LGA？PGA？ 從接口的發(fā)展史看CPU

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CES 2022大展上， AMD分享了一個重要的信息： AMD確認， 下一代銳龍（Ryzen）處理器銳龍7000系列CPU將會在2022年下半年與消費者見面，它將正式拋棄PGA的AM4插槽，改用LGA的AM5插槽（圖1），而且AM5插槽的壽命將會同AM4插槽一樣長壽。

可能有些小伙伴會很疑惑，什么是PGA？什么又是LGA？他們之間的區(qū)別究竟是什么呢？別急，今天我們就一起通過這些接口插槽（圖2）來看看CPU吧！

什么是PGA？

在CPU插槽尚未發(fā)明之前，CPU是直接焊在主板上的。因早期電腦不普及、CPU種類較少，基本無問題。后來CPU開始變得多種多樣，且DIY日益興起，為了方便CPU的拆裝更換，CPU插槽應(yīng)運而生。

所謂PGA，其實它是一個縮寫，全稱為PinGridArray，即插針網(wǎng)格陣列。PGA封裝一般是將集成電路（IC）焊接在一塊電路板上，電路板的另一面是排列成方陣的插針（圖3），這些插針可以插入或焊接到其他電路板上對應(yīng)的插座中，適合于需要頻繁插拔的場合，通常我們也將其稱作Socket接口。一般PGA插針的間隔為1/10英寸，即2.54毫米。早期的英特爾Pentium處理器采用的是PGA封裝（Pentium 2之前），后來的Pentium 4處理器則采用了基于PGA技術(shù)發(fā)展來的FC-PGA（反轉(zhuǎn)芯片PGA）封裝。

什么是LGA？

那么，什么是LGA呢？LGA全稱為Landgrid array，即平面網(wǎng)格數(shù)組封裝，是一種集成電路的表面安裝技術(shù)（圖4）。其特點在于針腳是位于插座上而非集成電路上。LGA封裝的芯片能被連接到印刷電路板（PCB）上或直接焊接至電路板上。與傳統(tǒng)針腳在集成電路上的封裝方式相比，可減少針腳損壞的問題并增加腳位。

其實早在1996年，MIPS R10000和HPPA-8000處理器就已經(jīng)使用LGA封裝，但英特爾從2004年的Pentium 4 （Prescott） 處理器（圖5）才開始使用。所有Pentium D和Core 2 Duo乃至今天的所有英特爾臺式機處理器都使用LGA封裝。 從2006年第一季度開始，英特爾開始在服務(wù)器領(lǐng)域使用LGA封裝。而AMD一般只在服務(wù)器及高性能領(lǐng)域才使用LGA封裝（如Socket G34，LGA 1944），直到即將到來的新一代銳龍7000才轉(zhuǎn)換到LGA（AM5）。

什么是LGA？

那么，什么是LGA呢？LGA全稱為Landgrid array，即平面網(wǎng)格數(shù)組封裝，是一種集成電路的表面安裝技術(shù)（圖4）。其特點在于針腳是位于插座上而非集成電路上。LGA封裝的芯片能被連接到印刷電路板（PCB）上或直接焊接至電路板上。與傳統(tǒng)針腳在集成電路上的封裝方式相比，可減少針腳損壞的問題并增加腳位。

其實早在1996年，MIPS R10000和HPPA-8000處理器就已經(jīng)使用LGA封裝，但英特爾從2004年的Pentium 4 （Prescott） 處理器（圖5）才開始使用。所有Pentium D和Core 2 Duo乃至今天的所有英特爾臺式機處理器都使用LGA封裝。 從2006年第一季度開始，英特爾開始在服務(wù)器領(lǐng)域使用LGA封裝。而AMD一般只在服務(wù)器及高性能領(lǐng)域才使用LGA封裝（如Socket G34，LGA 1944），直到即將到來的新一代銳龍7000才轉(zhuǎn)換到LGA（AM5）。

