Cos'è la scheda madre e come funziona

Se vi state affacciando ora all’affascinante mondo dell’hardware starete sicuramente cercando informazioni su ogni singolo componente, chi magari per concludere il miglior affare possibile per il suo computer da gaming, chi per capire meglio questo magnifico mondo.

Ebbene, questa piccola guida nasce in particolare per voi cari neofiti del cacciavite, ma potrebbe essere utile anche a persone con “qualche case di esperienza” sulle spalle. Proveremo a spiegarvi in modo conciso le cose più importanti da sapere riguardo uno dei componenti più importanti del computer: la scheda madre (motherboard o MOBO per gli amici).

La scheda madre e i suoi formati

La scheda madre è un circuito stampato (o PCB) ovvero un supporto che viene usato per connettere e mettere in comunicazione dei componenti in un circuito elettronico. In questo caso specifico si occupa di ospitare e mettere in comunicazione tutti i componenti che vanno a comporre il PC, oltre ad includere alcuni dei componenti necessari per il corretto funzionamento dello stesso.

Le motherboard vengono prodotte in diversi formati che differiscono per la loro dimensione, quelli più diffusi (dal più grande al più piccolo) sono sicuramente l’E-ATX, l’ATX, il micro-ATX (MATX) e il mini-ITX. Per completezza è giusto menzionare anche l’enorme XL-ATX ed i minuscoli Nano-ITX e Pico-ITX.

Più piccola è la scheda madre, minori sono le sue funzionalità aggiuntive in genere, anche se negli anni abbiamo visto che anche le schede più piccole come le Mini-ITX possono offrire funzionalità interessanti. Ovviamente ogni singolo formato include tutto il necessario a far funzionare correttamente il computer a un livello di base.

I componenti principali di una scheda madre sono molti e ciascuno ricopre una funzione specifica.

Il socket

Il socket per quanto riguarda le schede madre più comuni può essere in due varianti: LGA e PGA. La distinzione tra queste due tipologie è piuttosto semplice: nel primo i pin di contatto sono posti sulla scheda madre mentre la CPU è dotata di pad d’oro in corrispondenza di essi, mentre nel secondo i pin sono posti direttamente sulla CPU e la scheda madre presenta dei fori in cui inserire il processore.

Vale la pena precisare che Intel ha smesso di adottare il socket PGA dal 2004 con la nascita del celebre 775 per passare al socket LGA, mentre AMD (eccetto per una breve parentesi sul Socket L1) non ha mai smesso di usare socket di tipo PGA.

Ciascuna tipologia ha i suoi pro e i suoi contro, nessuno di questi riguarda però le prestazioni.

Intel ha probabilmente scelto di adottare socket LGA perché in questo modo è decisamente più difficile danneggiare la CPU, non essendo possibile piegarne o romperne i pin. Tuttavia, i pin sulla scheda madre sono più facili da piegare rispetto a quelli sul processore e sono anche decisamente più difficili da riparare.

AMD ha probabilmente scelto di restare sui socket PGA per via della loro facilità di installazione. Piegare dei pin sulla CPU è generalmente più difficile e sono anche più semplici da rimettere al loro posto, ma nel caso questi dovessero rompersi o non si riuscisse a farli tornare nella loro posizione corretta sappiate che potete tranquillamente buttare il processore, in quanto risulterà inservibile.

Ma quindi tutti i processori con i pin vanno bene con tutti i socket PGA e tutti quelli senza funzioneranno con tutti i socket LGA? La risposta a questa domanda è no, ma vediamo il perché.Uscendo un po’ dai PC e definendo il socket in elettronica, scopriamo che questo è un connettore elettronico posto su un PCB (quindi un circuito stampato) che permette di installare un circuito integrato (ovvero il nostro processore) attraverso un contatto diretto. Ma in cosa si traduce ciò?

