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笔记本CPU升级技术基础教程

来源: 择爱本 2009-03-20 作者:dudujam

  在准备升级笔记本CPU之前,我们应当先讨论一下笔记本专用CPU(Mobile CPU)的封装问题,这是升级的前提,同时也是笔记本CPU升级成功的关键。

笔记本CPU升级之结构分析

  传统意义上的封装形式对于芯片仅仅是一个外壳,是机械结构性的保护;然而现阶段芯片的封装除了结构特性外,还包含了散热机制,并成为了电性能上芯片与主板连接的平台。进一步说,封装的复杂性很大程度上取决于芯片的结构特性和设计方法。对CPU这种复杂的芯片而言,其封装的技术更加复杂。由于封装的意义在于最大限度的保障CPU发挥它的最佳性能和提供一个与主板的连接平台,因此封装的性能和结构,是实现笔记本专用CPU体积小,散热快,功耗低等各项特性的保证。

  CPU的高速发展,对笔记本电脑的体积、散热、功能等限制无疑是一种挑战。作为笔记本电脑专用CPU,为了满足上述要求,也只好从封装来做文章了。一般而言,采用什么样的封装形式往往取决于各个时代CPU的技术和成本等因素。对笔记本电脑来说,由于其结构空间紧凑狭小,因此它的体积直接影响到笔记本电脑的厚度和空间利用率;它的散热效果直接影响到机器运行的稳定性;它的功耗则影响到笔记本电脑电池的使用时间。这些技术指标与笔记本电脑CPU所采用的封装形式是息息相关的,所以,封装技术对于笔记本电脑专用CPU而言,是一种很重要的技术体现,这也就是在我们给笔记本电脑CPU升级之前,必须首先考虑封装问题的原因。

  与台式电脑一样,笔记本专用CPU的封装形式也因各代CPU的不同而不同。下面列举几种常见的笔记本电脑专用CPU的封装形式,以供升级时参考。(介绍将从Pentium MMX开始,再此之前的386和486级别的Mobile CPU时至今日已经没有升级的意义,所以不再介绍。部分使用AMD和TM移动式CPU的产品数量少,因此也不在本文讨论范围之内)

  TCP(Tape Carrier Package):薄膜封装TCP技术,主要用于INTEL Mobile Pentium MMX上。采用TCP封装技术的CPU的发热量相对于当时的普通PGA针脚阵列型CPU要小得多,运用在笔记本电脑上可以减小附加散热装置的体积,提高主机的空间利用率,因此多见于一些超轻薄笔记本电脑中。但由于TCP封装是将CPU直接焊接在主板上,因此普通用户是无法更换的。在此笔者就作简单的介绍。

  MMC(Mobile Module Connector):MMX时代的中后期,Intel推出了模块化封装IMM(Intel Mobile Module)的笔记本电脑专用CPU,也就是这里所说的MMC的封装形式。采用这种封装的CPU实际上是一个包括CPU在内的电路板,它由CPU内核,芯片组的北桥芯片,电压转换部分和系统维护总线温度检测器组成。MMC是一种模块化的可抽换封装,采用两条特殊的接口与主板连接。采用MMC封装的优点是由于它集成了主板上的北桥,从而使主板的设计得到简化,降低了成本。

  MMC1:MMC1封装模块的CPU是Intel 笔记本电脑专用CPU从MMX时代到 Pentium II时代的过渡产品,Intel于1998年4月推出的首款笔记本电脑专用PentiumⅡ CPU中采用的就是这种封装形式,与MMC类似,MMC1也是一个包含CPU在内的电路板,不同是MMC1的电路板中还包含了Pentium II的二级缓存(L2-Cache),并且模块中集成的北桥芯片组改成了440BX芯片组的北桥。根据内部440BX芯片组北桥的不同,MMC1又分为AGP SET 和PCI SET两种。后者不支持AGP显卡而只能使用PCI显卡。另外值得一提的是,MMC1封装的CPU也是通过两条插槽与主板连接,共280针。

