Pull the pin! Combichrist? Нет. Размышления о сокетах процессоров.

0. A long time ago…

Давно это было… 10000 лет тому назад, в уютненьком железном разделе дискорда всплыл любопытный прецедент. Один джентльмен, в очередной раз решил разобрать системник: термопасту поменять, радиаторы перекрутить. Ну вы знаете, … эти компьютеры — они как тамагочи,.. надо периодически разбирать на 9 частей, чистить, смазывать, подкручивать. Ну хотя бы пылесосить раз в полгода, иначе перегрев придет внезапно, и во время прохождения какой-нибудь графонистой РПГ, видеокарта помашет ручкой.

Раньше ножек было меньше, микросхемы были холоднее и платы зеленее.

Так вот, возвращаясь к джентльмену и его системнику: во время разборки, башенный кулер случайно вынулся вместе с процессором. Т.е. защелка на третий или четвертый раз, перестала держать камень в гнезде. Совершенно закономерно проскользнули, ну скажем, условные обвинения в сторону АМД: «Вот мол, красные делают ужасные сокеты. Дорогие и одноразовые». И знаете, что? Это правда. Только не АМД, а их официальный саплай-партнер. Не одноразовые, а с очень ограниченным циклом защелкиваний. И не только сокеты, а очень многие разъемы. Это мы, с появлением COM-портов, а затем USB, HDMI — привыкли к бесконечному количеству «втыканий-вытыканий», горячим заменам и эргономике. Потому что ради этого они и появились: устроить маленькую революцию в мире подключений, и сделать компьютер доступным для любой домохозяйки. Под верхушкой айсберга скрывается арктический пласт миллионов различных коннекторов с множеством параметров, тонкости которых мало кому известны. Вот про самых одиозных представителей соединительного мира, осевших в глубине современных компьютеров и будет дальнейшее чтиво.

Обычные гребенки — неотъемлемая часть жизни ардуинщиков.

1. Разъемы — это сложно.

Как я уже сказал, коннекторов существует неисчислимое количество. Буквально под каждую задачу можно часами подбирать идеальный соединитель. И при этом, они не связаны каким-то особым «разъемным» стандартом типа JEDEC. Достаточно зайти на сайт Samtec, Molex, Kyocera, TE Connectivity и глаза сразу разбегаются.

Задачка из детских журналов: найди все разъемы на картинке.

Чего там только нет: силовые, скоростные, с защелочками, с винтиками, планарные, стриплайны, меззанины, блейды, под провод, под плату, на корпус, для слота, со шторочкой, позолоченные, посеребренные, круглые, длинные, короткие, боковые, смешанные, сегментные… В общем, так перечислять можно несколько абзацев. Что бы распутаться в этом бардаке, я «легкими штрихами» классифицирую их по характеристикам, применительно к компьютеру.

1. Назначение.

Разъемы в компьютере выполняют две сверхзадачи: донести мощность без просадок, либо сигнал без искажений, либо все вместе. Соответственно: силовые коннекторы — стоят на блоке питания и материнке. Как правило это серия MICROFIT фирмы MOLEX, типа «плата-провод», на 4, 6, 8, 20 или 24 пина. Сигнальные — это все что вынесено на заднюю стенку системного блока: USB/HDMI/Display Port, сюда же подходит внутренний интерконнект типа SATA, расширителей USB и т. д. и т. п. К смешанным можно отнести сокет процессора, слот шины PCIe — у них и мощности 75Вт+ и скорости гигабитные.

2. Тип разъема.

Уникальный случай, когда в славянской терминологии все более менее прозрачно, а за рубежом творится полный майндфак. (Казусы восприятия, не иначе).

Уверен, вы слышали классификацию «мама-папа». Интуитивно понятно, что «папа» — это что-то со штырьками, а «мама» — с отверстиями. Это классификация по механическому исполнению. Кроме того, разъемы делятся по кинематическому признаку: «розетка» — это то что неподвижно, вмонтировано в стене или распаяно на плате, «вилка» — это подвижная часть, то что вставляется в розетку.

Соотвественно, достаточно взглянуть на сетевой шнур от компьютера, что бы увидеть на нем: вилку-маму, вилку-папу. В стене — розетка-мама (из соображений безопасности), а на входе блока питания розетка-папа (из соображений эргономики). Хотя, надо отметить, что «розетка» в обиходе закрепилось за сетевыми соединениями, поэтому в радиомаге безопаснее употреблять «разъем на плату мама/папа» или «разъем на провод папа/мама». Просто? Просто! А теперь вот вам жирная выдержка из википедии, про западные обозначения очевидных вещей.

Попробуйте сходу сказать: Socket — это мама/папа/в плате или на проводе? А jack — это все-таки на плате, или то что втыкается или оба два?

