升技工程师谈主板设计
整机外设
长期以来，超频都是DIYer们津津乐道的话题。设计一块超频性能优秀的主板，对硬件工程师来说也是一个挑战。今天我们请来升技的工程师，为大家讲解他们在设计主板时的一些理念，看看工程师是怎样考虑超频问题的。以下内容仅代表升技工程师的观点，并不代表本报的观点，我们也不对此作任何评价。
主板中的PCB布线设计
如今，多管脚封装的南北桥和越来越小的元器件使得主板布线密度越来越高，主板的设计复杂度和以前相比大大增加。GHz级系统时钟、高速系统总线、相对越来越小的物理尺寸，尤其是器件纳秒级的上升沿时间，使得主板设计要仔细考虑信号完整性等问题，其中布线设计是关键。
在主板设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，以布线的设计过程限定最高、技巧最细、工作量最大，并且布线之前的许多工作其实都是为它而做。一般来讲，主板布线设计时会预先对要求比较严格的线路进行布线，输入端与输出端的边线避免相邻平行，以免产生反射干扰，必要时加地线隔离，且两相邻层的布线要互相垂直，如果平行的话容易产生寄生耦合。地线护送与数据线基本等长、在发送侧加阻尼电阻、布线不走直角。
图1、图2 输入输出端设计示意图、实际线路
在整个主板中，如果其他部分的布线都完成得很好，但由于电源线、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的最终设计是否成功。因此在主板布线中应考虑把电源线、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。如在电源、地线之间加上去耦电容；尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，通常信号线宽为：0.2mm～0.3mm，最细的线宽只有0.05mm～0.07mm，电源线为1.2mm～2.5mm。
图3 时钟设计原理图
图4 时钟线路实际线路图
图5 不同电压分层布线示意图
主板的数字电路部分用宽的地导线组成一条回路，即构成一个地网来使用，并用大面积铜层作地线用，在印制板上把没用上的地方都与地相连接作为地线使用。电源线、地线各占用一层。通过这些设计，可以降低干扰，使主板上的信号更加清晰，主板的稳定运行才会有保障，同时也利于主板的超频。
高质量的电源设计
根据Intel主板设计参考标准，目前的P4主板须采用三相或者四相电源和低等效串联电阻值(Low ESR)电容，并且主板所采用的电解电容的ESR(等效串联电阻)值应该小于等于9.28毫欧。
以升技主板为例，目前升技主板上的电解电容大量采用了日本著名品牌RUBYCON的产品，该电容在稳定性和极低ESR(等效阻抗)等方面有非常出色的表现，其中等效阻抗值只有1.5毫欧，这代表着单位时间内，电容可通过的电流量增加了25%左右，由于等效电阻值的降低，同时也降低了电容的温度，延长了电容的寿命，为主板超频工作打下良好的基础。同时CPU和内存插槽周围还使用了大量的高频SMT电容配合，保证了更高的电容精度，加强了CPU和内存的工作电压稳定，增强了系统的稳定性，减少了超频后的隐患。从而完美地解决了电源中较高的电容的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)对电源效率产生的负面影响。
图6 四相电源示意图
图7 Intel设计参考中四相电源部分对电容的要求
那么四相电源的设计有什么好处呢？通过四相供电即一个开关脉冲周期中有四组脉冲方波，这四相的关系是并联同时供电，所以相数越多其供电推挽能力越强。四相供电可以看做四个单相电源结合周围的MOSFET(这里每相两个)、电容等构成的新型供电电路。从本质上讲，大电流低电压的DC-DC直流转换供电需求无外乎几点：电源转换效率要高(相对来说损耗小，这样浪费的能量以热量形式表现出来也少)；稳定──具体来说电源开关电路曲线很平稳，波动小。四相供电有较大的电流/电压余量，因此在大功率供电下的表现自然比较优秀。四相电源中的MOSFET、扼流线圈以及电容的排列位置很有规律，通过设计让四相相位严格一致，在瞬间能提供更大电流，并且不会因为大电流而使电压降低，对超频稳定性会有极大的帮助。四相供电还显著降低了各MOSFET控制电流的时间， 根据实测结果显示，采用四相供电的情况下，供电组件的发热量要减少20%，即温度要降低10℃左右。
图8 四相电源实物图
由于普通主板的电源是按照正常的CPU规格设计的，双相电源提供的电流大约50A，而目前一颗P4 3.06GHz的电流需求就超过了50A，其中电流还要供给AGP和PCI，这还不包括电源的转换效率。由于不可能存在100%的转换效率，如果采用较低品质的电容，使电源部分产生热损耗(电能转化为热能)，因此普通主板完全没有留有余量。而在超频时电流将变大，电源负荷加大，电压超负荷后就会使电源输出电压降低，从而导致超频失败或稳定性降低。四相电源供电设计就可避免以上问题，最高能提供100A的电流，为超频提供稳定的电源支持。
5位倍频标志技术
一块优秀的主板，不仅稳定性好，在超频方面也应该有不错的表现。因此工程师在设计主板时会加入有利于超频和系统稳定的设计，如升技主板采用的5 Bits FID(FID=Frequency ID，5位倍频标志)技术。
大家知道CPU的频率是由外频和倍频的乘积所决定，开机时我们可以通过预先的设置决定CPU以100MHz或133MHz等标准频率来启动，而CPU会以外频乘上它内部预设的倍频来决定它的运作工作频率。举例来讲，Duron 1GHz是外频100MHz乘上倍频10，Athon 1.2GHz是外频133MHz乘上倍频9所得。当系统一开机，CPU会经由FID(倍频标志)将它的倍频值传给南桥，南桥以此了解CPU工作频率，进而可以调整一些对应的参数值。由于没有12.5以上的倍频，所以预设倍频超过12.5的CPU会固定只传给南桥12.5的倍频值。若是CPU倍频没有被锁定，则可以通过AC2001芯片(图9)回写CPU的FID(倍频标志) 来更改CPU倍频，但回写的同时也必须将相同的值传给南桥并作相应的调整。
图9 AC2001芯片用来回写CPU倍频
目前有不少主板采用的是4-Bits FID设计，如果南桥只有4-Bits可回传，当我们想回写的倍频高于12.5时就只能固定传给南桥12.5的倍频值，那么倍频超过12.5会造成倍频判断错误。而此前的4-Bits FID Override对于倍频大于12.5的CPU无法更改倍频而只能使用默认值，5-Bits FID Override 拥有了更完整的功能，可以随意选择倍频。
5-Bits FID Override的优点非常明显，比如：KT400芯片组支持外频100MHz/133MHz/166MHz的CPU，匹配不同的DRAM(内存)频率可以产生许多同步或异步运行的模式(如DDR333内存可以与三种外频的CPU配合运行)。若我们将Athlon XP 2400+ (133MHz×15，其实际频率是2000MHz))以不同的外频与倍频组合100MHz×20， 133MHz×15以及166MHz×12(三个乘积皆是2000MHz)来与DDR333的内存匹配，在相同的CPU频率下，166MHz/166MHz的模式是拥有最佳性能的(甚至优于133MHz/200MHz)。所以拥有5-Bits FID Override 时我们才可将倍频大于12.5的CPU调整倍频以获得最佳的效能。