Статья - Техническая база ЭВМ
Описание файла
Документ из архива "Статья - Техническая база ЭВМ", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "организация эвм" из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "организация эвм, микропроцессорные средства и схемотехника" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Статья - Техническая база ЭВМ"
Текст из документа "Статья - Техническая база ЭВМ"
II. ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА ЭВМ
УДК 681.3.06 А. А. НОВИКОВ
СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ БАЗЫ СУПЕРЭВМ
Функциональные и технико-экономические характеристики ЭВМ, а также архитектурные принципы построения существенно зависят от применяемой технической базы. В данной статье рассматривается техническая база универсальных вычислительных комплексов (ВК), имеющих на каждом этапе развития науки и техники предельные характеристики производительности, емкости оперативной и внешней памяти, пропускной способности ввода-вывода информации и др. Такие высокопроизводительные вычислительные комплексы, называемые суперЭВМ, обеспечивают принципиально новые возможности в исследовании фундаментальных проблем, проектировании и моделировании сложных объектов, управлении системами, а также в автоматизированном проектировании новых поколений ЭВМ.
Из-за важности применений, меньших ограничений по стоимости и объему производства, условиям эксплуатации в суперЭВМ используются наиболее передовые технические решения, которые лишь через несколько лет становятся достоянием других классов ЭВМ.
В центральных устройствах суперЭВМ используются обычно самые быстродействующие элементы и конструктивно-технологические решения, обеспечивающие наименьшие задержки сигналов в связях внутри устройств и между многочисленными устройствами ВК, а также используется в десятки раз большее, чем в других ЭВМ, количество элементов (и связей), необходимое для выполнения конвейерной и параллельной обработки информации по оптимальным алгоритмам. Увеличение количества элементов, сокращение длин связ-ей приводят к необходимости иметь предельно высокую плотность компоновки элементов и связей в устройствах, которая для быстродействующих схем с повышенной рассеиваемой мощностью значительно усложняет проблемы обеспечения помехозащищенности, надежности, электропитания и охлаждения.
СуперЭВМ разрабатывают как фирмы, специализирующиеся на ЭВМ только такого класса (Cray, ETA), так и фирмы, которые выпускают ЭВМ различных классов. В последнем случае суперЭВМ создается или в виде самостоятельного вычислительного
комплекса, или на основе универсальной ЭВМ, в состав которой включаются сверхвысокопроизводительные процессоры векторно-конвейерной обработки информации. При этом, как правило, самые совершенные большие универсальные ЭВМ и суперЭВМ (или конвейерные процессоры) имеют одинаковую или сходную техническую базу.
В последующих разделах дается общая характеристика, анализируются и обосновываются тенденции развития технической базы современных суперЭВМ и наиболее быстродействующих больших универсальных ЭВМ, рассматриваются основные ее составляющие, обсуждаются направления и перспективы внедрения в суперЭВМ новых физико-технологических принципов.
Общая характеристика современной технической базы
Данные, характеризующие техническую базу современных зарубежных суперЭВМ и наиболее быстродействующих ЭВМ общего назначения, приведены в табл. 1. Они свидетельствуют о большом разнообразии принципов реализации таких ЭВМ, которые можно разделить на три направления:
использование ячеек (панелей) на основе корпусированных БИС и многослойных печатных плат (фирмы Fujitsu и Amdahl, Hitachi и NAS, CDC и ЕТА);
использование модулей-микросборок на основе бескорпусных БИС и специальных коммутационных плат — многослойных керамических, тонкопленочных и др. (фирмы IBM, NEC и Honeywell);
использование объемных модулей на основе корпусированных логических СИС и БИС ЗУ, многослойных печатных плат и внутренних соединений в пакете МПП (фирма Cray).
Одновременное существование и параллельное развитие перечисленных направлений, каждое из которых поддерживается крупными, авторитетными в области вычислительной техники фирмами, свидетельствуют о наличии как достоинств, так и недостатков этих направлений, а также об интенсивных поисках оптимальных для наиболее высокопроизводительных ЭВМ технических решений.