Мои наблюдения близки к википедии: socket (гнездо или что-то к чему прицепляются «attach to socket») — это ближе к маме-розетке распаянной на плате (хотя есть исключения). У интел, например, LGA-socket, который де факто — папа. Header («головной» или «оконечный» разъем) — ближе к папе-розетке — тоже распаиваемой на плате. Receptacle — вроде как папа, может быть и розеткой и вилкой, но имеет закрытое исполнения (box header, утопленные контакты, группа штырьков спрятана за пластиковой стенкой или внутри металлического кольца). Все что втыкается на проводах это male/female plug. Если разъем вынесен на корпус — то это разновидность jack. Т.е. соотвествие маме-папе, розетке-вилке, выстраивается примерно следующее: socket-header pin, receptacle-plug. Но оно не взаимно однозначное, запросы типа «socket plug"/"socket male» — корректно обрабатываться не будут. Такая вот чертовщина.

Терминология на примере какого-то ужасно надежного промышленного коннектора.

Проще всего искать, конечно, через конструкцию типа: «Connector» + «board to wire (или board to board)» + «название интерфейса (если есть, либо просто header + N pins)». Обычно, даже если находится коннектор «не с той стороны», достаточно открыть на него datasheet и найти строку «mating parts» (ответная часть).

3. Тип крепления.

Самый простой — push-pull. Те же гребенки. Надавил — вставил, дернул — вытащил. Встречается достаточно экзотичный push-push. Надавил-вставил, надавил еще раз - вытащил (push to eject). Их можно встретить в мобильниках/фотоаппаратах — разъемы под microSD, симки (и даже иногда контакты аккумулятора) подпружинивают. Отдельная история — это разъемы с защелками. Что бы много не писать, собрал ходовые исполнения на картинке ниже. Полагаю, общий принцип достаточно очевиден — защелка въезжает в паз на скольжении/зацепом и с характерным щелком фиксируют положение контактов внутри.

К слову, защелка сокращает число допустимых коннектов до 300. Чуть ниже написал об этом подробнее.

Совершенно отдельная каста — это ZIF-сокеты (Zero Insertion Force Connectors). Используются чаще всего под микросхемы (например, процессор или память БИОС) — предполагающие установку без усилий. Там не надо ничего нажимать или давить, проц кладется в панельку — буквально сам ложится, как пушинка, а затем рычажок сбоку опускается и зажимает контакты.

ZIF — это не просто сокет, это отдельная философия соединений.

Вот так плавно въезжаем в основной раздел.

2. Сокеты процессоров.

Не буду расписывать всю длинную историю эволюции каменных гнезд, все должно быть в недрах вики. Давайте посмотрим практические особенности.

Сейчас главенствует целых три способа присобачить процессор к плате: BGA, PGA и LGA. Самый удобный — BGA (Ball Grid Array) — массив оловянных шариков на днище микросхемы.

Чисто электрически — очень удобный тип соединения. Но не обслуживаемый.

При нагреве паяльным феном и/или инфракрасной печью до 220 градусов и выше, шарики оплавляются и ценой минорной деформации плотно припаивают чип. Большие (от 0,65мм) обнимают круглый медный пятачок на плате (рис 1 non-collapsible), маленькие (меньше 0,65мм) обычно ублиниваются до сплюснутой сферы (collapsible). Внутри шарика может быть пластиковое ядро, хотя я не встречал (видимо только в больших). Это удобный вариант для производителей силикона, кристалл после литографии можно развернуть и шлепнуть внутри чипа лицом вниз и разварить (Flip Chip BGA). Удобный вариант для разработчиков электроники — площадки под шарики легко разводить на плате, у них хорошие электрические характеристики и маленькие размеры. Только пользователи ПК — в этой истории пролетают, заменить процессор без спец оборудования нельзя. Соответственно, ноутбуки и мобильники придется тащить в ремонт.

Впрочем, ошибки при проектировании BGA иногда случаются. Тогда мне пришлось тащить от шариков эмалевые проволочки 0,1мм на другой конец платы.

Второй способ это PGA-сокет (Pin Grid Array). Особенно успешно их использует компания АМД. Кто не знал, официальное название сокета AM4: µOPGA-1331. Впрочем, время от времени Интел тоже возвращается к «процессорам с ножками». Например, в ноутбучные i7-720QM от 2009 года, были в корпусе rPGA-989, которые примечательные еще тем, что на них есть документация. Техническое название этого разъема 2013620-3.

Документация на многие сокеты доступна в сети. Надо просто знать правильные названия.

Положа руку на сердце, не люблю пластик, всегда предпочитал металл и стекло, прочность и эстетика. Но электроника без него сейчас немыслима. Вот и PGA-сокеты состоят из сложной пластиковой формы, в которой утоплены металлические контакты. Сильная сторона пластмасс — хорошая электроизоляция — почти ГигаОм на миллиметр. Он не подвержен воздействиям магнитного и электрического поля и относительно дешев в производстве. Его минусы — очевидно термозависимость: нагрев приводит к деформации, охлаждение к хрупкости. Для сокета нужен такой материал, что бы он стабильно выдерживал первичный монтаж — то есть короткий «термоудар» в 230градусов, но при этом годами жил под тяжестью полукилограммового радиатора в температуре +65 без сильных деформаций. На эти и другие вопросы, частично отвечает реология полимеров, давая четкие отличия между полиэтиленами, полиамидами, полиимидами и прочими поли-, на основе чего выстраивается техпроцесс литья/формовки пластика.