  MMC1封装正面,已拆去CPU和北桥芯片上的散热片


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MMC1封装背面,左边两条白色插槽为与主板连接的接口


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MMC2:笔记本电脑的显卡一直落后于台式电脑,尽管个别显示芯片厂商开发出了略带3D效果的笔记本电脑专用显示芯片,但由于缺乏CPU的支持,显示效果仍不尽人意。为此,Intel于1998年后期推出了增加AGP功能的笔记本电脑用CPU。这种CPU仍是模块化的,封装形式为MMC2。MMC2的结构与MMC1类似,只是MMC2与主板的接口为一片共计400脚的插针,不同于MMC1 共计280针的两根插槽。这种封装形式的CPU最大特点是增加了对AGP的支持,使得笔记本电脑的3D功能有了阶段性的飞跃。然而正是因为具备了这种功能,这种CPU的发热量相对教多,因此需要通过散热片、风扇等一整套散热装置并通过严格的散热设计才能够达到散热的要求。采用MMC2封装的CPU多见于一些注重性能的全内置笔记本电脑中。

MMC2封装正面,与MMC1类似,散热器下面分别为CPU和北桥

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MMC2封装背面,左侧为与主板连接的插槽,共400针脚

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Mini-cartridge:这是一种非常“短命”的封装形式,仅曾在Mobile Pentium II CPU部分型号中出现过。和MMC封装不同的是,它没有集成芯片组的北桥,外部则被金属外壳包围着,只露出了Mobile CPU的核心部分供厂商装散热器,背面与MMC2封装类似,有一片与主板连接的插针,针脚数为240。

Mini-cartridge封装CPU正面

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Mini-cartridge封装CPU背面,左侧为于主板连接的插针

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  BGA(Ball Grid Array):“球状网格阵列”

  μPGA(Micro Pin Grid Array):针状网格阵列

  以往介绍笔记本CPU的文章里,BGA和μPGA往往被结合在一起讨论,这是因为μPGA的内部从实质上来说还是BGA。(μPGA形式的处理器可以说是结合BGA与SOCKET型处理器的优点而产生的)。只不过μPGA封装在BGA封装的基础上增加了一个转接板(interposer)。注意,此转接板不同于MMC封装中的电路板,它的作用是将BGA封装底部直接从CPU内核中引出的锡球脚转换成可以直接插入主板ZIF插座的针脚,从而就转换成了μPGA封装。通常,BGA封装的CPU被一次性焊接在主板上,不可升级。而μPGA封装的CPU由于采用了和台式机CPU类似的拔插方式,因此升级的潜力非常大(在后面的介绍中笔者会详细的说明)

  说的笼统些,采用BGA-1或μPGA-1封装的CPU,具体是哪种区别在于其背面是锡球脚还是针脚。

  BGA-1和μPGA-1(Micro-PGA-1):从某种意义上来说,BGA-1和μPGA-1封装类型的Mobile CPU才是我们认识中的CPU,这两种封装让CPU又回到了单独芯片的封装方式。在这两种封装方式中,整个CPU的核心部分(Die)被直接焊在了基板上,从图中我们可以看出,CPU的核心部分位于基板的正中央。这种封装方式同样是技术进步的体现,代表着另一种封装技术的开始。相对于MMC封装方式的CPU而言,BGA-1和μPGA-1的巨大优势就是它的超薄特性,从图中可以看出,采用这两种封装方式的CPU体积非常的小,并且前者还可直接焊在主板上,因此可以满足许多超薄笔记本电脑的设计需求,对减小笔记本机身厚度起了很大的作用。尤其是从Mobile Pentium III开始,随着笔记本电脑的轻、薄之风盛行,这两种封装的CPU无疑提供了一个极好的解决方案。

  BGA-1封装CPU正面

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BGA-1封装CPU背面,注意图中为"锡球脚"

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  BGA-2和μPGA-2(Micro-PGA-2)

  BGA2和μPGA2是Pentium III时代的产物,换句话说,BGA-2和μPGA-2只在Mobile Pentium III之后的CPU中应用,因此我们很容易就可以判断一块CPU所采用的封装形式是BGA-1或μPGA-1的,还是BGA-2或μPGA-2的。区分它们的则是“裸露”在基板上的Die,Die是Pentium III的,则这块CPU所采用的封装形式为BGA-2或μPGA-2。另外,由于BGA-2封装的Mobile Pentium III CPU采用的是0.18微米的制造工艺,因此相对BGA-1封装而言,BGA-2封装的内核较小,呈正方形。而BGA-1封装的内核较大,呈长方形。

  μPGA-2封装CPU正面,Die为正方形且体积较μPGA-1小

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μPGA-2封装CPU背面,注意图中所示为针脚而非BGA-2的锡球脚

