自从Intel的Core i7、Core i5发布以来，我们评测室陆续收到来自Intel、华硕、技嘉、微星、映泰的共5块的P55主板了， 在这里我们试图从这5块P55主板中寻找P55主板共同点、寻找属于P55主板的特色，从而揭示P55主板带来的设计变革与其今天对主板发展的影响。
导言
自从Intel的Core i7、Core i5发布以来，我们评测室陆续收到来自Intel、华硕、技嘉、微星、映泰的共5块的P55主板了， 在这里我们试图从这5块P55主板中寻找P55主板共同点、寻找属于P55主板的特色，从而揭示P55主板带来的设计变革与其对主板发展的影响。
纵所周知，P55是Intel首款桌面的单芯片芯片组，除了采用单芯片设计为外，其供电电路的演变亦是一个重要特色，本文将以供电电路的设计为伊始，介绍P55主板的改变。在P55主板上，我们能看到了供电电路设计走向超高频化、用料多样化。同时非常幸运的是，现在主板界还没有像显卡界那样大肆鼓吹“数字供电”，纵使“数字供电”已经在主板上使用了一段时间了。其实“数字供电”这一叫法不但称呼错误，而且也歪曲了供电电路的本质。无论是何种供电电路，都属于模拟电路，而现在被称为“数字供电”的供电电路正确叫法应该是超高频开关（模拟）供电电路。
数字供电的由来
既然谈起“数字供电”这话题，就先从“数字供电”这具有创新性的名词出现谈起吧，同时了解一下PC供电电路的演变。
“数字供电”这一名词最早是伴随R600的出现而出现的，网间曾经有人撰文分析R600做工用料的一篇文章，然后该文章通过论坛、媒体大肆传播，提及“数字供电”。同时也因R600弃用了为人熟悉的普通直插式封装的电感线圈、D2PAK封装的MOSFET，而改用了双列直插式封装的电感线圈、QFN封装的MOSFET，这些封装的电子元件并不为PC用户熟悉，在宣传与信息缺乏的情况下，不明真相的群众们就从此相信“数字供电”的存在了。
R600的供电电路
虽然这种状况是是造成“数字供电”出现的其中一个原因，但不能把责任全推到撰文者个人的身上，在概念的变化先，他自己同时也是受害者。“数字供电”这一名词的出现，除了传播的因素外，还是某电源管理芯片供应商大肆营销的结果。那其在技术文档里增加了“digital”这一单词，变成了“digital power”。这个词组翻译过来就是“数字电源”的意思，但是世界上并不存在“数字电源”，“数字电源管理”倒是不缺。该厂商出现这种问题或许是其工作人员理解错误、进而导致的书写错误，但也不排除是故意的。而许多人看了“digital”就以为出现新东西了，然后大笔一挥，“数字供电”由此出现。其实，从根本来说，该厂商才是“数字供电”的发明者，特此声明。不过，今天我们就改回正确的叫法吧——超高频开关（模拟）供电电路。
也许有读者奇怪，难道供电电路就不包含数字电路么，答案是含有的，但是并非供电电路的核心。现在我们来看看德州仪器出品的TL494电源管理芯片结构图（如上图所示），一块5毛钱不到的电源管理芯片，从结构图上我们可以很清楚看到逻辑门、时钟电路等的数字电路，但大多电路仍是是模拟电路。同时我们随便看看身边的板卡电容、电感线圈等电子元件标记的参数，或看看Datasheet，标记的是都是电容、电阻等，而不是浮点运算是多少、带宽是多少，很明显它们是属于模拟电路的范围。所以说呢，数字供电电路（电源）仍在M-78星云上，若要使用请找奥特曼。如果喜欢非要加个“数字”这词的话，就叫数字电源管理超高频（模拟）供电电路好了。
超高频开关供电电路的出现
所谓超高频开关供电电路，简单来说就是电路的开关频率在500kHz或以上的供电电路。超高频开关供电电路在PC上出现，最早可以追溯到Matrox的幻日显卡出现，最明显使用的则是到了GeforceFX 5900。
Matrox出品的幻日显卡，与Geforce 3同时代的产品
在GeforceFX 5900露面的时候，它还处于工程样板的，在PCB的尾部采用了大量体积较大的、直插式的电容与电感线圈，PCB较长，还是使用高频开关电路。
而到了正式版GeforceFX 5900出现时，PCB的尾部供电电路焕然一新，电容都改为贴片式的、小体积的电容，小尺寸的、TTSOP-8封装的MOSFET更多了，而电感线圈亦缩小了体积，PCB明显缩短，供电电路开始走向超高频。
而到了NV40，供电电路的超高频化更为明显，供电电路的功率密度更高，必须加上散热片。
其实超高频开关供电电路早就开始使用了，只不过由于成本等原因尚未成为主流，尤其在主板里。而最近的P55主板的推出，我们看到了很多采用超高频开关供电电路设计的主板，或许超高频开关供电电路能借P55之风普及起来。
电磁干扰增加
超高频开关供电电路的优点就不必多说了，从不少关于“数字供电”的文章中便可略知一二了，在这里谈的是超高频开关供电电路存在的问题。
