LGA？PGA？ 从接口的发展史看CPU

超载

CES 2022大展上， AMD分享了一个重要的信息： AMD确认， 下一代锐龙（Ryzen）处理器锐龙7000系列CPU将会在2022年下半年与消费者见面，它将正式抛弃PGA的AM4插槽，改用LGA的AM5插槽（图1），而且AM5插槽的寿命将会同AM4插槽一样长寿。

可能有些小伙伴会很疑惑，什么是PGA？什么又是LGA？他們之间的区别究竟是什么呢？别急，今天我们就一起通过这些接口插槽（图2）来看看CPU吧！

什么是PGA？

在CPU插槽尚未发明之前，CPU是直接焊在主板上的。因早期电脑不普及、CPU种类较少，基本无问题。后来CPU开始变得多种多样，且DIY日益兴起，为了方便CPU的拆装更换，CPU插槽应运而生。

所谓PGA，其实它是一个缩写，全称为PinGridArray，即插针网格阵列。PGA封装一般是将集成电路（IC）焊接在一块电路板上，电路板的另一面是排列成方阵的插针（图3），这些插针可以插入或焊接到其他电路板上对应的插座中，适合于需要频繁插拔的场合，通常我们也将其称作Socket接口。一般PGA插针的间隔为1/10英寸，即2.54毫米。早期的英特尔Pentium处理器采用的是PGA封装（Pentium 2之前），后来的Pentium 4处理器则采用了基于PGA技术发展来的FC-PGA（反转芯片PGA）封装。

什么是LGA？

那么，什么是LGA呢？LGA全称为Landgrid array，即平面网格数组封装，是一种集成电路的表面安装技术（图4）。其特点在于针脚是位于插座上而非集成电路上。LGA封装的芯片能被连接到印刷电路板（PCB）上或直接焊接至电路板上。与传统针脚在集成电路上的封装方式相比，可减少针脚损坏的问题并增加脚位。

其实早在1996年，MIPS R10000和HPPA-8000处理器就已经使用LGA封装，但英特尔从2004年的Pentium 4 （Prescott） 处理器（图5）才开始使用。所有Pentium D和Core 2 Duo乃至今天的所有英特尔台式机处理器都使用LGA封装。 从2006年第一季度开始，英特尔开始在服务器领域使用LGA封装。而AMD一般只在服务器及高性能领域才使用LGA封装（如Socket G34，LGA 1944），直到即将到来的新一代锐龙7000才转换到LGA（AM5）。

什么是LGA？

那么，什么是LGA呢？LGA全称为Landgrid array，即平面网格数组封装，是一种集成电路的表面安装技术（图4）。其特点在于针脚是位于插座上而非集成电路上。LGA封装的芯片能被连接到印刷电路板（PCB）上或直接焊接至电路板上。与传统针脚在集成电路上的封装方式相比，可减少针脚损坏的问题并增加脚位。

其实早在1996年，MIPS R10000和HPPA-8000处理器就已经使用LGA封装，但英特尔从2004年的Pentium 4 （Prescott） 处理器（图5）才开始使用。所有Pentium D和Core 2 Duo乃至今天的所有英特尔台式机处理器都使用LGA封装。 从2006年第一季度开始，英特尔开始在服务器领域使用LGA封装。而AMD一般只在服务器及高性能领域才使用LGA封装（如Socket G34，LGA 1944），直到即将到来的新一代锐龙7000才转换到LGA（AM5）。

插槽之演变

如果我们将处理器与普通芯片“一视同仁”，你就会发现，无论是PGA还是LGA，不过是为了方便更换而生的一种插槽接口方式。

其他很多芯片的接插、安装方式多为不可更换（或者说需要专业工具）的形式，例如双列直插封装（图6）、单列直插封装（SIP）、锯齿形直插封装（ZIP）、球栅阵列封装（BGA）等等。