Стоимость хорошей многозонной печки для пайки любой электроники начинается от 8000 евро. Впрочем, в недрах Китайских Авито можно найти б/у подешевле.

Рассмотрим гипотетическую ситуацию. Представьте себе квадратный девайс — 30 на 30 выводов, с четким шагом 1мм между пинами. От первого до последнего получается 1мм х 29 промежутков = 29мм. Если при равномерном нагреве шаг съедет до 1,01мм, то расстояние между вершинами матрицы выводов станет 29+0,01х (30-1)=29,29мм. То есть крайние ножки просто не сядут в свои отверстия — для ZIF-сокета это конец. Еще раз замечаю, кейс весьма гипотетический, несет иллюстративный смысл. В реальной практике обычно наблюдаю, как оплавляются китайские разъемы-гребенки при пайке феном на жалких 200 градусов. Впрочем, бывалые специалисты по ремонту могут рассказать про отвал BGA — когда из-за ттермодеформации оловянные шарики приходят в негодность. PGA сокет для процессора (судя по доступной документации)- припаивается как классический BGA.

Второй важный ньюанс сложных разъемов — Durability (долговечность). В данном случае измеряется количеством установок процессора с полным защелкиванием. TE Connectivity для своих процессорных сокетов гарантирует 30 раз. Что будет потом? — Ну скорее всего ничего. 30 защелкиваний — это гарантия на многомилионную серию, по наихудшему результату после проведения тестов. Прогнулся контакт, треснула пайка/корпус, упало сопротивление, появился налет — разъем непригоден. Но вы прочувствуйте, саму цифру — всего 30 включений — и все, дальше как повезет. Обычный USB в телефоне такой ресурс за пару дней выработает.

Картинка с таблицей возможных проблем с коннекторами.

Третий ньюанс: усилие для сопряжения. 0,57 Ньютон-метров, это 50 грамм-сила-метров — пролетая над гнездом пушинки. Иными словами, проц под своей массой в сокет встает сам.

Для процессорных сокетов типа LGA (Land-Grid Array) справедливо все тоже что и для BGA и PGA. Формально — это массив позолоченных контактных площадок на подошве (интерпозере) любой микросхемы. Некоторые акселерометры тоже использзуют LGA-корпуса, с 16 пинами расставлеными по квадрату. Мы же, в контексте PC, рассмотрим на примере известного LGA2011, который используется в серверах и топовых пользовательских сборках.

LGA whitesheet

По сути это тот же пластиковый контейнер c контактами. Припаивается на шарики, как BGA. Те же 30 циклов соединения-разъединения. В электронных сторах определяется по парт-намберу: 1554653-1. Из особенностей сокетов серии LGA можно отдельно отметить ток на контакт 0,5 Ампера. Это приводит нас к объяснению, почему у процессоров так много ножек.

0.5 А — это еще много. Не уверен, что это, прям, рекомендуемое значение.

Больше половины всех контактов используются для подвода питания к вычислительным бокам процессора. 0,5 Ампера х 200 ножек питания = 100 Ампер, ток питания ядра. Но на самом деле, в таком раскладе пинов нужно 400, потому что 200 — подводят мощность, а 200 — «условно» отводят в землю (токи текут только по замкнутым контурам). А ведь есть еще питание остальных узлов на кристалле, а есть еще сотни и сотни ножек для подключения многоканальной оперативки, и несколько сотен интерфейсных ножек для всяких USB/HDMI/RGMII и т. п. Вот так и набегают чудовищные числа в серверных сокетах.

Один лист из схемы какого-то не очень древнего ноута. Хочу заметить, это далеко не все контакты для питания процессора.

Имея в арсенале эту фактологию, можно поспекулировать над вопросом почему интел часто меняет сокеты. Я склонен полагать, что это обсуловлено не только маркетинговыми причинами. Как известно у Интел были некоторые проблемы с техпроцессами и неуемным потреблением мощности. Откуда, в документах появилась цифра 0,5 Ампера на контакт? Полагаю, это аккуратно высчитанный оптимум между нагревом и электрическими характеристиками. Можно ли сделать 1 Ампер? Очевидно, что можно. Да хоть 100 Ампер на контакт, но от нагрева он тут же оплавится, если не испарится. А поскольку, сокет это разъем сигнально-силового типа, с очень высокими требованиями к надежности/позиционированию, не трудно поверить, что маркетинг тоже шел на некоторые компромиссы. Да и реорганизация производства под новый сокет — тоже удовольствие достаточно затратное.

Механический чертеж, для проектировщиков кастомных серверных плат. Хотя обычно производитель процессора дает референс-дизайн откуда можно сразу стянуть посадочное место, что бы вручную все не отрисовывать.

3. Выводы.

За потоком сознания могли ускользнуть основные тезисы.

Надеюсь, мне удалось поведать что-то новое. Что дальше делать с этой информацией? — на ваше усмотрение. В свете последних событий, очевидно одно — берегите свое железо изо всех сил.