Ушаков_ТПЭВМ (Л2-Ушаков - Технология производства ЭВМ (в ворде))

Н.Н. Ушаков

Технология производства ЭВМ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга представляет собой третье издание учебника для студентов вузов, обучающихся по специальности «Вычисли­тельные машины, комплексы, системы и сети».

Учебник состоит из трех частей. В первой части рассмотрены конструктивно-технологические особенности ЭВМ, общие вопросы проектирования технологических процессов, автоматизации подго­товки производства, теории точности и надежности производства. Во второй части, освещающей типовые технологические процессы, применяемые при изготовлении ЭВМ, наиболее подробно изложе­ны процессы изготовления печатных плат и электрического мон­тажа. Рассмотрены методы получения контактных соединений пай­кой, сваркой, микросваркой, накруткой, а также технология тон­копроводного электрического монтажа на печатных платах. Третья часть книги посвящена технологическим процессам изготовления функциональных элементов и общей сборки ЭВМ. Большое вни­мание уделено изложению технологических процессов, применяе­мых для изготовления элементов ЭВМ третьего и четвертого по­колений. Рассмотрены технологические процессы изготовления эле­ментов памяти, больших интегральных микросхем и микросборок, приемочный контроль и испытания элементов ЭВМ.

Учебник написан на основании материалов, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе, периодической печати и других изданиях.

Ряд технологических процессов, изложенных в книге, еще не получил достаточного освещения в учебной, литературе, поэтому учебник может быть полезен студентам смежных специальностей и работним промышленности.

Автор выражает благодарность коллективу кафедры вычисли­тельной техники Ленинградского электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина), а также д-ру техн. наук, проф. В. Н. Черняеву за ценные замечания, сделанные при рецензирова­нии книги.

Замечания и пожелания, способствующие улучшению книги, просим направлять в издательство «Высшая школа» по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Электронные вычислительные машины являются одним из наи­более важных средств автоматизации производства и повышения качества продукций, а также служат основой наиболее перспек­тивных технологий. Эффективное использование современных вы­числительных и управляющих машин определяет уровень научно-технического прогресса во всех отраслях промышленности, сель­ском хозяйстве, научных исследованиях и др.

Фундаментальный вклад в создание ЭВМ и внедрение их в на­родное хозяйство внесли советские ученые С. А. Лебедев, В. М. Глушков, Г. И. Марчук, В. С. Семенихин, Б. Н. Наумов и др. Большие работы по созданию и внедрению в производство ком­бинированных (гибридных) ЭВМ проводят советские ученые В. А. Трапезников, В. А. Котельников, В. Б. Смолов и др.

Первая отечественная ЭВМ была разработана в 1950 г. За про­шедшее время в конструкции машин произошли большие изме­нения. Время существования ЭВМ определенной конструкции при­нято разделять на этапы (поколения). В основе такого деления лежат конструкция основных схемных деталей и технология, ис­пользуемая для их изготовления и монтажа.

Можно выделить пять поколений ЭВМ, отличающихся элемент­ной базой, техническими характеристиками и конструктивным ис­полнением. Каждой смене поколения соответствуют увеличение быстродействия, повышение надежности и уменьшение стоимости ЭВМ.

К первому поколению (1952 г.) относятся ЭВМ БЭСМ-2; «Минск-1», «Урал-1» и др. В качестве основных схемных деталей в этих машинах использовались электронные лампы, а электрический монтаж осуществлялся при помощи проводов.

Характеристики ЭВМ первого поколения: быстродействие до 20 000 опер/с; малая скорость ввода исходных данных (20... 30 чи­сел/с); большая мощность источников питания (до 150 кВт). Они размещались на площади 170 м², содержали до 18 тыс. электрон­ных ламп и имели большую массу. Такие технические характери­стики были достаточны для решения задач, поставленных в тот период времени, так как машины предназначались для работы в лабораториях и научных организациях. На этом этапе проверялись основные идеи построения ЭВМ и отрабатывались конструкции для серийного производства.

Ко второму поколению (1955—1965 гг.) относятся ЭВМ «Минск-22», М-220, БЭСМ-6 и др. Они построены на полупровод­никовых приборах и печатных платах. Полупроводниковые прибо­ры потребляют в 10...20 раз меньше энергии, чем электронные лампы, имеют малые размеры и более высокий срок службы (в 7... 14 раз). Размеры ЭВМ, построенных на полупроводниковых приборах, значительно уменьшились и на порядок возросла ско­рость обработки информации. Недостатком ЭВМ второго поколе­ния является большое число схемных деталей.