CPU之所以需要更换，就是为了便于用户或者厂商对处理器的升级、更替。如果从电气特性来看，BGA方式（图7）其实是非常好的选择——但是它不具备便利的可更换特性。

PGA接口的出现，极大方便了更换处理器的工作（图8），LGA的出现则更大程度上是为了降低维修成本——针脚从处理器一侧改在主板上，别看这个小改变，PGA的针脚容易断裂、且间隔较大。另一方面，LGA具备极佳的“扩展性”，PGA则不便于容纳更多接触点。这些点位或是供电、或是信号，随着处理器的复杂程度日益加剧，PGA显然不如LGA来得好。

当然，无论是PGA还是LGA接口，在安装处理器的时候，如何將其固定就十分有讲究了。为此，针对不同的接口也有不同的固定方式。在PGA接口上，其插座为零插拔力插座（图9），即ZIF（Zeroinsertion force）。它通过一个杠杆让用户拉起或推开插座，这个时候，插座内的弹簧式触点就会分开，然后将PGA接口的处理器对准放下，再将拉杆拉回到原位卡主。当插座“归位”后，接触点会闭合并且“抓紧”处理器的针脚，以此固定。

而在LGA接口上，其实也是大同小异，只不过它是通过紧固顶盖的方式固定（图10），少了弹簧式触点而已。

你方唱罢我登场

●Socket 1—Socket 3

1989年，英特尔著名的80486处理器登场了，与之配套的便是Socket 1插座，这个时候处理器的针脚不过169个，对比英特尔最多触点的Socket R4插座（2066个触点），几乎是12倍的差距！Socket 1也是英特尔第一个标准化的处理器插座，以此为基础，Socket 1一直发展至Socket 3，针脚也一路从169个升级到237个。这期间，CPU一直是80486一个型号，当然区分为80486 SX /DX /DX2（图11）/DX4，乃至80486 OverDrive不同的规格。

●Socket 4—Socket 5

Socket 4至Socket 5时期，英特尔推出了著名的Pentium品牌处理器，也就是通俗意义上的80586（实际上没有这个名称）。同一时期，AMD也在Socket 5上推出了AMD K5处理器——尽管性能还是要比Pentium来得差一些。在Socket 4接口上，处理器的针脚数量为273个，而到了Socket 5上，已经增加到了320个针脚，当然，不同接口下的Pentium 处理器型号、性能也在变化。

●Socket 7

1994年正式启用的Socket 7（图12）极为经典，英特尔Pentium MMX就是基于Socket 7接口的处理器产品（图13），也正是这个时期，个人电脑在中国大陆开始流行起来。在这个时期，最为经典的英特尔430TX芯片组主板+Pentium MMX或者AMD K6-2几乎是“标配”的组合。

而且，Socket 7接口因为没有专利壁垒的制约，所以第三方处理器如雨后春笋般爆发，包括Cyrix、AMD、IDT、Rise等处理器都在使用Socket 7。这也让英特尔“痛定思痛”，推出了一个非常有悖常理的Slot 1接口，以专利壁垒的形式让诸多处理器厂商就此退出赛道。

但是Socket 7接口的寿命并没有随着英特尔改换门庭而终结，相反，在AMD的“大力支持”下，Socket 7一直存活到了2000年——AMD在这个接口上一直持续推出处理器，包括著名的K6-2+和K6-3。

●Super Socket 7

1998年是属于AMD的一个闪耀时代，AMDK6-2（图14）大放异彩，这也是AMD第一次有了正面抗衡英特尔处理器底气的一款经典产品。AMD的处理器此前一直采用英特尔的插槽，而Socket 7是AMD拥有合法授权的最后一个。英特尔曾希望通过中止Socket 7发展和走向Slot 1，让其他厂商无路可走，这个时期，诸多处理器厂商都倒下了。而AMD却坚持下来，根据需要，将Socket 7升级为Super Socket 7——配备100 MHz FSB（前端总线），在Socket 7接口上最高只能支持83MHz的FSB。而且Super Socket 7还提供了对AGP总线的支持，这也是Socket 7接口上没有的。

另外，Super Socket 7还向下相容Socket7，这意味着Socket 7的处理器可以用在SuperSocket 7接口的主板上，但使用Super Socket7规格的处理器在Socket 7主板上无法全速运作（前端总线的制约）。