插槽之演變

如果我們將處理器與普通芯片“一視同仁”，你就會發(fā)現(xiàn)，無論是PGA還是LGA，不過是為了方便更換而生的一種插槽接口方式。

其他很多芯片的接插、安裝方式多為不可更換（或者說需要專業(yè)工具）的形式，例如雙列直插封裝（圖6）、單列直插封裝（SIP）、鋸齒形直插封裝（ZIP）、球柵陣列封裝（BGA）等等。

CPU之所以需要更換，就是為了便于用戶或者廠商對處理器的升級、更替。如果從電氣特性來看，BGA方式（圖7）其實是非常好的選擇——但是它不具備便利的可更換特性。

PGA接口的出現(xiàn)，極大方便了更換處理器的工作（圖8），LGA的出現(xiàn)則更大程度上是為了降低維修成本——針腳從處理器一側(cè)改在主板上，別看這個小改變，PGA的針腳容易斷裂、且間隔較大。另一方面，LGA具備極佳的“擴展性”，PGA則不便于容納更多接觸點。這些點位或是供電、或是信號，隨著處理器的復雜程度日益加劇，PGA顯然不如LGA來得好。

當然，無論是PGA還是LGA接口，在安裝處理器的時候，如何將其固定就十分有講究了。為此，針對不同的接口也有不同的固定方式。在PGA接口上，其插座為零插拔力插座（圖9），即ZIF（Zeroinsertion force）。它通過一個杠桿讓用戶拉起或推開插座，這個時候，插座內(nèi)的彈簧式觸點就會分開，然后將PGA接口的處理器對準放下，再將拉桿拉回到原位卡主。當插座“歸位”后，接觸點會閉合并且“抓緊”處理器的針腳，以此固定。

而在LGA接口上，其實也是大同小異，只不過它是通過緊固頂蓋的方式固定（圖10），少了彈簧式觸點而已。

你方唱罷我登場

●Socket 1—Socket 3

1989年，英特爾著名的80486處理器登場了，與之配套的便是Socket 1插座，這個時候處理器的針腳不過169個，對比英特爾最多觸點的Socket R4插座（2066個觸點），幾乎是12倍的差距！Socket 1也是英特爾第一個標準化的處理器插座，以此為基礎(chǔ)，Socket 1一直發(fā)展至Socket 3，針腳也一路從169個升級到237個。這期間，CPU一直是80486一個型號，當然區(qū)分為80486 SX /DX /DX2（圖11）/DX4，乃至80486 OverDrive不同的規(guī)格。

●Socket 4—Socket 5

Socket 4至Socket 5時期，英特爾推出了著名的Pentium品牌處理器，也就是通俗意義上的80586（實際上沒有這個名稱）。同一時期，AMD也在Socket 5上推出了AMD K5處理器——盡管性能還是要比Pentium來得差一些。在Socket 4接口上，處理器的針腳數(shù)量為273個，而到了Socket 5上，已經(jīng)增加到了320個針腳，當然，不同接口下的Pentium 處理器型號、性能也在變化。

●Socket 7

1994年正式啟用的Socket 7（圖12）極為經(jīng)典，英特爾Pentium MMX就是基于Socket 7接口的處理器產(chǎn)品（圖13），也正是這個時期，個人電腦在中國大陸開始流行起來。在這個時期，最為經(jīng)典的英特爾430TX芯片組主板+Pentium MMX或者AMD K6-2幾乎是“標配”的組合。

而且，Socket 7接口因為沒有專利壁壘的制約，所以第三方處理器如雨后春筍般爆發(fā)，包括Cyrix、AMD、IDT、Rise等處理器都在使用Socket 7。這也讓英特爾“痛定思痛”，推出了一個非常有悖常理的Slot 1接口，以專利壁壘的形式讓諸多處理器廠商就此退出賽道。