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Micro-FCPGA(micro Flip Chip Plastic Grid Array)和Micro-FCBGA (Micro Flip Chip Ball Grid Array) 

从结构设计的角度而言,这两种封装形式都是隶属于BGA和μPGA封装的,与上述BGA-1和μPGA-1,以及BGA-2和μPGA-2十分类似。

Micro-FCPGA中文名为“微型倒晶片塑胶栅格阵列”,这种封装方式的处理器在基板上包含一个朝下安装、由环氧材料封装的芯片,使用2.03 mm长,直径为0.32 mm的478根插针与主板处理器插座接触。它与Micro-PGA封装的区别在于,micro-FCPGA没有内插式基板,而在底部却安装了电容用于抗干扰。

Micro-FCPGA封装图,处理器背面为针脚,并安装了抗干扰用的电容

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Micro-FCBGA中文名为“微型倒装晶片球状栅格阵列”,封装的表面板上包含一个面朝下、由环氧材料封装的芯片。与Micro-FCPGA不同的是,它的底部采用的是479个直径为0.78 mm的锡球脚与主板连接,另外用于抗干扰的电容安装在CPU的正面而不是背面(如图)

Micro-FCBGA封装图,处理器背面为锡球脚,正面安装了用于抗干扰的电容

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Micro-FCPGA和Micro-FCBGA是目前最成熟,使用最广泛的封装方式之一,在 Pentium III-M,Pentium IV-M,以及Intel最新的讯驰平台Pentium-M中均可见到它的身影。代表着目前笔记本电脑专用CPU封装技术的最高水准。

下面列出各个时代笔记本专用CPU主要应用的封装形式,以便升级时参考。
1.Pentium及Pentium-MMX:TCP,MMC1。
2.Pentium II:MMC1,MMC2,BGA-1,μPGA-1,Mini-cartridge。
3.Pentium III:MMC2,BGA-2,μPGA-2。
4.Pentium III-M,Pentium IV-M,Pentium-M:Micro-FCPGA,Micro-FCBGA。

笔记本CPU升级思路

  通过对CPU封装的分析可以看到,早期TCP封装的CPU是焊接在主板上的,因此不可升级(也没有升级的意义);MMC1、MMC2、Mini-cartridge封装的CPU从理论上来说是可更换的;BGA(包括BGA-1和BGA-2)、Micro-FCBGA封装的CPU由于是直接焊接在主板上,因此一般的个人用户无法升级;μPGA(包括μPGA-1和μPGA-2)、Micro-FCPGA封装的CPU由于采用了和台式电脑CPU相似的ZIP(零拔插力)插座,因此升级是可行的,也是所有封装中升级最为方便的。大部分情况下,用户只需一把螺丝刀,即可完成对CPU的更换。

  然而并不是相同的封装类型就代表着升级可行性,同时要考虑的还有散热、电路、以及芯片组的搭配问题。其中尤为重要的是散热和芯片组的搭配。我们可以从以下两方面来分析。

  一:同级别升级

  同级别升级即同类型CPU的升级,升级后提高的仅仅是CPU的主频。一些名牌笔记本电脑厂商对于其产品的CPU散热部件及供电电路的设计都富有一定的余地,(实际上厂商为了减少因重新设计而增加的成本,同一型号的产品均采用同一类型的散热器和供电电路。这种情况多见于同一型号的笔记本电脑装载了不同频率CPU以区分其市场定位)这就为升级CPU后笔记本电脑的稳定工作提供了有力保障。

  二:跨级别升级

  表1列出了从Pentium到Pentium III各种笔记本电脑专用CPU所采用的封装和其所搭配的芯片组。从表中可以看出,早期的Pentium(包括带MMX和不带MMX)搭配的是INTEL 430TX芯片组,而Pentium II搭配的是北桥为82443BX的440BX芯片组,芯片组的不同,导致了从Pentium无法升级到Pentium II。