特殊时期的产物

●Slot 1

Slot 1是英特尔于1997年推出的一种处理器插槽，使用P6 GTL+总线协议，它拥有242个引脚，与当时的英特尔Pentium 2一同推出（图15）。Slot 1并不是一个明智的技术产物，或者说它更多的是为了以专利壁垒限制竞争对手的商业手段——英特尔在当时声称，在Socket 7接口的处理器中无法放置二级缓存，必须从物理形式上进行改变以满足这个设计要求。然而在此之后的不久，英特尔就推出了Socket 370接口，在Socket 370的Celeron 300A处理器上，128KB的二级缓存赫然在列。而且，这种金手指的设计实际上也不可能有太多的发展空间，处理器越发复杂，需要的针脚也越来越多，金手指的插槽物理尺寸限制不可能无限扩大。最终Socket 370接口全面取代了Slot 1接口，这是因为Slot 1的设计传输速率达到了极限。

●Slot A

英特尔推出的Slot 1无疑堵住了大多数人的前进之路，不过AMD是个例外。你有Slot 1，我就弄一个Slot A（图16）！而且Slot A接口下的Athlon处理器，是历史上第一个达到1GHz的处理器产品！相比于Super Socket 7，Slot A拥有更高的总线速度，而且与之配套的处理器采用的是DEC原本为Alpha处理器开发的的EV6总线协议（服务器用），它的技术规格在当时非常先进。

有趣的是，Slot A接口从外观上看几乎就是调转了180度的Slot 1，这样可以让主板生产厂商从现有市场采购所需要的接插件加以利用——当然，虽然物理形式极为接近，但是它对每个针脚（金手指）的物理定义完全不同。

●Socket 370

正如前文所述，英特尔在转换到Slot 1接口之后不久，针对性的又推出了Socket370接口的处理器，本意是针对OEM市场及中低端市场使用。但很快这个接口就取代了Slot 1，成为了相当时间内的主流处理器接口。所谓Socket 370，是指它的针脚达到了370个，进一步提升了密度，有趣的是，这个处理器接口和Slot 1可以实现转换——即Slot 1接口主板可以通过转接卡安装Socket370接口的部分处理器，毕竟一段时间内它们都是使用英特尔B4 40BX芯片组的。在Socket 370接口的处理器中，最出名的莫过于英特尔Tualatin Pentium 3/Pentium 3S了（图17），它们的性能甚至超过了部分早期的英特尔Pentium 4处理器。

●Socket A

英特爾和AMD的双雄局面就是从Slot 1/Slot A至Socket370/Socket A阶段正式形成的。为了对抗由Slot 1到Socket 370的转变，AMD在Slot A接口之后推出了Socket A接口，或者称之为Socket 462接口。Socket A接口拥有 462个针脚，密度更进一步，它主要支持Athlon K7至Athlon XP 3200+处理器（图18），包括历史上极为著名的Barton Athlon XP、Morgan Duron处理器，都是基于Socket A接口的产物。最重要的是，这一时期AMD的处理器性能普遍要好于同级别的英特尔处理器10%以上——Pentium 4这个英特尔历史上最失败的处理器拖了后腿。

●Socket 423—Socket 478

英特尔犯错一直持续到Socket 423接口上。Socket 423的出现是为了配合Pentium 4处理器（图19）推出的，针脚数量达到了423个（注意针脚还是比AMD Socket A少），目的是为了RDRAM内存数据交互和处理器的频率提升而设计。不过很快英特尔就发现了一个致命错误，Willamette核心的Pentium 4处理器本意是为了高频而生，但是因为设计问题，频率始终无法突破2GHz，很快，它就被Socket 478接口的产品取代了——那些购买了Socket 423接口产品的人非常痛苦，因为它们升级的代价就是全面替换，而不是渐进升级。

Socket 478初期也不是很顺利，最早的Socket 478接口主板因为设计问题不能支持533MHz前端总线（图20），直至中期才开始完善并且最终支持到800MHz前端总线。而且，Socket 478接口时期也是英特尔历史上非常黑暗的一段日子，这个接口下的Pentium 4处理器极为差劲，超高流水线、超高频率的Pentium 4处理器性能实际上非常孱弱，尤其是Prescott核心的Pentium 4处理器，性能低功耗高，发热也十分恐怖。到了2004年，LGA 775取代了Socket478，英特尔才迎来了曙光。