Immaginate il socket diviso in sezioni, alcune destinate al trasferimento dei dati ed altre invece riservate al trasporto della corrente verso la CPU. Per fare in modo che tutto funzioni correttamente è necessario che queste sezioni corrispondano sia sulla scheda madre che sul processore perché devono essere, appunto, in contatto diretto.

Quando escono nuovi processori spesso si tende a cambiare il numero dei pin o meno frequentemente la disposizione (come è accaduto tra Kaby Lake e Coffee Lake) dunque ciascuna famiglia di processori avrà uno e un solo socket con cui è compatibile.

Per fare un esempio: la famiglia di processori Pinnacle Ridge (ovvero Ryzen 2xxx) è compatibile esclusivamente col socket AM4, mentre Coffee Lake è compatibile soltanto con 1151v2.

Questo non toglie però che un socket sia compatibile con più famiglie di processori, ad esempio 1151v1 supporta sia Skylake che Kaby Lake.

Per farla breve: è sempre un’ottima idea informarsi accuratamente sul socket della nostra scheda madre e su quello richiesto dal processore che si desidera acquistare.

Il sistema di alimentazione

Esistono diversi sistemi di alimentazione sulla scheda madre che si occupano di convertire la corrente ricevuta dall’alimentatore in corrente utilizzabile per i determinati componenti. Ma i sistemi principali e più importanti da conoscere sono le fasi di alimentazione della CPU e quelle legate alle memorie RAM.

Le fasi di alimentazione (o VRM) della CPU si occupano di fornire il corretto voltaggio al processore, in genere maggiore è la quantità delle fasi e la qualità dei componenti elettronici che le compongono, più queste svolgeranno meglio la loro funzione.

I VRM sono composti da un controller PWM che determina quante fasi è in grado di gestire la scheda madre, dei MOSFET che hanno il compito di accendersi e spegnersi costantemente e molto rapidamente per ottenere il voltaggio corretto, le induttanze che hanno il compito di opporre resistenza alla 12V dell’alimentatore e far calare il voltaggio fino a quello richiesto dalla CPU.

Vi sono infine i condensatori che fungono da sistema di filtraggio della corrente. Possono anche essere presenti altri componenti aggiuntivi ma questi sono quelli davvero importanti da conoscere.Generalmente i MOSFET nel loro accendersi e spegnersi producono molto calore, ovviamente a seconda della quantità di corrente che devono gestire, motivo per cui in moltissime schede vengono coperti da heatsink (dissipatori di calore) di ogni dimensione.

Spesso i produttori di motherboard non indicano il numero reale di fasi di alimentazione sui vari modelli, insomma quello sui VRM è un discorso abbastanza lungo e complesso che sarebbe meglio trattare in una guida a sé stante (e che magari faremo).

Le fasi di alimentazione delle RAM sono gestite esattamente allo stesso modo ma si trovano accanto agli slot DIMM e sono generalmente due, massimo tre e, dovendo gestire consumi davvero bassi, non è necessaria la presenza di heatsink sui MOSFET.

Il socket DIMM

Per quanto venga costantemente indicato come “slot” (più che altro per differenziarlo da quello per il processore), elettronicamente parlando è un socket anche quello riservato alle RAM.

Facendo un breve ripasso storico, il “socket DIMM” ha subito tre principali evoluzioni: si è passati dal socket SIPP utilizzato nei primi anni ’80 a quello SIMM per poi finire all’attuale DIMM (o SO-DIMM se si considerano i moduli di memoria per i portatili).

Generalmente in ogni scheda madre moderna sono presenti un minimo di due spazi riservati alle RAM fino ad arrivare a un massimo di otto, nonostante esistano casi decisamente particolari (parlo di schede madre che supportano più processori contemporaneamente) che arrivano addirittura a dodici spazi riservati alla memoria volatile.

Ad oggi le RAM che si trovano sui sistemi di ultima generazione sono DDR4. È bene precisare che non è possibile montare tranquillamente ogni tipo di RAM DDR sulla nostra scheda madre, in quanto sono tutte fisicamente differenti.