超频供电电路的体积较昔日的减小，工作频率大幅度提高，功能亦趋复杂化，因此对EMI与EMC有了更高的要求。电容的滤波特性以及电容的寄身电感电容的滤波性能对EMI、EMC有着重要的影响，因此眼光不能只停留在ESR上，供电电路的电容特性也必须重视起来。
理想电容的插入损耗特性
EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力通常用插入损耗特性来衡量。插入损耗的定义为：没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的噪声功率和接入滤波器后，噪声源传输到负载的噪声功率之比，用dB（分贝）表示。
简单来说，就是dB值越低，效果越好。在频率较低的情况下，即使电容值较大的情况下，插入损耗差异仍然较小，但是当频率提高以后，插入损耗的差距就迅速地拉开了。随着频率的提高，电容值越小插入损耗增幅较小，而电容值越大，插入损耗越大，换句话说，大电容更容易过滤低频噪音。所以我们在不少P55主板看到一个特色，在近CPU端布置的的电容值较小电容，过滤高频噪音，远离CPU、电能输入处布置电容值较大的电容滤去高频噪音，一改昔日电容等大的格局。读者可以借此特征判断主板是否使用了超高频供电电路，当然这并不完全准确。(如上图所示)在超高频供电电路上，为了有效降低电磁干扰，选择插入损耗低的电容尤为重要。
ESL与ESR问题
在理想的供电电路中，当频率一定时电容值越大，回路中的阻抗就越越小，进而滤波效果越好，因此电容值越大滤波效果就越好。但是实际电容并不具有理想电容中的所有特性，存在等效串联电阻（ESR）和等效串联电感(ESL)等问题 。在超高频开关的电路中，ESR不再是简单的发热问题，ESL影响了电容的滤波能力。
图中的L为串联等效电感，C为实际电容
由于ESL的存在，电容上是一个串联谐振电路，如上图所示，在实际工作中电容器像是一个带通滤波器而不是一个低通滤波器——工作当频率大于f0时，呈现为电感，不再是低于f0时的电容。为了实现电容的正常滤波作用，必须尽可能降低电容的ESL与ESR值，尤其是超高频供电电路中。由于电容的ESL、ESR由电容的构造和所用介质材料决定的，与电容容量无关的，但电容的构造和所用介质材料一定时电容的大小又会影响到ESL、ESR，因此必须合理选择架构、材质、容量合适，不能一味追求大容量电容。同时，我们也必须了解，ESL、ESR不仅仅存在于电容，MOSFET亦有此问题。
为了方便读者了解，现在举一例子说明。上图是20uf的MLCC与2000uf电解电容的交流阻抗对比图，在1MHz频率下，MLCC的交流阻抗明显比电解电容降低，这就是为何CPU插座里放置MLCC的重要原因。
丰富的MOSFET
传统的D PAK或是D2PAK封装的MOSFET在超高频开关电路中，由于ESL、ESR、散热等问题已经不再适用了，因此必须选择电气特性更佳、更利于散热MOSFET。在P55主板上，我们能看到多种封装形式的MOSFET出现，在此，我们便看一下这些MOSFET的掠影。
Intel原厂的DP55KG主板，采用ON Semiconductor出品的SO-8封装MOSFET。
微星P55-80GD上使用的QFN封装的、集成驱动器（driver）的MOSFET，即所谓的DrMOS。
映泰Tpower I55主板上采用了DirectFET封装的MOSFET，由于采用的金属外壳进行封装，因此能提供更佳的散热能力。
华硕P55主板上的LFPAK封装的MOSFET，由于空间有限，MOSFET的驱动器是放置在主板背面。
由于篇幅问题，我们在此就不逐一介绍这些MOSFET，留待各款主板评测再来细说。
PCIE高速模拟开关常态化
随着SLI、Crossfire的出现，拥有多条PCIE-16X插槽的主板日益增加，但由于芯片组提供的PCIE通道有限，不可能满足所有PCIE-16X插槽的需求，因此调控PCIE插槽通道数量的方案开始出现。早期，为了调控PCIE插槽的通道数量会采用PCIE桥接器或是跳线的方式，但是这两种方式过于麻烦，因此逐渐出现了PCIE高速模拟开关的解决方案。虽然在新的Core i7与Core i5处理器中集成了16个通道的PCIE，但是仍没有放弃PCIE高速模拟开关的解决方案。
Intel原厂的DP55KG主板上采用的PI3PCIE高速模拟开关来解决PCIE通道的切换问题
或许有些读者奇怪，现在PCIE通道都内置在CPU里面了，为何不把这些开关芯片也一起集成在CPU里呢。首先我们了解一下PCIE高速模拟开关，这些开关芯片属于双刀双掷模拟开关芯片，属于模拟电路；支持2个PCIE通道输入，4个PCIE通道输出，各有2个输出通道连接在PCIE-16X插槽与PCIE-8X插槽上，进而达成16×1或是8×2模式。而CPU自身除了少数发射数据的模拟开关外，基本是由数字电路组成。与数字电路不同，降低线宽会对模拟电路电路产生反效果，而且模拟电路对工艺的诉求点亦不同于数字电路。若是把PCIE高速模拟开关内置在CPU，不仅提高CPU的设计、制造的复杂度，还增加了成本，甚至可能会造成性能的下降，因而得尽可能的把数模电路相互独立起来。因此，在很长的一段时间里，我们仍将看到PCIE高速模拟开关存在于主板上。