Следует отметить, что весьма существенные различия технических решений не связаны с отличиями архитектурных принципов. Все ЭВМ, приведенные в табл. 1, являются универсальными многопроцессорными вычислительными комплексами, в которых Для векторных вычислений используются конвейерные устройства обработки информации.
Рассмотрим специфические особенности каждого из указанных направлений развития технической базы.
Наиболее высокого технического уровня в первом направлении достигли японская фирма Fujitsu и американская фирма ЕТА.
Таблица I
N | Фирма, страна | Серия ЭВМ | Год поставки первого образца ЭВМ | Логические микросхемы | Типовые элементы замены (ТЭЗ) | Компоновка ТЭЗ | Способ охлаждения компонентов |
тип, интеграция (колич. экв. вент.), конструкция | вид, интеграция (колич. микросхем), тип и размер платы | вид, способ реализации связей между ТЭЗ, размер плат | |||||
1. | Cray, США | Сгау-2 | 1985 | ЭСЛ СИС, 16, в корпусах с 16 плоскими выводами по двум сторонам с шагом 1,25 мм | Объемный модуль, 768, пакет из 8 пятислойных МПП, 200X100X25 | Кассетная, по 24 модуля в колонке, проводной монтаж | Непосредственное погружение в диэлектрическую жидкость, протекающую со скоростью 2,5 см/с |
2. | IBM, США | 3090 (с век-торными процессора-ми) | 1985 | ЭСЛ БИС, 612, бес-Корпусные с матрицей из 120 столбиковых выводов на кристалле | Модуль-микросборка,133, 33-слойная керамическая плата, 90X90X5,5 | Панель из 9 модулей с разъемными соединителями, 20-слойная МПП, 710X610X4,6 | Кондуктивно-водяноес холодной стенкой у одной поверхности ТЭЗ |
3. | Fujitsu, Япония Amdahl, США | М-780 - - 590 | 1987 | ЭСЛ БИС, 3000, в корпусах со 180 плоскими выводами по четырем сторонам с шагом 0,4 мм | Панель, 336, 42-слойная МПП, 540X488X7,5 | В шкафу 8 панелей (включая 4 панели памяти на ячейках с воздушным охлаждением), кабельные жгуты) | Кондуктивно-водяное с холодными стенка-ми у двух поверхнос-тей ТЭЗ |
4. | NEC, Япония | SX-2 | 1984 | КМЛ БИС, 1000, в микрокорпусах с матрицей из 169 столбиковых выводов | Модуль-микросборка, 36, 5-слойная металл-полиимидная структура на керамической подложке с 5 слоями питания, 100X100X2,8 | Панель из 12 модулей с разъемными НУС-соединителями, 16-слойная МПП, 545X460X4,9 | Кондуктивно-водяное с холодной стенкой у одной поверхности ТЭЗ |
5. | ETA, США | ЕТА-10 | 1987 | КМОП СБИС, 20000, в корпусах с 284 плоскими выводами по четырем сторонам | Панель, 240, 44-слойная МПП, 560X410X6,5 | В шкафу пакет панелей, кабельные жгуты | Криогенное кондуктивно-жпдкостное с использованием жидкого азота |
6. | Hitachi, Япония NAS, США | М-680 - AS/XL | 1985 | ЭСЛ БИС, 2000, в корпусах со 160 плоскими выводами по четырем сторонам с шагом 0,51 мм | Ячейка, 72, 20-слойная МПП, 420X280X4 | Кассетная, по 21 ячейке в блоке, 22-слойная МПП, 570X420X4,5 | Воздушное принудительное высокоскоростное (8 м/с) |
В них используются самые совершенные по состоянию производства на начало 1987 г. компоненты и технология. В ЭВМ серии М-780 (Имеются сообщения, что в ближайшее время на этой же технической базе будут выпущены сверхбыстродействующие конвейерные процессоры) фирмы Fujitsu [1] применяются:
наиболее быстродействующие логические матричные БИС ЭСЛ-типа (задержка тэ = 0,18 нс/вент. при интеграции N = 3000 вентилей), ЭСЛ БИС сверхбыстродействующей памяти с встроенной логикой (время выборки тв = 3,2 нс при N=16 К.бит+1200 вентилей), КМОП СБИС оперативной памяти (статического типа с тв = 55 нс и N = 256 Кбит);