Si possono montare dunque RAM DDR4 solo su schede madre con supporto alle DDR4, moduli DDR3 solo su motherboard con supporto ad essi e così via.

Slot PCI Express

Guardando la vostra scheda madre avrete visto di certo gli slot PCI Express. Questo tipo di porta è riservato a qualsiasi tipo di espansione: dalle schede grafiche ai moduli di rete.

La dimensione e il nome di questi slot variano a seconda del numero di linee PCI Express che possono gestire: il più grande è detto x16 ed è riservato alle schede grafiche, seguono poi gli slot x4, x2 e x1 destinati a schede di espansione di qualsiasi genere.

Il connettore x16 per le schede video dedicate è in grado di gestire autonomamente fino a 75W. Le GPU che non superano questa soglia di consumi non necessitano di cavi di alimentazione aggiuntivi dal vostro alimentatore.

Le motherboard hanno anche degli slot PCI, ma sono sempre meno usati e diffusi e rappresentano un retaggio del passato.

Slot M.2

Di recente è stato introdotto anche sulle motherboard economiche il connettore M.2, si tratta di un altro slot di espansione, anch’esso in grado di gestire fino a 4 linee PCI Express oppure può essere usato secondo lo standard SATA a seconda del dispositivo che si va a connettere.

La porta M.2 è conosciuta in particolare per la possibilità di installare SSD NVMe che sfruttano la connettività PCI Express, in quanto questi sono decisamente più veloci dei classici SSD SATA, ma non molti sanno che è possibile sfruttare questo connettore anche per, ad esempio, l’installazione di schede di rete o altre schede di espansione.

Il chipset

Proprio affianco alle porte PCI Express di cui abbiamo parlato poco fa, potete notare un grosso heatsink (dissipatore di calore). Rimuovendolo potrete vedere il chipset.

Ogni socket ha il suo chipset e questo determina la compatibilità di un processore con una determinata scheda madre, la possibilità di fare overclock, il numero di porte PCIe disponibili e tanto altro. Insomma, il chipset funge da intermediario tra tutti i componenti ed il processore.

Anche il chipset ha subito diverse variazioni nel corso degli anni. Fino al 2008, infatti, si componeva di due diverse sezioni denominate Northbridge e Southbridge. La denominazione nasceva dalla posizione dei due chip, uno posto più in alto dell’altro. Nel caso vi interessasse, la scomparsa di questa configurazione è arrivata col chipset P55 (di Intel).

Il primo si occupava della comunicazione del processore con la RAM, la porta PCIe riservata alla scheda video e in alcuni casi integrava anche la scheda grafica della scheda madre ed era collegato direttamente alla CPU, mentre il secondo si occupava delle funzionalità secondarie del PC come, ad esempio, tutti gli ingressi input e output del PC e trasmetteva i dati al Northbridge che li dirottava poi al processore.

Questa architettura è stata poi sostituita da quello che si chiama SoC (System-on-a-Chip) ovvero si sono iniziate ad integrare le funzioni del Northbridge direttamente all’interno della CPU. I processori moderni gestiscono per conto loro la comunicazione con la memoria RAM (tramite l’IMC che hanno all’interno, sigla di Integrated Memory Controller), con la scheda grafica esterna nel caso ne fosse presente una e, spesso, integrano una GPU all’interno.

Northbridge e Southbridge sono stati dunque sostituiti dal PCH (Platform Controller Hub) per quanto riguarda Intel e dal FCH (Fusion Controller Hub) per quello che concerne AMD. Questi si occupano di gestire tutte le comunicazioni di cui non si cura la CPU, come, ad esempio, quelle con le porte USB, gli slot PCIe secondari e le connessioni SATA.

In questo modo è stato possibile aumentare di molto la velocità di questo tipo di comunicazioni, essendo le comunicazioni principali gestite internamente dalla CPU e quelle secondarie non dovranno passare tramite un “intermediario” prima di arrivare al processore.

