Введение

Материнская плата (также называемая основной платой, системной платой, MB, базовой платой или, в компьютерах Apple, логической платой) — это основная печатная плата (PCB) в компьютерах общего назначения и других расширяемых системах. Она обеспечивает поддержку и связь между многими ключевыми электронными компонентами системы, такими как центральный процессор (ЦП) и память, а также предоставляет разъемы для подключения других периферийных устройств. В отличие от бэкплана, материнская плата обычно содержит значительные подсистемы, такие как центральный процессор, контроллеры ввода/вывода и памяти чипсета, интерфейсные разъемы и другие компоненты, интегрированные для общего использования. Материнская плата – это, в частности, PCB с возможностями расширения. Как следует из названия, эту плату часто называют «матерью» всех компонентов, к ней подключаемых, включая периферийные устройства, интерфейсные карты и дочерние платы: звуковые карты, видеокарты, сетевые карты, адаптеры шины, карты ТВ-тюнера, карты IEEE 1394 и множество других специализированных компонентов. В то же время, термин «мейнборд» описывает устройство, состоящее из одной платы и не имеющее дополнительных возможностей расширения, например, платы управления в лазерных принтерах, телевизорах, стиральных машинах, мобильных телефонах и других встраиваемых системах с ограниченными возможностями расширения.

История

До изобретения микропроцессора, центральный процессор цифрового компьютера состоял из нескольких печатных плат в каркасе с компонентами, соединенными посредством задней панели, содержащей набор взаимосвязанных разъемов, в которые подключались платы. В очень ранних конструкциях дискретными соединениями между контактами плат служили медные провода, но вскоре печатные платы стали стандартным решением. Центральный процессор (CPU), память и периферийные устройства размещались на отдельных печатных платах, которые подключались к задней панели. В более ранних системах на основе микропроцессоров, процессор и некоторые вспомогательные схемы помещались на одну плату процессора, а память и периферийные устройства – на дополнительные платы, все подключенные к задней панели. Шина S 100 1970-х годов является примером такой системы с задней панелью. Самые популярные компьютеры 1980-х годов, такие как Apple II и IBM PC, публиковали принципиальные схемы и другую документацию, что позволяло быстро проводить обратную разработку и заменять материнские платы сторонними производителями. Обычно предназначенные для сборки новых компьютеров, совместимых с оригинальными моделями, многие материнские платы предлагали повышенную производительность или другие функции и использовались для модернизации исходного оборудования производителя. В конце 1980-х и начале 1990-х годов стало экономически целесообразно переносить все больше периферийных функций на материнскую плату. В конце 1980-х годов материнские платы персональных компьютеров начали включать в себя отдельные интегральные схемы (также известные как чипы Super I/O), способные поддерживать набор периферийных устройств с низкой скоростью: клавиатуру и мышь PS/2, дисковод гибких дисков, последовательные и параллельные порты. К концу 1990-х годов многие материнские платы персональных компьютеров включали встроенные аудио-, видео-, функции хранения и сетевые функции потребительского класса, устраняя необходимость в каких-либо платах расширения; более мощные системы для 3D-игр и компьютерной графики обычно сохраняли только видеокарту в качестве отдельного компонента. Бизнес-компьютеры, рабочие станции и серверы чаще нуждались в платах расширения, либо для более надежных функций, либо для более высокой скорости; в этих системах часто было меньше встроенных компонентов. Ноутбуки, разработанные в 1990-х годах, интегрировали наиболее распространенные периферийные устройства. Это даже включало материнские платы без возможности обновления компонентов, тенденция, которая сохранилась с появлением более компактных систем после начала нового века (например, планшетных компьютеров и нетбуков). В некоторых системах память, процессоры, сетевые контроллеры, источник питания и устройства хранения интегрировались в единое целое.

Форм-фактор

Материнские платы выпускаются в различных размерах и формах, называемых форм-факторами, некоторые из которых специфичны для отдельных производителей компьютеров. Однако материнские платы, используемые в IBM-совместимых системах, разработаны для установки в корпуса разных размеров. По состоянию на 2005 год большинство материнских плат для настольных компьютеров используют стандартный форм-фактор ATX — даже те, что встречаются в компьютерах Macintosh и Sun, которые не собираются из стандартных компонентов. Форм-фактор материнской платы и блока питания (PSU) должны соответствовать друг другу, хотя некоторые материнские платы меньшего форм-фактора из одной и той же серии могут быть установлены в более крупные корпуса. Например, корпус ATX обычно подходит для материнской платы microATX. В ноутбуках обычно используются высокоинтегрированные, миниатюрные и специализированные материнские платы. Это одна из причин, по которой ноутбуки сложно модернизировать и дорого ремонтировать. Часто выход из строя одного компонента ноутбука требует замены всей материнской платы, которая, как правило, стоит дороже, чем материнская плата для настольного компьютера.