但是Socket 7接口的壽命并沒有隨著英特爾改換門庭而終結(jié)，相反，在AMD的“大力支持”下，Socket 7一直存活到了2000年——AMD在這個接口上一直持續(xù)推出處理器，包括著名的K6-2+和K6-3。

●Super Socket 7

1998年是屬于AMD的一個閃耀時代，AMDK6-2（圖14）大放異彩，這也是AMD第一次有了正面抗衡英特爾處理器底氣的一款經(jīng)典產(chǎn)品。AMD的處理器此前一直采用英特爾的插槽，而Socket 7是AMD擁有合法授權(quán)的最后一個。英特爾曾希望通過中止Socket 7發(fā)展和走向Slot 1，讓其他廠商無路可走，這個時期，諸多處理器廠商都倒下了。而AMD卻堅持下來，根據(jù)需要，將Socket 7升級為Super Socket 7——配備100 MHz FSB（前端總線），在Socket 7接口上最高只能支持83MHz的FSB。而且Super Socket 7還提供了對AGP總線的支持，這也是Socket 7接口上沒有的。

另外，Super Socket 7還向下相容Socket7，這意味著Socket 7的處理器可以用在SuperSocket 7接口的主板上，但使用Super Socket7規(guī)格的處理器在Socket 7主板上無法全速運作（前端總線的制約）。

特殊時期的產(chǎn)物

●Slot 1

Slot 1是英特爾于1997年推出的一種處理器插槽，使用P6 GTL+總線協(xié)議，它擁有242個引腳，與當時的英特爾Pentium 2一同推出（圖15）。Slot 1并不是一個明智的技術(shù)產(chǎn)物，或者說它更多的是為了以專利壁壘限制競爭對手的商業(yè)手段——英特爾在當時聲稱，在Socket 7接口的處理器中無法放置二級緩存，必須從物理形式上進行改變以滿足這個設(shè)計要求。然而在此之后的不久，英特爾就推出了Socket 370接口，在Socket 370的Celeron 300A處理器上，128KB的二級緩存赫然在列。而且，這種金手指的設(shè)計實際上也不可能有太多的發(fā)展空間，處理器越發(fā)復雜，需要的針腳也越來越多，金手指的插槽物理尺寸限制不可能無限擴大。最終Socket 370接口全面取代了Slot 1接口，這是因為Slot 1的設(shè)計傳輸速率達到了極限。

●Slot A

英特爾推出的Slot 1無疑堵住了大多數(shù)人的前進之路，不過AMD是個例外。你有Slot 1，我就弄一個Slot A（圖16）！而且Slot A接口下的Athlon處理器，是歷史上第一個達到1GHz的處理器產(chǎn)品！相比于Super Socket 7，Slot A擁有更高的總線速度，而且與之配套的處理器采用的是DEC原本為Alpha處理器開發(fā)的的EV6總線協(xié)議（服務(wù)器用），它的技術(shù)規(guī)格在當時非常先進。

有趣的是，Slot A接口從外觀上看幾乎就是調(diào)轉(zhuǎn)了180度的Slot 1，這樣可以讓主板生產(chǎn)廠商從現(xiàn)有市場采購所需要的接插件加以利用——當然，雖然物理形式極為接近，但是它對每個針腳（金手指）的物理定義完全不同。

●Socket 370

正如前文所述，英特爾在轉(zhuǎn)換到Slot 1接口之后不久，針對性的又推出了Socket370接口的處理器，本意是針對OEM市場及中低端市場使用。但很快這個接口就取代了Slot 1，成為了相當時間內(nèi)的主流處理器接口。所謂Socket 370，是指它的針腳達到了370個，進一步提升了密度，有趣的是，這個處理器接口和Slot 1可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換——即Slot 1接口主板可以通過轉(zhuǎn)接卡安裝Socket370接口的部分處理器，畢竟一段時間內(nèi)它們都是使用英特爾B4 40BX芯片組的。在Socket 370接口的處理器中，最出名的莫過于英特爾Tualatin Pentium 3/Pentium 3S了（圖17），它們的性能甚至超過了部分早期的英特爾Pentium 4處理器。