Connettori di alimentazione

I connettori principali di alimentazione sono due. Il 20 (per le schede madre più obsolete) o 24 pin, fonte principale di alimentazione della scheda madre ed il 4/8/12/16 pin destinato all’alimentazione della CPU.

Qualsiasi scheda madre funzionerà correttamente anche inserendo un alimentatore a 20 pin, essendo gli ultimi quattro pin ausiliari, così come qualsiasi CPU funzionerà utilizzando anche solo un cavo di alimentazione a 4 pin, è tuttavia sconsigliato nel caso si dovessero gestire CPU particolarmente energivore. I 12 o 16 pin per la CPU sono, invece, del tutto superflui.

I connettori ausiliari

Sulla scheda madre è necessario collegare un bel po’ di cose tra hard disk (o SSD), ventole, porte USB ed entrate audio del case e tanto altro. Le motherboard dispongono infatti di una serie molto lunga di connettori ausiliari, passiamo ad elencare i principali:

• I connettori SATA, generalmente posti sul fianco destro della scheda madre o al fondo di essa sono perlopiù utilizzati per connettere al PC dispositivi di archiviazione come SSD ed hard disk.
• Il connettore a 10 pin per le USB 2.0 e a 19 pin per le USB 3.0 servono per abilitare le porte USB del pannello frontale del case. Per entrambi questi connettori un pin nell’angolo è mancante per assicurarne il corretto montaggio.
• Il connettore audio 10 pin, anche questo simile a quello USB 2.0 ma il pin mancante è in una posizione differente.
• Vi sono poi i connettori 3 o 4 pin per le ventole e le pompe dei dissipatori a liquido. Usando questi connettori sarà possibile regolare la velocità delle proprie ventole tramite BIOS o software. Generalmente è presente almeno un connettore riservato alla ventola del processore denominato CPU_FAN.
• Il connettore RGB Header è un connettore 4 pin e serve a collegare i propri dispositivi RGB alla scheda madre per ottenere una personalizzazione completa.
• Infine, vi sono i connettori riservati ai led e ai pulsanti del case. Generalmente si tratta di una configurazione a 10 pin in cui uno è assente e un altro va lasciato libero. Per connettere correttamente questi cavi sarà necessario guardare il libretto delle istruzioni della propria motherboard.

Pannello I/O

Il pannello I/O è quello visibile dal retro del case del PC e lì risiedono i vari ingressi input/output come le porte USB, le uscite audio e video e l’entrata per mouse e tastiera analogici.

Funzionalità aggiuntive

A seconda delle esigenze personali di ciascun utente, una scheda madre potrà avere alcune funzionalità aggiuntive anche dal punto di vista fisico.

Le più celebri e le più ricercate sono sicuramente: il postcode, ovvero un piccolo schermo che serve a comunicarci cosa non va nel nostro PC o se invece va tutto bene. Ad esempio, se accendendo il nostro PC questo non riuscirà ad entrare su Windows e ci sarà un 55 sul nostro postcode potremo andare a cercare cosa indica quel numero e trovare facilmente il problema.

Il postcode è spesso sostituito o affiancato da dei led che indicano quale componente sta causando il problema, chiamati troubleshooting LED, oppure è sostituito dal classico speaker presente su ogni scheda madre.

I pulsanti ON/OFF e Reset direttamente sulla scheda madre, utili specialmente per chi ha la necessità di usare banchetti di prova e che servono, come intuibile dai nomi, ad accendere e spegnere il PC o a farlo riavviare senza avere un case.

Ultima delle funzionalità aggiuntive più importanti è il dual BIOS, ovvero la presenza di due chip per il BIOS nel caso si dovesse rendere inutilizzabile quello principale (credetemi, è decisamente difficile che ciò accada).

Adesso quindi conoscete un po’ tutte le cose più importanti che potete trovare su una scheda madre un po’ più nel dettaglio. La prossima volta vedremo di capire come trovare la scheda madre più adatta alle vostre esigenze. Per il momento, se avete appunti o domande non esitate a usare la sezione riservata ai commenti!