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主板是如何炼成的？——深入主板设计过程zt
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主板是如何炼成的？——深入主板设计过程 每当看到一款新的主板时，不知你是否考虑过这样一个问题：主板是如何设计成的？ 工程师们是如何决定各个部件的摆放位置？本文深入浅出的介绍了主板的整个设计过程 读者可以了解从主板最初的设计到最终的成品每一个步骤。 当然主板制造也是个复杂的过程，我们会有重点的把整个设计过程展现在读者眼前 相信读完全文之后，您会对工程师们怀有深深的敬意。 市场调研：一切刚刚开始 在主板设计的最初阶段，工程师们并不是直接进行主板设计。例如，Intel公司在主 板的设计的第一阶段会主要听取公司中个人和不同工作组的建议和意见。这些个人和 工作组从主板市场和制造车间获取市场对原先主板的看法和建议，并且对Intel主板进 一步的发展趋势进行分析，然后向工程师提交可行性报告。报告中涉及下一代的芯片 组应该增加那些功能，应该对原有的那些功能进行改进等。 信息收集和分析是主板设计的第一阶段，也是最重要的一个阶段，因为在主板最初设 计时，并不能非常精准的预测今后市场的发展趋势。一切只有依靠数据分析人员敏锐 的洞察力和远见，对今后的主板市场的发展趋势做一预测。否则的话，等到主板成品 时，可能已经是过时的产品。在信息收集和数据分析之后，就正式开始主板的制造。 实验模拟：主板的分层结构 在这一阶段，工程师们首先对一款主板的设计进行多种实验模拟，工程师们根据 各种严格的模拟测试结果来改进最初的设计方案。实验模拟中的主板和将要制造的 主板没有多大的差别，就必须决定主板的尺寸，以及各个元件大致的摆放位置。实 验的模拟结果最终决定了电路线的最大和最小的长度，以及电路线之间最小的间隔空间。 通常，印刷电路版上的电路线阻抗为60欧姆，某些电路线会更高。标准的高速传输总线的电路线宽度为5 Mils（0.005英尺）。目前，主板使用“多层PCB”设计，因此在设计过程中，工程师会对每一层的电路线走向进行最合理的优化。每一层PCB版上的电路各自独立，根据不同的功能，PCB板卡可以分为信号层，电源层，和地基层。 信号层对数据线，控制线的信号进行传输和控制；电源层对每个组件进行供电和电源控制，而大部分的组件都地基层的电路线来控制。为了防止信号之间相互干扰，层与层之间由“prepreq”层来隔开。通常我们看到的主板便是由多层PCB构成。一般的主板分为4层，结构如下： 在上图中，Prepreg层的作用就是对信号层，电源层和地基层进行隔离，防止信号和电流相互干扰。通常Prepreg层的厚度是由相邻两层的电流和信号强度所决定的。 当决定了每一层应该安装那些组件后，主板设计工程师就开始着手决定每一个组件的最佳安装位置。通常设计工程师使用类似于“field solvers”的仿真软件。通过“field solvers”软件的仿真程序的调节和测试，来决定每个组件的安装位置。最终组件之间可以避免电流的相互干扰，以及保持最佳的散热空间等。 最后，根据组件的摆放位置来决定电路线的走向，电路线的最大，最小长度以及电路线之间的宽度。同样，这个过程也会使用模拟的软件来进行调节测试。通常，如果线路阻抗为50欧姆的话，那么电路线的最大宽度只能是7mils；如果线路的阻抗为60欧姆的话，那么电路线最大宽度只能是5mils。 性能测试：“回路” 在完成了上述步骤后，就要对制成的4层PCB电路板进行“压条”，即把4层电路板压成完整的主板电路。这个过程对于主板性能的好坏有非常重要的作用，尤其是当主板高速传输线路较多的时候。 主板上，每一条传输的线路必须有一个“回路”。即电流和信号可以逆着正常的传输方向进行传输。“回路”存在的主要目的就是方便工程师对主板进行设计，可以通过“回路”来对数据传输的效率进行测试和调节，从而发挥电路的最佳性能。 在回路的设计中，工程师们必须考虑以下两个问题：如何来维护回路，以及对回路源端和目的端的电压进行控制。以下，我们就对2.5V的DDR－I系统总线进行说明。 首先，我们必须决定信号的源端和目的端。在DDR总线中，主板的芯片组就是“回路”的源端，而DIMM槽中的DRAM便是信号的目的端。DDR总线的源端和目的端均使用2.5V的电压。在主板的设计过程中，DDR总线的源端会发送一定频率的信号给目的端，当目的端接收到此信号后，立即返回接收到的信号，此信号会沿着“回路”到达源端。