпуса так и не получил — большинство процессоров 486 производилось в PGA-корпусах.

Использование новой PGA-корпусировки решало проблемы паразитных шумов и наводок, т.е. корпус перестал играть лишь защитную роль и постепенно становился важной частью самого микропроцессора. Корпус CPGA стал стандартным для вышедшего в апреле 1989 г. микропроцессора i486DX. Этот новый процессор Intel содержал уже 1,2 млн транзисторов и выполнялся по технологии 1 мкм, а процессоры с тактовой частотой 50 МГц и выше изготавливались уже по 0,8-микронной технологии.

i486DX стал первым процессором, содержащим блок математического сопроцессора, который значительно увеличил скорость выполнения сложных расчетов. Он оставался фаворитом рынка процессоров для ПК вплоть до 1994 г., когда был представлен микропроцессор Intel 486DX4. Самая старшая его модель с тактовой частотой100 МГц содержала 1,6 млн транзисторов (технология 0,6 мкм). В это время обозначились и основные конкуренты Intel на микропроцессорном рынке — AMD, Cyrix и UMC. Процессоры их производства порой превосходили по ряду характеристик интеловские и были совместимы с ними по контактам.

Уже в то время Intel увидела тот большой потенциал, который таил в себе рынок портативных компьютерных систем. В 1990 г. она выпустила i386SL (EX), а в 1992 г. — i486SL (ULP) с пониженным энергопотреблением. Эти процессоры были разработаны специально для использования в ноутбуках, поэтому применение обычных процессорных корпусов, таких как PGA или PQFP, порождало определенные проблемы, в связи с чем было решено наряду с ними использовать новый тип корпусов — TQFP (Thin Quad Flat Package), отличающийся от PQFP малыми размерами. Габариты процессора i486 SL, заключенного в 176-контактный TQFP-корпус, составляли всего 25,4 x 25,4 x 1,5 мм. С тех пор корпусировка мобильных процессоров компании Intel стала отличаться от той, что используется в процессорах для настольных систем.

Socket — первое пришествие

Технический прогресс не стоял на месте, и уже в 1993 г. Intel объявляет о выпуске первого процессора пятого поколения, получившего название Pentium, с тактовыми частотами 60 и 66 МГц. Несмотря на все эволюционные отличия и суперскалярную архитектуру, новые процессоры унаследовали от своих предшественников тип корпусировки — PGA. Intel Pentium 60 МГц содержал более 3 млн транзисторов и выпускался по 0,8-микронной BiCMOS-технологии в 273-штырьковом квадратном PGA-корпусе со стороной 5,49 см. Для установки данных процессоров был предложен новый процессорный разъем — Socket 5. Все последующие процессоры Pentium также заключались в PGA-корпуса, однако, начиная с Intel Pentium 75 МГц, модели семейства Pentium (P54C) и Pentium MMX (P55C) выпускались в 296-штырьковом PGA-корпусе для разъема Socket 7.

Постепенно керамические CPGA-корпуса стали сдавать свои позиции разработанным в 1993 г. корпусам PPGA (Plastic Pin Grid Array), которые обладали улучшенными электрическими характеристиками и успешнее справлялись с большой рассеиваемой мощностью новых процессоров. Для внутренней разводки от кристалла к контактам в этих корпусах стало возможным использовать не обладающий высоким сопротивлением вольфрам, а один из лучших проводников —медь. Новые процессоры обладали не только повышенной производительностью, но и повышенным энергопотреблением. Соответственно они рассеивали больше тепла, что заставило разработчиков задуматься об эффективном охлаждении. Эта задача была решена добавлением в пластиковый процессорный корпус PPGA специальной теплоотводящей области, с которой при установке контактировал кулер процессора. Такое достаточно эффективное решение, тем не менее, привело к некоторому повышению себестоимости производства самого процессора. Сам же пластиковый PGA-корпус стал основным для процессоров Pentium и Pentium MMX, предназначенных для настольных компьютеров.