●Socket A

英特爾和AMD的雙雄局面就是從Slot 1/Slot A至Socket370/Socket A階段正式形成的。為了對抗由Slot 1到Socket 370的轉(zhuǎn)變，AMD在Slot A接口之后推出了Socket A接口，或者稱之為Socket 462接口。Socket A接口擁有 462個針腳，密度更進一步，它主要支持Athlon K7至Athlon XP 3200+處理器（圖18），包括歷史上極為著名的Barton Athlon XP、Morgan Duron處理器，都是基于Socket A接口的產(chǎn)物。最重要的是，這一時期AMD的處理器性能普遍要好于同級別的英特爾處理器10%以上——Pentium 4這個英特爾歷史上最失敗的處理器拖了后腿。

●Socket 423—Socket 478

英特爾犯錯一直持續(xù)到Socket 423接口上。Socket 423的出現(xiàn)是為了配合Pentium 4處理器（圖19）推出的，針腳數(shù)量達到了423個（注意針腳還是比AMD Socket A少），目的是為了RDRAM內(nèi)存數(shù)據(jù)交互和處理器的頻率提升而設(shè)計。不過很快英特爾就發(fā)現(xiàn)了一個致命錯誤，Willamette核心的Pentium 4處理器本意是為了高頻而生，但是因為設(shè)計問題，頻率始終無法突破2GHz，很快，它就被Socket 478接口的產(chǎn)品取代了——那些購買了Socket 423接口產(chǎn)品的人非常痛苦，因為它們升級的代價就是全面替換，而不是漸進升級。

Socket 478初期也不是很順利，最早的Socket 478接口主板因為設(shè)計問題不能支持533MHz前端總線（圖20），直至中期才開始完善并且最終支持到800MHz前端總線。而且，Socket 478接口時期也是英特爾歷史上非常黑暗的一段日子，這個接口下的Pentium 4處理器極為差勁，超高流水線、超高頻率的Pentium 4處理器性能實際上非常孱弱，尤其是Prescott核心的Pentium 4處理器，性能低功耗高，發(fā)熱也十分恐怖。到了2004年，LGA 775取代了Socket478，英特爾才迎來了曙光。

●Socket 754—Socket 939

2003年9月，AMD發(fā)布了Socket 754接口平臺（圖21），用以支持Athlon 64和Sempron處理器使用，這也是首個支持64位處理器的接口平臺。與后期發(fā)布的Socket 939接口平臺對比，它實際是一個“不完全體”，具體表現(xiàn)在它支持單通道內(nèi)存，HyperTransport總線帶寬只有9.6GB/s，這也限制了這個平臺的性能發(fā)揮，因此Socket 754接口的壽命并不長，很快就被Socket 939全面取代了。

2004年6月，也就是Socket 754推出后不到一年的時間，AMD發(fā)布了Socket939接口（圖22）平臺，它可以支持Socket75 4所不能提供的雙通道內(nèi)存規(guī)格，并且HyperTransport總線的帶寬也更大。不過你以為Socket 939很長壽嗎？答案是否定的，僅僅過了不到兩年時間，也就是2005年的5月，Socket 939就迅速被AM2接口取代了。可以說，無論是Socket 754還是Socket939，它們都是曇花一現(xiàn)的存在。

新世代LGA VS PGA 性能之爭

截至目前，除了Slot 1和Slot A接口外，無一例外處理器都是使用PGA方式設(shè)計的，而在2004年，英特爾推出了更為先進的LGA，即LGA 775（圖23）平臺，就此，一場PGA VS LGA的爭奪戰(zhàn)正式打響——如果以今年AMD即將發(fā)布的AM5作為截止符，這場爭奪持續(xù)了18年之久。