Стеклы процессора

Разъем или сокет центрального процессора (CPU) — это электрический компонент, который подключается к печатной плате (PCB) и предназначен для установки CPU (также называемого микропроцессором). Это специальный тип разъема для интегральных схем, рассчитанный на очень большое количество контактов. Разъем CPU выполняет множество функций, включая обеспечение физической поддержки CPU, возможность установки системы охлаждения, упрощение замены (а также снижение стоимости) и, что наиболее важно, формирование электрического интерфейса как с CPU, так и с PCB. Разъемы CPU на материнской плате чаще всего встречаются в настольных и серверных компьютерах (в ноутбуках обычно используются процессоры, устанавливаемые на поверхность), особенно в компьютерах на базе архитектуры Intel x86. Тип сокета CPU и чипсет материнской платы должны поддерживать серию и тактовую частоту CPU.

Слот для периферийных карт

Типичная материнская плата имеет разное количество разъемов в зависимости от ее стандарта и форм-фактора. Стандартная современная материнская плата ATX обычно оснащается двумя или тремя разъемами PCI Express x16 для видеокарты, одним или двумя устаревшими слотами PCI для различных карт расширения и одним или двумя PCI E x1 (который пришел на смену PCI). Стандартная материнская плата EATX имеет от двух до четырех разъемов PCI E x16 для графических карт и переменное количество слотов PCI и PCI E x1. В некоторых случаях она также может иметь слот PCI E x4 (зависит от производителя и модели). Некоторые материнские платы имеют два или более слота PCI E x16, что позволяет подключить более двух мониторов без использования специального оборудования, или использовать специальные графические технологии SLI (для Nvidia) и Crossfire (для AMD). Эти технологии позволяют объединить от двух до четырех видеокарт для повышения производительности в ресурсоемких графических задачах, таких как игры, видеомонтаж и т.п. В новых материнских платах слоты M.2 предназначены для твердотельных накопителей (SSD) и/или беспроводных сетевых контроллеров.

Температура и надежность

Материнские платы обычно охлаждаются воздухом с использованием радиаторов, которые часто устанавливаются на крупные чипы в современных материнских платах. Недостаточное или неправильное охлаждение может привести к повреждению внутренних компонентов компьютера или его сбою. Пассивное охлаждение, или один вентилятор, установленный на блоке питания, было достаточно для многих настольных компьютеров до конца 1990-х годов; с тех пор большинство из них требуют вентиляторов ЦП, установленных на радиаторах, из-за увеличения тактовой частоты и энергопотребления. Большинство материнских плат имеют разъемы для дополнительных компьютерных вентиляторов и встроенные датчики температуры для контроля температуры материнской платы и ЦП, а также управляемые разъемы вентиляторов, которые BIOS или операционная система могут использовать для регулирования скорости вращения вентиляторов. В качестве альтернативы компьютеры могут использовать систему водяного охлаждения вместо множества вентиляторов. Некоторые компактные компьютеры и домашние кинотеатры, разработанные для тихой и энергоэффективной работы, имеют конструкцию без вентиляторов. Обычно это требует использования ЦП с низким энергопотреблением, а также тщательной компоновки материнской платы и других компонентов для обеспечения размещения радиатора. Исследование 2003 года показало, что некоторые ложные сбои компьютера и общие проблемы с надежностью, начиная от искажений изображения на экране и заканчивая ошибками чтения/записи данных, могут быть вызваны не программным обеспечением или периферийным оборудованием, а стареющими конденсаторами на материнских платах ПК. В конечном итоге это было связано с дефектной формулой электролита – проблемой, получившей название «эпидемия конденсаторов». Современные материнские платы используют электролитические конденсаторы для фильтрации постоянного тока, распределяемого по плате. Эти конденсаторы стареют в зависимости от температуры, поскольку их электролиты на водной основе медленно испаряются. Это может привести к потере емкости и последующим неисправностям материнской платы из-за нестабильности напряжения. Хотя большинство конденсаторов рассчитаны на 2000 часов работы при , их ожидаемый срок службы примерно удваивается при каждом снижении температуры на . При температуре ниже можно ожидать срок службы от 3 до 4 лет. Однако многие производители поставляют конденсаторы ненадлежащего качества, что значительно сокращает срок их службы. Недостаточное охлаждение корпуса и повышенные температуры вокруг сокета ЦП усугубляют эту проблему. При использовании верхних вентиляторов компоненты материнской платы можно поддерживать ниже , что эффективно удваивает срок службы материнской платы. Материнские платы среднего и высокого класса, напротив, используют исключительно твердотельные конденсаторы. На каждые 10 °C снижения температуры их средний срок службы увеличивается примерно в три раза, что приводит к шестикратному увеличению ожидаемой продолжительности жизни при . Эти конденсаторы могут быть рассчитаны на 5000, 10000 или 12000 часов работы при , что увеличивает прогнозируемый срок службы по сравнению со стандартными твердотельными конденсаторами. В настольных ПК и ноутбуках решения для охлаждения и мониторинга материнской платы обычно основаны на чипе Super I/O или встроенном контроллере.