Для мобильных версий процессоров Pentium, а это Mobile Pentium 75 МГц и Mobile Pentium MMX 200, 233 и 266 МГц, Intel использовала специальный 320-контактный корпус TCP (Lead Tape Carrier Package). Контакты в нем были выполнены в виде 48-мм ленты с проводниками, причем расстояние между соседними проводниками составляло всего 0,25 мм. Микропроцессор в таком корпусе устанавливался на материнскую плату методом поверхностного монтажа. Преимущества корпусов этого типа по сравнению с применяемыми ранее TQFP-корпусами заключались в возможности использования большего количества контактов при малой площади чипа, а также более высокой электрической стабильности и лучших температурных и механических характеристиках.

В 1995 г. Intel анонсировала шестое поколение своих процессоров. Первым его представителем стал Pentium Pro, удививший всех своей выдающейся производительностью и не менее выдающейся ценой. Высокая производительность обеспечивалась в первую очередь введенным в корпус процессора кэшем второго уровня, причем работающим на полной частоте ядра процессора. Как известно, кэш-память является дорогостоящим и сложным компонентом, и перенос кэша в корпус процессора повлек за собой значительное удорожание последнего. Кэш второго уровня, выполненный на отдельном кристалле, помещался внутри корпуса процессора, но не внутри ядра, и сложность процесса сборки и тестирования заметно сказывалась на себестоимости. Процессор Pentium Pro выпускался в 387-контактном корпусе Dual Cavity Pin Grid Array Package, по сути являвшемся тем же PPGA, который пришлось модифицировать с учетом того, что теперь в корпусе размещался не только кристалл процессора, но и микросхемы кэш-памяти второго уровня. Степень сложности самого процессора и степень интеграции его компонентов заставили пересмотреть мнение о функциях процессорного корпуса. В новом процессоре корпус несет не меньшую функциональную нагрузку, чем любой другой компонент. Так, помимо выполнения защитных функций корпус выступает в качестве «интерфейса» между процессором и системной шиной, а также между процессором и кэш-памятью второго уровня. Соответственно от термических и электрических параметров корпуса (материалов, из которых он сделан) в немалой степени зависят характеристики процессора в целом. Ну и конечно, остается очень актуальной задача отведения тепла от кристалла процессора. При производстве Pentium Pro все эти проблемы были сняты, но цена полученного решения оказалась достаточно высокой.

Эпоха компромиссов и открытий

При разработке нового процессора шестого поколения был учтен опыт Pentium Pro — Pentium II вышел уже в совершенно новом конструктиве. В новом процессоре Pentium II 233 МГц, представленном в мае 1997 г., ядро процессора и кэш-память второго уровня были разнесены по отдельным корпусам. Процессорное ядро было реализовано в виде отдельного кристалла с использованием PLGA (Plastic Land Grid Array) и имело жесткую связь с кэш-памятью второго уровня, выполненной в виде отдельных микросхем. И кристалл ядра, и микросхемы кэш-памяти, а также вспомогательные элементы располагались на специальной процессорной плате. Сама процессорная плата помещалась в пластико-металлический картридж c краевым 242-контактным разъемом — S.E.C.C. (Single Edge Contact Cartridge). Проблема отвода тепла решалась посредством специальной термопластины, прилегавшей к кристаллу ядра и микросхемам вторичного кэша. Использование картриджа решило многие проблемы, помешавшие процессорам Pentium Pro получить массовое распространение. Такая конфигурация позволила значительно снизить себестоимость производства, и это с учетом затрат на переоборудование технологических линий, изготовление и сборку самих картриджей. Большую роль в снижении себестоимости сыграла возможность использования BSRAM-микросхем кэш-памяти второго уровня от сторонних производителей. Кроме того, удачная рекламная кампания помогла сгладить или даже обратить во благо многие отрицательные моменты, связанные с использованием новой корпусировки. Вместе с конструктивом процессора изменился и разъем на материнской плате для его установки. Пользователи познакомились с перспективным разъемом Slot 1, но, как показало время, под давлением обстоятельств взгляды могут меняться (см. статью «Slot vs. Sockеt — война или гуманитарная миссия?», Hard’n’Soft, 2001, № 5, с. 64—74). Вот и у Intel они поменялись. В условиях постоянного ценового давления со стороны AMD спрос на новые процессоры приходилось поддерживать перманентным снижением цен. В связи с этим Intel пришлось пойти на дальнейшее удешевление процессора, в том числе за счет упрощения конструкции картриджа. Уже старшие модели процессора Pentium II выпускались в новом картридже S.E.C.C.2, который внешне отличался отсутствием термопластины и закрывался пластиковой крышкой только с одной стороны. Микросхемы кэш-памяти второго уровня располагались на процессорной плате не с двух сторон, как у S.E.C.C., а с одной.