●LGA 775

LGA 775于2004年7月發(fā)布，最初取名為Socket T，這是首個使用LGA 方式的接口平臺。不過這個時期，英特爾的處理器性能依舊“拉胯”，Pentium 4、Pentium D、部分Prescott核心的Celeron（CeleronD）性能難以讓消費者滿意，直到劃時代的Core 2 Duo處理器誕生，才讓英特爾重回性能之巔。LGA 775接口平臺也是最后一個擁有第三方芯片組的產(chǎn)物，這個時期除了英特爾自己的芯片組產(chǎn)品外，NVIDIA還推出了支持LGA 775接口平臺的nForce系列芯片組產(chǎn)品，SIS也擁有SIS649/656/656FX/661FX /662/670/671FX多款產(chǎn)品，VIA也有VIA PM800/PT800Pro/PT894/PT894 Pro多款。最有趣的是，剛剛被AMD收購，也就是競爭對手旗下的ATI也推出了支持英特爾處理器的RadeonXpress 200 IE、RD600芯片組產(chǎn)品（圖24）。在此之后英特爾也好、AMD也罷，再也沒有第三方芯片組產(chǎn)品了，這兩家廠商形成了事實上的平臺壟斷。

● LGA 1156—LGA 1151

LGA 775接口平臺的Core 2 Duo一經(jīng)發(fā)布便讓英特爾重回巔峰，自然英特爾希望憑借這個優(yōu)勢穩(wěn)固自己的優(yōu)勢地位，LGA 1366和LGA 1156（圖25）就此誕生。LGA 1366接口平臺產(chǎn)品性能極為強悍，但是多用在服務(wù)器、工作站上，對普通用戶而言LGA 1156更為合適，在LGA1156接口平臺上，第一次取消了南北橋設(shè)計，也就是將北橋功能集成于處理器之中，南橋則演變?yōu)镻CH芯片，也就是單芯片構(gòu)架，這種模式沿用至今。之后的LGA 1155更是達到了一個新高度，著名的SandyBridge構(gòu)架處理器至今還有一些老用戶在使用，可見其性能之強悍。

到了2013年，短命的LGA 1150誕生了，尤其對比后來者LGA 1151接口平臺，它的壽命不過只有兩年，很快就被取代了。LGA 1151接口平臺（圖26）于2015年推出，從Skylake到Coffee Lake，LGA 1151接口平臺歷經(jīng)了英特爾四代處理器，甚至最早的100系列芯片組可以通過“破解、修改”從第六代處理器一直支持到第九代處理器，歷經(jīng)5年之久。時至今日，LGA 1151接口平臺依舊是諸多用戶的主力平臺。

●Socket AM2—Socket AM3+

在英特爾LGA接口平臺高歌猛進之時，AMD卻陷入了麻煩，2006年AMD推出了Socket AM2接口平臺，針腳數(shù)量為940個，因此也常常被稱為Socket 940，與之匹配的Phenom構(gòu)架系列處理器性能對比英特爾同時代產(chǎn)品總是存在差距，也是這個時期，英特爾的處理器因為領(lǐng)先優(yōu)勢代際間性能差距并不大——因為這已經(jīng)足夠壓制AMD平臺產(chǎn)品了。

為了保持競爭力，AMD的Socket AM2至SocketAM3保持了良好的兼容性，因此設(shè)計也頗為奇特。比如到了AM3接口平臺的時候，其主板的接口擁有941個針腳，但是處理器則是938個針腳，這樣獨特而怪異的設(shè)計應(yīng)該是歷史上唯二的存在。在AM2和AM3接口平臺之間，還有一個過渡性的AM2+，用以平滑過渡，但是它的存在時間極為短暫，只不過是以AM2接口平臺為基礎(chǔ)，增加了對HyperTransport 3.0總線的支持，但是又不能使用DDR3，很快就被淘汰了。