●Socket 754—Socket 939

2003年9月，AMD发布了Socket 754接口平台（图21），用以支持Athlon 64和Sempron处理器使用，这也是首个支持64位处理器的接口平台。与后期发布的Socket 939接口平台对比，它实际是一个“不完全体”，具体表现在它支持单通道内存，HyperTransport总线带宽只有9.6GB/s，这也限制了这个平台的性能发挥，因此Socket 754接口的寿命并不长，很快就被Socket 939全面取代了。

2004年6月，也就是Socket 754推出后不到一年的时间，AMD发布了Socket939接口（图22）平台，它可以支持Socket75 4所不能提供的双通道内存规格，并且HyperTransport总线的带宽也更大。不过你以为Socket 939很长寿吗？答案是否定的，仅仅过了不到两年时间，也就是2005年的5月，Socket 939就迅速被AM2接口取代了。可以说，无论是Socket 754还是Socket939，它们都是昙花一现的存在。

新世代LGA VS PGA 性能之争

截至目前，除了Slot 1和Slot A接口外，无一例外处理器都是使用PGA方式设计的，而在2004年，英特尔推出了更为先进的LGA，即LGA 775（图23）平台，就此，一场PGA VS LGA的争夺战正式打响——如果以今年AMD即将发布的AM5作为截止符，这场争夺持续了18年之久。

●LGA 775

LGA 775于2004年7月发布，最初取名为Socket T，这是首个使用LGA 方式的接口平臺。不过这个时期，英特尔的处理器性能依旧“拉胯”，Pentium 4、Pentium D、部分Prescott核心的Celeron（CeleronD）性能难以让消费者满意，直到划时代的Core 2 Duo处理器诞生，才让英特尔重回性能之巅。LGA 775接口平台也是最后一个拥有第三方芯片组的产物，这个时期除了英特尔自己的芯片组产品外，NVIDIA还推出了支持LGA 775接口平台的nForce系列芯片组产品，SIS也拥有SIS649/656/656FX/661FX /662/670/671FX多款产品，VIA也有VIA PM800/PT800Pro/PT894/PT894 Pro多款。最有趣的是，刚刚被AMD收购，也就是竞争对手旗下的ATI也推出了支持英特尔处理器的RadeonXpress 200 IE、RD600芯片组产品（图24）。在此之后英特尔也好、AMD也罢，再也没有第三方芯片组产品了，这两家厂商形成了事实上的平台垄断。

● LGA 1156—LGA 1151

LGA 775接口平台的Core 2 Duo一经发布便让英特尔重回巅峰，自然英特尔希望凭借这个优势稳固自己的优势地位，LGA 1366和LGA 1156（图25）就此诞生。LGA 1366接口平台产品性能极为强悍，但是多用在服务器、工作站上，对普通用户而言LGA 1156更为合适，在LGA1156接口平台上，第一次取消了南北桥设计，也就是将北桥功能集成于处理器之中，南桥则演变为PCH芯片，也就是单芯片构架，这种模式沿用至今。之后的LGA 1155更是达到了一个新高度，著名的SandyBridge构架处理器至今还有一些老用户在使用，可见其性能之强悍。

到了2013年，短命的LGA 1150诞生了，尤其对比后来者LGA 1151接口平台，它的寿命不过只有两年，很快就被取代了。LGA 1151接口平台（图26）于2015年推出，从Skylake到Coffee Lake，LGA 1151接口平台历经了英特尔四代处理器，甚至最早的100系列芯片组可以通过“破解、修改”从第六代处理器一直支持到第九代处理器，历经5年之久。时至今日，LGA 1151接口平台依旧是诸多用户的主力平台。

●Socket AM2—Socket AM3+

在英特尔LGA接口平台高歌猛进之时，AMD却陷入了麻烦，2006年AMD推出了Socket AM2接口平台，针脚数量为940个，因此也常常被称为Socket 940，与之匹配的Phenom构架系列处理器性能对比英特尔同时代产品总是存在差距，也是这个时期，英特尔的处理器因为领先优势代际间性能差距并不大——因为这已经足够压制AMD平台产品了。

