9 апреля 2022 9.04.22 4 1680

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

+22

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.
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.
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.
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.

It is common practice to use female connectors for jacks, so the informal gender-based usage often happens to agree with the functional description of the technical standards. However, this is not always the case; often-seen exceptions include a computer’s AC Power Inlet and EIA232 DE9 Serial Port, or the male coaxial power jacks for connecting external power adapters to portable equipment.

To summarize, it is considered best practice to use «male» and «female» for connector gender, and «plug» and «jack» for connector function or mobility.[citation needed]

In the UK, many Commonwealth countries and some non-English-speaking countries[where?], the word «jack» may refer to the plug on the end of a removable cable. These connectors were originally referred to as «jack plugs», or plugs intended to be mated with fixed receptacles, or sockets (which North Americans would call «jacks»), but the second word was dropped.[citation needed] This variant usage is in direct contradiction to common usage and official standards in North America. In the United Kingdom, for example, the connector on the end of a headphone lead is known as a «jack», that plugs into a socket on the main unit. The same generally occurs also in Italy, where the English word «jack» is commonly used to indicate the connector on the end of a headphone lead. In Romania female connectors are known as «mamă» (mother) and male connectors are «tată» (father)

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.

  1. Сокеты имеют лимит по кинематике (Durability). Обычный регламент: 30 коннектов.
  2. Сокеты имеют лимит по мощности на контакт (Rating). Обычно около 0,5 Ампера.
  3. Процессор в сокеты обязан вставать без усилий (Torque).
  4. Крупнейший поставщик сокетов: TEConnectivity.

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.


Лучшие комментарии

Предлагаю к прочтению.
Автор старался работать только с источниками, но оставляет за собой право где-нибудь случайно «соврать».

Звучит, как комплимент)) Полагаю, для хабра калибр статьи мелковат, максимум в «песочнице» посидеть, но спасибо))

Давненько, однако, не виделись. Интересная тема, о которой в обычной жизни вроде и не задумываешься, но если понадобится, то, думаю, придется повозиться с поиском ответа. А тут вся информация на блюдечке с разложенная по полочкам, и ведь даже не скучно. Автору однозначно респект и плюс в карму

Читай также