Проблема эффективного теплоотвода у новых процессоров во многом решалась за счет применения в старших моделях процессоров технологии OLGA (Organic Land Grid Array). Керамические процессорные корпуса имели достаточно высокую себестоимость производства и в то же время накладывали ряд ограничений. Используемый в качестве основы для керамических корпусов сплав Al2O3 имеет сравнительно высокую диэлектрическую константу (er ~ 7—8), а высокая индуктивность проводников не позволяет решить проблему перекрестных помех при высоких тактовых частотах. Для преодоления этих ограничений стали применять сначала PPGA-, а впоследствии и OLGA-технологию (все новые модели процессоров Intel выпускаются сегодня в органических многослойных корпусах), лишенную всех этих недостатков.

Органические многослойные корпуса построены на основе эпоксидных смол (диэлектрическая константа er ~ 4,2) и медных проводников. Применение технологии OLGA позволило достичь оптимального распределения мощности внутри корпуса и повысить качество передачи высокочастотных сигналов.

Использование органических материалов также позволило увеличить значение предельно допустимой температуры ядра до 90oC, для PLGA этот порог составлял 80oC. Кроме того, применение органических материалов сделало возможным дальнейшее снижение себестоимости производства процессорной упаковки, а значит, и самого процессора.
Возвращение на круги своя

В апреле 1998 г., борясь с ценовой экспансией AMD, Intel представила свой новый процессор Celeron. Процессор, изначально ориентированный на рынок экономичных компьютеров, дорогим быть не может по определению. А потому в целях максимального удешевления Celeron был лишен не только кэш-памяти второго уровня, но и защитного картриджа. Новый процессорный конструктив получил название S.E.P.P. (Single Edge Pin Package) и был также совместим с разъемом Slot 1.

Спрашивается, если нет кэш-памяти второго уровня, которая должна была располагаться на процессорной плате, тогда зачем нужна сама плата? Вскоре, в августе того же года, вышла новая модель процессора Celeron (Mendocino), которая оснащалась 128 Кбайт кэш-памяти второго уровня, но она размещалась уже на кристалле самого процессора. Вполне логично было отказаться от ставшего уже ненужным картриджа. Так в Intel и поступили. Наряду с модификацией для Slot 1 появились процессоры Celeron в PPGA-корпусе, а вместе с ними и новый процессорный разъем — Socket 370. В дальнейшем Celeron PPGA вытеснил своих более дорогих (на 10 дол.) «слотовых» собратьев, и Socket 370 стал основным типом разъема для всех новых процессоров шестого поколения.

В феврале 1999 г. Intel представляет процессор Pentium III с ядром Katmai — тот самый, который «ускоряет работу приложений для Интернета». Даже беглого взгляда на него достаточно, чтобы определить тип корпуса — S.E.C.C.2. В новом процессоре он не претерпел никаких изменений. Затем, в октябре 1999 г., появился Intel Pentium III с ядром Coppermine. Этот образец передовой технологической мысли имел в арсенале кэш второго уровня, интегрированный благодаря использованию 0,18-микронной технологии в кристалл процессора. Он был представлен в двух модификациях: в изжившей себя «слотовой» и в более перспективной «сокетной». При этом Pentium III Coppermine в варианте для Socket 370 производился в новом конструктиве FC-PGA (Flip-Chip Pin Grid Array). FC-PGA являет собой результат дальнейшей эволюции технологии PGA. Повышение степени интеграции и рост тактовых частот поставили более жесткие требования и к процессорным корпусам. Обратная сторона повышения скоростных характеристик и уменьшения физических размеров чипа заключается в повышении вероятности возникновения паразитных наводок и неконтролируемых электромагнитных эффектов. Распределение электрической мощности между различными компонентами процессора также ложится на плечи его корпуса.