位于微星P55-80GD主板背面的PI2PCIE高速模拟开关芯片
P55主板的布线
P55芯片是Intel首款桌面单芯片组、Intel第二款单芯片组产品，在当年NVIDIA推出首款单芯片的nForce芯片组的时，单芯片的优势已经大肆宣传了——提高集成度、降低成本、减少主板布线的难度等等。但在P55之前单芯片都是面向入门级或移动产品，P55是首款面向中高端的单芯片组，而Intel则把它定义为PCH（Platform Controller Hub）。由于LGA 1156的Core系列处理器都集成了MC（Memory Control，内存控制器）以及PCIE通道，甚至是图形核心，因此PCH实际上成为了一块IO控制器。
卸下映泰Tpower I55散热器可以看到，北桥已经消去，PCH放置在昔日南桥的位置上
由于北桥的消失，同时CPU集成内存控制器与CPU与FSB的消失，有效降低了P55主板的布线难度与成本。P55主板虽然仍然在使用并行走线的DDR内存，但由于内存现在与CPU相连，同时CPU与内存槽采用垂直平分线布局，在走线减短的同时减少蛇形布线的使用。不过由于现在内存走线是通过插座与CPU相连，对电气要求性更高，因此抵消了之前走线上的成本下降。但是我们不要忘记FSB已经伴随北桥的消失而消失，LGA775主板 上FSB对内存走线电磁干扰已经不存在了，简化了内存的布线。因此，在三个因素的相互抵消下，P55在内存走线上的成本、难度还是降低了。
从微星P55-80GD背面的走线我们可以清楚看到蛇形走线大为减少
在LGA1156的Core处理器中除了内存总线以外，主要的数据总线只剩下PCIE与DMI总线了。由于DMI总线是PCIE的变种产物，因此在P55主板上CPU与PCH之间、CPU与PCIE槽之间，出现了大量的纯串行的差分电流走线，这些走线用于CPU连接PCIE插槽或是PCH的。纯串行的差分电流走线有一巨大优势，就是即使多组走线连接一个PCIE插槽，组与组之间的走线长度不需要等长，只需要同一组内2条走线等长就可以让整个PCIE插槽正常通讯了。由于只需要实现组内走线等长即可，因此走线可以更加灵活了，对成本的降低亦是起正面的效果。
在微星的P5-80GD背面，我们可以看到大量2条走线为一组的纯串行的差分电流走线
PCH是另一个走线较多的芯片，相对来说这是走线最简单的一个芯片。以前南桥怎么走线，现在PCH就怎么走线，按照以前经验来就行了，把南北桥互联的总线换成DMI就是了，没详细分析的必要，就此略过。
结语
从到达的评测室的5块P55主板中，我们看到了其他4块主板都与Intel原厂的DP55KG有着很多共同之处——采用了超高频率开关供电电路，供电电路呈L型分布在CPU周边；4块PCIE高速模拟开关占据了取消北桥后腾出的空间；省去了北桥、腾出了大量空间，同时减去了高速高频的FSB走线，CPU内置了MC，CPU与内存间采用垂直平分线布局，进而简化了内存的布线；CPU与PCIE插槽、PCIE与PCH间大量使用纯串行走线，让主板的布线更加灵活；PCH代替了南桥位置与作用。从前文中简述中，我们了解到这些改进大都是单芯片的P55与CPU内置MC、PCIE总线带来的影响，这些变革从整体上简单了主板的设计难度，同时大幅度减少了主板的设计、生产成本。在将来，始终会迎来山寨厂商也能轻松生产PC的一天。
看起来，现在主板厂商能做的事情已经不多了，以前主板上最麻烦的事情大多给Intel解决了，是否意味着主板厂商现在能做的事情就是根据Intel原厂主板的设计，然后做一点Cost Down呢。主板厂商用行动告诉我们，虽然Intel已经替他们做了很多事了、也降低了他们的成本，但是他们在主板上仍会做更多的事情，用节省下来的成本为用户做更好的产品。为了应对CPU日益提高供电质量的要求，微星拿出了QFN封装、集成driver的MOSFET，映泰拿出了散热更加优秀的DirectFET封装的MOSFET，华硕拿出了10相以上的供电电路。其它方面，微星在主板加入了电压测量接口，允许玩家通过万用表测量CPU、内存等的电压；华硕拿出了Speeding HDD等的技术……在可见的将来，主板的多样化发展仍然不灭，在我们的人生中仍然能领略风采各异的主板。
非常可惜，由于篇幅关系，未能详尽介绍前文中出现的各款P55主板，若读者想进一如了解这些产品，请关注今后我们评测室对其得评测。
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