如果源端能够探测到返回的信号，那么这个过程就完成了一次“匹配”，工程师可以根据接收到的信号频率和强弱，衰减程度来对线路进行相应的调整；如果源端接收不到返回的信号，那么电路的设计和电源的电压就有可能存在问题。 主板的神经：线路走向 如果仔细观察主板电路线走向的话，你有会发现一个有趣的现象：大部分电路线都是蜿蜒曲折，很少有直来直去的线路。 那么板卡上的线路为什么会曲曲折折呢？因为在所有的传输方式中，信号决定了传输总线必须有一定的长度。PCB板卡越来越小，而元件越来越多。系统的总线必须通过曲折蜿蜒来达到一定的长度。 通过线路的长度，设计者可以计算出信号从发送端到达接收端的时间，这个时间称作“信号延时”。因此不同长度的线路在某种程度上，也起到调节延时的作用。在当今的高速传输总线中，为了精确的控制信号的访问时间，设计者在电路中增加了时钟控制器来对访问的信号进行时钟同步，即只有在时钟控制器允许的时间内，信号的访问才是有效的。在此过程中，时钟控制器起到了“滤波器”的作用，设计者可以使用“差分滤波”和“非差分滤波”对信号进行处理。关于“差分滤波”已经超出了我们的讨论范围，以后有机会的话再做详细讨论。 在上文的介绍中，我们已经知道主板的每个层次相互独立，并且通过Prepreg层进行隔离。但是在实际的设计中，有些信号线必须涉及不同的主板层。即信号必须从一个层面，传输到另外一个层面（例如从信号层到电源层）。这种穿越不同层面的信号线在主板设计中有一个专门的术语：“via”。如果某条信号线要从 “信号层”穿越到底层的“信号层”，那么这个“via”会穿过所有的主板层。“via”分为暗线和埋线，暗线“via”的信号线穿过主板表面，并且可以直接观测到；而埋线“via”的信号线通常穿过主板内部，我们并不能从主板的表面观察到。 处理器供电模式：振荡器 人们通常对于CPU电源有不少的误解。在深入CPU电源设计模式之前，我们先来快速的了解一些相关的概念。上图中，散热槽的周围安装着几个电容，在电阻的旁边有两个铜丝围绕的绿色铁圈，这就是我们常说的振荡器。 振荡器的主要作用就是把能量在两种不同的形式之间转化。简单而言，这和弹簧的工作原理十分相同。如果弹簧在原点的话，那么无论是弹簧的势能还是动能都是0；但是一旦把弹簧稍稍拉长一段距离的话，那么弹簧就会在原点周围来回摆动，弹簧本身的势能和动能交替转换。这个来回转化的过程就称之为“振荡”。 在电路中，电源的能量就依靠振荡器在电容和感应器之间来回变化。对于电容，能量存在于静电场中；而对于感应器，能量存在于磁场中。振荡器就把静电场的能量转化为磁能；或者把磁能转化为静电能。 在实际的电路中，当电容被充满电后，就会在进行放电，即形成了电流。电流会不断持续直到电容放电完毕；同时在这个过程中，电流就把电容中原有的静电能转化成为感应器的磁能。当电容放电结束，磁场也就建立成功，电容不再形成电流；但是为了保持电流，刚刚建立的磁场会立即进行消解，在消解的过程中，依靠电子的移动会再次形成电流，并且对电容进行充电，这一过程中，磁能又再次转化成了静电能。因此电容又可以进行再次放电。整个过程中 ，为了能够持续的向CPU进行供电，电容会不断的充电放电，同时磁场也不断的建立和销毁。整个振荡的过程就向CPU提供了所需工作的电流。 核心电压调节组件 在主板核心电源模式的设计中，除了上述的振荡器外，还有两个重要的部件。其中一个就是“多相位转换”芯片。通常在主板中使用Intersil ISL6556B作为“多相位转换”芯片。它的主要作用是调节不同电流的相位，从而增加电源的最大吞吐率，提高电源的工作效率，而且降低了电源的额外热量。 另外一个部件是MOSFET驱动器，它的作用就是对核心电压进行调节。通常使用HIP6602B芯片作为MOSFET驱动器，并且通过Intersil ISL6556B来进行信号控制。 散热：不能少的投资 在主板的设计最后，还必须考虑散热问题。散热这个问题常常把CPU性能折磨的痛苦不堪，尽管有水冷系统等解决方法的出现，但是散热这个问题仍然没有很好的解决。随着CPU时钟频率的大幅提升，CPU的散热量大幅上升。除了CPU外，南北桥芯片，MOSFET驱动器的散热量也是相当高的。因此，为了解决散热问题，用户必须增加额外的投资，所以主板的制造成本中，散热系统的费用占有相当一部分的比例。越是高性能的芯片组，高速的处理器就越要好的散热系统，否则的话，系统的整体性能的发挥往往不足70％！ |
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