Для получения хороших электрических характеристик при высоких тактовых частотах и высокой плотности контактов на стыке кристалл/корпус была разработана т.н. технология C4. Она предусматривает использование контактных выступов, распределенных по всей площади кристалла и образованных при его изготовлении дополнительными слоями металлизации (о производстве микросхем см. статью «Инь и Янь на кремниевой подложке», Hard’n’Soft, 2001, № 6, с. 36—43). При этом монтаж кристалла в корпусе является микроскопическим аналогом паяного соединения BGA, а сам кристалл оказывается перевернут подложкой вверх — отсюда и упоминание термина Flip-Chip (перевернутый кристалл) в названии конструктива. Использование технологии C4 вкупе с высокими электрическими характеристиками органических пакетов и применением медных проводников обеспечивает высокую степень интеграции и максимальную производительность при разумной себестоимости производства — все это и есть современный конструктив под названием FC-PGA.

Удачная конструкция, при которой охлаждающий вентилятор примыкает непосредственно к самому кристаллу процессора, обеспечивает эффективный теплообмен. На сегодня конструктив FC-PGA используется при изготовлении всех новых процессоров компании Intel. Новый процессор Intel Pentium 4 выпускается в корпусе FC-PGA2, который имеет еще лучшие термические характеристики и, по сути, является доработанной с учетом особенностей нового процессора модификацией конструктива FC-PGA.

Что касается мобильных представителей процессоров шестого поколения, то с момента выхода Mobile Pentium® II Processor (233 и 266 МГц) в конструктиве Mobile Mini-Cartridge здесь тоже можно было наблюдать неоднократную смену типа процессорного корпуса. Как следует из названия, Mobile Mini-Cartridge представляет собой картридж, содержащий процессорную плату, на которой в свою очередь располагаются сам кристалл процессора и микросхемы кэш-памяти второго уровня. Причины, заставившие использовать мини-картридж для упаковки «мобильных» процессоров, те же, что и для процессоров настольных систем — невозможность в тот момент обеспечить приемлемую себестоимость однокристальной модели процессора. Естественно, размеры картриджа скорректированы с учетом его мобильной направленности и составляют 56x60х5,5 мм. Картридж соединяется с материнской платой через 240-контактный BGA-разъем путем поверхностного монтажа пайкой.

Другой тип корпусировки мобильных процессоров — Mobile Module Connector (MMC-1 и MMC-2). Мобильный модуль MMC-1 представляет собой плату, на которой располагаются сам процессор, микросхемы кэш-памяти второго уровня, а также чипсет Intel i440BX. Размеры платы — 102x64 мм. Модуль соединяется с материнской платой посредством двух 140-контактных разъемов. Модуль MMC-2 помимо перечисленного выше еще поддерживает шину AGP 1.0 и имеет два 200-контактных разъема. Эти типы корпусов не получили широкого распространения, чего не скажешь о другом конструктиве — PBGA (Plastic Ball Grid Array). Основное отличие данного процессорного конструктива от PGA-корпусов, используемых для процессоров настольных ПК, заключается в способе монтажа на материнской плате. Размеры порядка 31х35х2,8 мм и массив шариковых контактов для монтажа методом припаивания делают его очень удобным для установки в мобильные компьютеры. PBGA-корпуса выпускаются в нескольких модификациях. На сегодняшний момент самой перспективной из них считается H-PBGA (high thermal PBGA — аналог FC-PGA), а использование в нем технологии OLGA позволяет применять его для последних моделей процессоров, обеспечивая минимальный размер микросхемы, эффективный теплоотвод и высокую производительность. Именно в процессорах для портативных компьютеров полностью раскрывается еще одно преимущество технологии OLGA — значительно меньший коэффициент теплового расширения используемых в корпусе процессора материалов. Благодаря этому при нагреве/охлаждении процессора во время работы механические напряжения, возникающие в месте его крепления к материнской плате, становятся значительно меньше, а значит, повышается надежность соединения.

Таковы основные типы используемых сегодня процессорных корпусов. Работы по дальнейшему совершенствованию технологий корпусировки процессоров продолжаются, и вполне возможно, что вскоре мы увидим новый наряд короля.