Получение высоконадежных ЭВМ, содержащих большое число схемных деталей, решается путем отказа от использования дис­кретных элементов и замены их интегральными схемами.

К третьему поколению (1964 г.) относятся ЭВМ, по­строенные на интегральных микросхемах с применением много­слойного печатного монтажа и параллельной работы различных устройств в режиме разделения времени. Быстродействие этих ЭВМ повысилось до 5 млн. опер/с.

Для организации массового производства средств вычисли­тельной техники была разработана Единая система электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ). Она реализована на микро­электронной базе, что обеспечивает высокие эксплуатационные по­казатели и представляет собой семейство программно совместимых машин. Серийный выпуск машин ЕС ЭВМ был начат в 1972 г.

К четвертому поколению относятся ЭВМ, построенные на больших интегральных схемах (БИС) и микропроцессорах. Создание микропроцессора (1971 г.)- является важным достиже­нием в электронной технике. Особенность микропроцессора со­стоит в том, что его функции определяются гибкой программой, находящейся в запоминающем устройстве. Объединение микропро -цессора с памятью и устройствами ввода-вывода позволяют полу­чить микроЭВМ. Выпуск семейства программно-совместимых ми­кро- и мини-ЭВМ является большим достижением. На их основе строят отдельные вычислительные системы и мощные структуры для автоматизации и управления производством, разрабатывают персональные компьютеры.

Пятое поколение ЭВМ представляет класс вычислитель­ной техники, в котором реализованы принципы искусственного ин­теллекта. Такие ЭВМ позволят решать задачи, точный метод ре­шения которых неизвестен. Для этого потребуются машины высо­кой производительности (св. 1 млрд. опер/с) и с большим объемом памяти. В качестве элементной базы используют сверхбольшие ин­тегральные микросхемы, для разработки которых требуются мощ­ные системы автоматического проектирования.

Особенности производства ЭВМ на современном этапе. Основ­ной особенностью производства ЭВМ является использование большого количества стандартных и нормализо­ванных элементов, интегральных схем, радиодеталей и др. Выпуск этих элементов в больших количествах и высокого качества — одно из основных требований вычислительно­го машиностроения. Важным вопросом, решаемым в настоящее время, является массовое производство стандартных блоков с ис­пользованием новых элементов. Унификация отдельных элемен­тов создает условия для автоматизации их производства.

Другой особенностью является высокая трудоемкость сборочных и монтажных работ, что объясняется наличи­ем большого числа соединений и сложностью их выполнения вследствие малых размеров контактных соединений и высокой плотности монтажа.

Повышение качества и экономичности производства во многом зависит от уровня автоматизации технологического процесса. Предпосылки для широкой автоматизации производства элемен­тов и блоков ЭВМ обеспечиваются высоким уровнем технологич­ности конструкции, широким внедрением типовых и групповых технологических процессов, а также средств автоматизации.

Автоматизация развивается в направлении от автоматизации отдельных операций (пайка, сварка и др.) к широкому использо­ванию автоматизированных линий.

Особенностью производства ЭВМ является также большая трудоемкость контрольных операций. На отдельных предприятиях количество контролеров достигает до 30... 40% от общего числа рабочих. Используют следующие методы контроля: ручной, неразрушающий, активный.

Производительность ручного контроля крайне низка и не от­вечает современным требованиям. Поэтому возникла необходи­мость в создании высокопроизводительных методов контроля с ис­пользованием ЭВМ и автоматических измерительных устройств.

Важное значение приобрели методы неразрушающего контро­ля, которому можно подвергать 100% изделий на всех стадиях производства.

Весьма эффективны активные методы контроля, при которых проверяются режимы технологического процесса и исключается возможность появления брака. Такой контроль осуществляется по ходу технологического процесса и облегчает внедрение автомати­зированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) с применением ЭВМ.

Полное решение проблемы качества возможно лишь на основе системного подхода к планированию, организации, управлению проектно-конструкторскими работами, производству, испытаниям и эксплуатации.