到了AM3+時（圖27），主板底座針腳數(shù)為9 42個，處理器針腳數(shù)為938個，以此來保持對AM3接口處理器的兼容。它提供了AM3接口平臺沒有的HyperTransport 3.1總線，并且DDR3內(nèi)存規(guī)格和供電效率上改進明顯。不過，這個時候的AMD處理器依舊難與英特爾同時代產(chǎn)品競爭，可以說，這一段時期也是AMD歷史上最為艱難的時刻。

●Socket AM 4

什么是揚眉吐氣？Socket AM 4接口平臺完美的詮釋了這一點。早期的Socket AM 4平臺幾乎就是APU的天下，代號為Bristol Ridge的APU產(chǎn)品集成了諸多功能，用以吸引用戶使用。2016年發(fā)布的Socket AM 4擁有1331個針腳，這讓它的拓展性大為增加。到了2017年，隱忍了許久的AMD終于爆發(fā)了——銳龍（圖28）在此時橫空出世，它讓AMD再也次擁有了和英特爾一較高下的本錢。時至今日，Socket AM4橫跨了四代產(chǎn)品，從Zen終于趕上一直到Zen3微架構(gòu)，終于將英特爾的同時代產(chǎn)品比了下去，同時其保持了極佳的兼容性，即便是老款的Socket AM4接口平臺芯片組主板，也能對新處理器提供良好的兼容性支持?？梢哉f，Socket AM4接口平臺功不可沒。

● LGA 1200—LGA 1700

LGA 1200接口平臺的推出，無疑現(xiàn)在看是一個過渡性產(chǎn)品，而且其配套處理器的性能并不令人滿意。2020年5月發(fā)布，2021年就被LGA 1700取代了（圖29）。上不能替LGA 1151，下無法與LGA 1700平滑過渡，LGA 1200接口平臺雖然支持10代和11代酷睿處理器，但無奈只是曇花一現(xiàn)的存在而已。

LGA 1700接口平臺無疑是英特爾的一個翻身仗——混合核心設(shè)計、支持DDR5內(nèi)存規(guī)格的12代酷睿處理器終于迎頭趕上，性能提升巨大，但也正因如此，其對電壓、信號等設(shè)計更加復雜，更多的針腳來定義相關(guān)規(guī)格勢在必行。這也是為什么LGA 1700的觸點數(shù)量一下提升了500個的根本原因。

●LGA AM5

英特爾和AMD總是呈現(xiàn)螺旋式的技術(shù)競爭，不過在接口方面，AMD終于準備在民用消費市場產(chǎn)品上更新?lián)Q代了——從PGA轉(zhuǎn)換到LGA。在即將到來的新一代銳龍7000系列處理器上，AMD終于舍棄了PGA模式，改用和英特爾一樣的LGA接口，這就是AM5接口平臺（圖30）。

可以說，Socket AM4已經(jīng)是PGA方式的天花板了，處理器擁有高達1331個針腳，實難再擴大面積增加針腳數(shù)量。要知道新一代的銳龍?zhí)幚砥鲹碛懈哌_1718個觸點，繼續(xù)使用PGA模式無疑是非常困難的（除非繼續(xù)增大處理器面積），無論對安裝還是后期維修來說，都已經(jīng)很難實現(xiàn)，必須專用AM5接口平臺。之所以需要這么多的觸點，是因為在銳龍7000系列處理器不僅要提供對DDR5的支持，同時還需要對PCI-E 5.0提供支撐，那么多的信號定義、供電定義，無論如何也是AM4接口平臺那1331個針腳無法支撐的，這也是為什么AMD最終也轉(zhuǎn)向了LGA模式的根本原因。

從技術(shù)角度，LGA確實要比PGA更好，因為在有限的面積內(nèi)它可以容納更多的觸點，PGA的針腳間距不可能一直縮小。而且在維修上，更換處理器底座的技術(shù)難度遠遠低于修復處理器針腳（圖31）的難度?？梢哉f，PGA是時候走入歷史了，未來只能是LGA的天下。