  CPU 主要封装形式 处理器速度(Hz) L2 总线 AGP 支持 北桥

  Pentium MMC1 166/200/233/266 256/512 66 - 430TX

  PII MMC1 233/266/300 512K 66 - 82443BX

  MMC2 233/266/300 512K 66 是 82443BX

  MMC1(On-die Cache) 266/300/333/366/400 256K 66 - 82443BX

  MMC2(On-die Cache) 266/300/333/366/400 256K 66 是 82443BX

  Celeron MMC1 433/466 128K 66 - 82443DX

  MMC2 300/333/300/400 128K 66 是 82443BX

  MMC2(0.18) 450/500/550/600/650/700 128K 100 是 82443BX

  PIII MMC2 450/500 256K 100 是 82443BX

  MMC2(SpeedStep) 600/650/700/750/800/850

  600*/700* 256K 100 是 82443BX

  Pentium II级别的CPU是最具升级潜力的笔记本专用CPU,也是跨平台升级的代表(其之前的Pentium由于无法跨平台到Pentium II,其后的Pentium III、Pentium III-M、Pentium IV-M、Pentium-M的设计架构和搭配的芯片组均不同,无法跨平台升级),从表1中可以看到,采用MMC2封装的Pentium II可以直接升级到Pentium III和高主频的Celeron。系统性能提升巨大。然而遗憾的是,采用μPGA-1封装的Pentium II无法升级到μPGA-2封装的Pentium III,原因在于μPGA-1和μPGA-2这两种封装形式的接口完全不同,看了表2,想必大家就清楚了。

  μPGA-1 μPGA-2

  管脚数 615 495

  VID管脚数 0 5

  外频(FSB) 66/100 66/100/133

  未连接之管脚数 243 24

  尺寸 约36X22 (mm) 约 34X28 (mm)

  0.13微米铜连接工艺Pentium III-M使用的是全新的Tualatin核心,采用Micro-FCPGA和Micro-FCBGA封装技术,外频从Pentium III的100Hz提升到133Hz,与其搭配的芯片组也升级到了830M。因此,Pentium III无法升级到Pentium III-M。

  同理,目前市场上主流笔记本电脑所装配的Pentium IV-M和Pentium-M CPU,尽管封装技术一样,但由于采用了不同的系统架构和芯片组,所以它们均不能跨级别升级。(例如T20、T21、T22无法使用T23的CPU)

  CPU 主要封装形式 处理器速度(Hz) L2 总线 代表芯片组

  PIII-M Micro-FCPGA 512K 133 830M

  Micro-FCBGA 866/933/1000/

  1060/1133/1200

  733*/800*/866*/

  933*/1000*

  800**/866**

  PIV-M 同上 1600/1800/1900/ 512K 400 845PM/845GM

  2000/2200/2400

  P-M 同上 1300/1400/1500/ 1MB 400 855PM/855GM

  1600/1700

  900**/1000**/1100*/1200

  注:带*号为低电压版,带**号为超低电压版

笔记本CPU升级注意事项

  1. 升级CPU,除了对CPU封装结构要有一定的了解之外,还应具备一定的拆机经验。因为升级CPU时必然要涉及到拆卸,然而厂家是不允许用户自己拆装笔记本的,所以往往采用保修失效等条款来限制用户的这种行为,因此笔者不赞成对那些还在保修范围之内的笔记本电脑升级CPU。

  2. 虽然CPU的升级可以带来一定性能的提升,但同时也带来了诸如整机温度升高,电池使用时间缩短等副作用。因此在给CPU升级时,应当以整机稳定性为重。特别是在升级之后要做好散热工作。

  3. 如果升级之后CPU仅仅是主频提高了100~200Hz的话,则系统的提升远不如增加内存或更换高转速硬盘明显。因此,对于同级别CPU的升级,除非频率提升幅度大(比如从P4-M 1.6G升级到P4-M 2.2G),不然实在没有升级的意义。

  4. 升级前最好到厂商的网站上下载硬件维护手册并仔细阅读。拆卸笔记本时一定要“胆大、心细”。若有多颗螺丝需要拧开的部件(特别是散热器上),松开时一定要每颗先拧松一点,然后再逐颗松开,切忌一次把一颗完全拧出来而其他的还没有拧松。

  5. 升级之后也并非十全十美,尤其在跨级别升级后往往会出现一些问题,比如IBM 600E 在CPU升级到了Pentium III后,开机会出现127报错。并且升级到P3-650Hz时被识别为P3-500(但并不影响使用),另外对Pentium III的SpeedStep功能也无法支持。相比之下,同级别升级后出现问题的情况极少,往往是CPU散热风扇启动比升级前更频繁而已。


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