为了保持竞争力，AMD的Socket AM2至SocketAM3保持了良好的兼容性，因此设计也颇为奇特。比如到了AM3接口平台的时候，其主板的接口拥有941个针脚，但是处理器则是938个针脚，这样独特而怪异的设计应该是历史上唯二的存在。在AM2和AM3接口平台之间，还有一个过渡性的AM2+，用以平滑过渡，但是它的存在时间极为短暂，只不过是以AM2接口平台为基础，增加了对HyperTransport 3.0总线的支持，但是又不能使用DDR3，很快就被淘汰了。

到了AM3+时（图27），主板底座针脚数为9 42个，处理器针脚数为938个，以此来保持对AM3接口处理器的兼容。它提供了AM3接口平台没有的HyperTransport 3.1总线，并且DDR3内存规格和供电效率上改进明显。不过，这个时候的AMD处理器依旧难与英特尔同时代产品竞争，可以说，这一段时期也是AMD历史上最为艰难的时刻。

●Socket AM 4

什么是扬眉吐气？Socket AM 4接口平台完美的诠释了这一点。早期的Socket AM 4平台几乎就是APU的天下，代号为Bristol Ridge的APU产品集成了诸多功能，用以吸引用户使用。2016年发布的Socket AM 4拥有1331个针脚，这让它的拓展性大为增加。到了2017年，隐忍了许久的AMD终于爆发了——锐龙（图28）在此时横空出世，它让AMD再也次拥有了和英特尔一较高下的本钱。时至今日，Socket AM4横跨了四代产品，从Zen终于赶上一直到Zen3微架构，终于将英特尔的同时代产品比了下去，同时其保持了极佳的兼容性，即便是老款的Socket AM4接口平台芯片组主板，也能对新处理器提供良好的兼容性支持。可以说，Socket AM4接口平台功不可没。

● LGA 1200—LGA 1700

LGA 1200接口平台的推出，无疑现在看是一个过渡性产品，而且其配套处理器的性能并不令人满意。2020年5月发布，2021年就被LGA 1700取代了（图29）。上不能替LGA 1151，下无法与LGA 1700平滑过渡，LGA 1200接口平台虽然支持10代和11代酷睿处理器，但无奈只是昙花一现的存在而已。

LGA 1700接口平台无疑是英特尔的一个翻身仗——混合核心设计、支持DDR5内存规格的12代酷睿处理器终于迎头赶上，性能提升巨大，但也正因如此，其对电压、信号等设计更加复杂，更多的针脚来定义相关规格势在必行。这也是为什么LGA 1700的触点数量一下提升了500个的根本原因。

●LGA AM5

英特尔和AMD总是呈现螺旋式的技术竞争，不过在接口方面，AMD终于准备在民用消费市场产品上更新换代了——从PGA转换到LGA。在即将到来的新一代锐龙7000系列处理器上，AMD终于舍弃了PGA模式，改用和英特尔一样的LGA接口，这就是AM5接口平台（图30）。

可以說，Socket AM4已经是PGA方式的天花板了，处理器拥有高达1331个针脚，实难再扩大面积增加针脚数量。要知道新一代的锐龙处理器拥有高达1718个触点，继续使用PGA模式无疑是非常困难的（除非继续增大处理器面积），无论对安装还是后期维修来说，都已经很难实现，必须专用AM5接口平台。之所以需要这么多的触点，是因为在锐龙7000系列处理器不仅要提供对DDR5的支持，同时还需要对PCI-E 5.0提供支撑，那么多的信号定义、供电定义，无论如何也是AM4接口平台那1331个针脚无法支撑的，这也是为什么AMD最终也转向了LGA模式的根本原因。

从技术角度，LGA确实要比PGA更好，因为在有限的面积内它可以容纳更多的触点，PGA的针脚间距不可能一直缩小。而且在维修上，更换处理器底座的技术难度远远低于修复处理器针脚（图31）的难度。可以说，PGA是时候走入历史了，未来只能是LGA的天下。