Решение сложных технических задач на всех этапах конструи­рования и производства ЭВМ существенно повышает требования к подготовке инженеров. Они должны обладать комплексом зна­ний, обеспечивающих качественное изготовление всех компонен­тов современной ЭВМ и ее периферийных устройств.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ГЛАВА 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭВМ

1. Классификация ЭВМ

Электронно-вычислительная машина представляет собой вычис­лительное устройство или комплекс устройств, основные функцио­нальные элементы которых выполнены на электронных или микро­электронных изделиях.

По способу обработки представляемой информации ЭВМ де­лят на аналоговые, цифровые и гибридные (рис. 1.1).

В аналоговых ЭВМ исходные данные вводятся в виде не­прерывных функций (электрических, механических и др.). Точ­ность решения у них ограничена. Это объясняется тем, что исход­ные физические величины могут быть представлены с ограничен­ной точностью, которая определяется точностью изготовления от­дельных элементов машины. Основным преимуществом машин не­прерывного действия является быстродействие, что позволяет ис­пользовать их в качестве управляющих в системах автоматиче­ского управления.

В цифровых ЭВМ вся информация представляется в дис­кретной (цифровой) форме и математические' операции осущест­вляются непосредственно над числами. Основные преимущества вычислительных машин дискретного действия — высокая точность вычислений и универсальность. Точность вычислений не связана с точностью изготовления самих элементов.

В гибридных ЭВМ вся информация может быть реализована двумя способами: 1) входная и выходная информации представ­ляются в аналоговой форме, а вычисления проводятся над дис­кретными величинами; 2) вычисления выполняются в аналоговой форме, а входная информация представляется в дискретной форме.

Преимущество гибридных ЭВМ заключается в значительной экономии машинного времени и снижении требований к объему оперативной памяти. Применение гибридных ЭВМ вызвано слож­ностью проблем, возникающих при моделировании в реальном масштабе времени таких задач, как полет космических аппаратов, управление производственными процессами и др.

По характеру выполняемых операций ЭВМ делят на модели­рующие, универсальные и специализированные.

Моделирующие ЭВМ предназначены для воспроизведения на моделях физических процессов, описываемых уравнениями.

Универсальные ЭВМ общего назначения применяют для решения различных вычислительных и логических задач. Наиболее широкое применение получили четыре системы ЭВМ общего на­значения, выпускаемых серийно: единая система ЭВМ (ЕС ЭВМ),

система малых ЭВМ (СМ ЭВМ), микроЭВМ и персо­нальные ЭВМ.

Единая система ЭВМ объединяет ряд моде­лей с производительностью от нескольких тысяч до миллионов операций в се­кунду. Машины ЕС ЭВМ работают в режиме разде­ления времени, при котором несколько абонентов, уда­ленных от машины на дос­таточно большие расстоя­ния, могут обращаться к ней независимо друг от друга.

Первая очередь ЕС ЭВМ, получившей условное название «Ряд-1», объединяет шесть моделей ЭВМ: ЕС 1010, ЕС 1020, ЕС 1021, ЕС 1030, ЕС 1040, ЕС 1050.

За выпуском первой очереди ЕС ЭВМ была проведена их мо­дернизация и созданы новые машины: ЕС 1011, ЕС 1022, ЕС 1033 и др. Выпуск моделей первой очереди был прекращен в 1979 г.

Вторая очередь ЕС ЭВМ («Ряд-2») включает в себя восемь моделей (ЕС 1015, ЕС 1025 и др.). Они отличаются большей про­изводительностью, емкостью памяти и возможностью создания вы­числительных комплексов

Третья очередь ЭВМ включает модели ЕС 1036, ЕС 1045, ЕС 1066. При разработке этих моделей значительно улучшены техни­ко-экономические характеристики и проведена подготовка к пере­ходу на новую элементную базу с использованием больших и сверхбольших интегральных микросхем.

Система малых ЭВМ первой и второй очередей (1976 -1979 и 1979—1983 гг.) отличается от больших ЭВМ ограничен­ными вычислительными возможностями. Они имеют меньшую стоимость и предназначены для построения вычислительных комплексов в системах управления технологическими процессами и для выполнения небольших расчетов при научных исследова­ниях.

В настоящее время разработаны и освоены в производстве вы­числительные средства СМ ЭВМ третьей очереди, которые по­строены на основе базовых моделей (СМ 1300, СМ 1420 и др.).