наиболее компактные корпуса БИС (180 плоских выводов, расположенных с шагом 0,4 мм по четырем сторонам квадратного керамического носителя размером 22 мм) и резисторных наборов, автоматизированная технология монтажа таких корпусов на печатные платы;
уникальные полосковые крупноформатные (540X488 мм) многослойные печатные платы (МПП) со сквозными и внутренними межслойными переходами (42 слоя, из них 9 пар слоев сигнальных линий шириной 0,06 мм). :
Шкаф ЭВМ М-780 имеет размеры 1900X850X1750 мм, в нижней части его располагаются источники питания, а в верхней — восемь устройств четырех типов: два центральных процессора (ЦП), устройство управления памятью (УП), процессор управления каналами ввода-вывода информации (К.П), четыре модуля памяти по 128 Мбайт. Каждое устройство выполнено в виде панели на одной крупноформатной МПП.
В панели логического устройства (ЦП, УП, КП) корпуса БИС и резисторных наборов устанавливаются на двух поверхностях МПП и своими выводами припаиваются непосредственно к плате. Всего можно установить до 336 корпусов БИС (14 рядов по 12 корпусов на каждой из двух поверхностей). Панель, которая может рассеивать до 3 кВт, зажимается между двумя «холодными стенками», по которым протекает вода. Тепло от корпусов передается к воде кондуктивным способом с использованием матрицы сильфонов. В панели памяти на двух поверхностях МПП располагаются малогабаритные ячейки накопителя (128 шт.) и БИС схем управления (160 шт.). Ячейки устанавливаются перпендикулярно МПП и подсоединяются к плате через разъемные соединители. БИС схем управления монтируются непосредственно на поверхность МПП так же, как в логических панелях. Охлаждение микросхем панели памяти, которая рассеивает 1,8 кВт,— воздушное принудительное (скорость воздуха 5,5—8 м/с).
Передача информации между панелями производится с использованием кабелей. На двух боковых сторонах МПП установлено по семь соединителей, каждый из которых имеет по 50 сигнальных и 50 земляных контактов, расположенных в четыре ряда с шагом 0,8 мм.
В суперЭВМ ЕТА-10 фирмы ЕТА применяется ряд принципиально новых для ЭВМ технических решений [2]: впервые в качестве основных логических компонентов сверхбыстродействующих устройств используются схемы КМОП - типа, логические матрич-
ные БИС имеют наибольшую степень интеграции среди БИС, применяемых в центральных процессорах известных ЭВМ, — 20 тыс. вентилей, корпуса БИС охлаждаются жидким азотом до криогенной температуры, при которой минимальные задержки элементов составляют 0,4 нс/вент. (вдвое меньше, чем при комнатной температуре).
В ЕТА-10 так же, как и в ЭВМ М-780, используются уникальные крупноформатные МПП, имеющие 44 слоя проводников при размерах 560X410X6,5 мм. компактные корпуса БИС с 284 плоскими выводами, расположенными по четырем сторонам керамического носителя.
Панель на основе МПП содержит до 240 корпусов БИС, выводы которых на автоматизированной установке присоединяются к поверхности платы. Центральный процессор размещается на одной такой панели и рассеивает 750 Вт.
В настоящее время трудно оценить преимущества оригинальных решений, 1 принятых фирмой ЕТА, над решениями фирмы Fujitsu, поскольку фирма ETA | еще не преодолела ряд технических трудностей, которые существенно задержали объявленные ранее сроки освоения производства и поставок маши» ЕТА-10 с максимальной производительностью 10 млрд. опер./с.