Статья - Техническая база ЭВМ, страница 3

Жидкость протекает между платами модулей со скоростью 2,5 см/с, для увеличения эффективности теплосъема с помощью воздушного барботажа соз­дается турбулентность потоков жидкости. При этом максимальная температу­ра кристаллов и микросхем не превышает 38° С, что обеспечивает высокую надежность ЭВМ. Существенно повышает надежность также защищенность мо­дулей от вредных воздействий воздушной среды (влаги, кислорода и др.), ис­пользование хорошо освоенных в производстве логических микросхем неболь­шой степени интеграции, которые применяются с 1982 г. в ЭВМ Cray X-MP, надежное электронное проектирование схем (в части синхронизации, обеспече­ния малых и контролируемых искажений сигналов при передаче).

ЭВМ Сгау-2 имеет машинный такт 4,1 нс, существенно мень­ший, чем у других современных ЭВМ, в 8—16 раз большую ем­кость оперативной памяти, четырехпроцессорный комплекс раз­мещается на площади менее 2 м². Это получено при использова­нии далеко не совершенных компонентов: логических схем малой интеграции в простых корпусах (и не предельного для 1985 г. быстродействия), простых разъемных соединителей и печатных плат малых размеров с двумя слоями сигнальных связей, без объ­единительных МПП. Следовательно, улучшение функциональных характеристик достигнуто за счет очень плотной установки плат с микросхемами (шаг установки всего 3 мм )и применения объемных связей, а эти качества оказалось возможным реализовать благодаря охлаждению компонентов погружением в жидкость.

Основным недостатком конструктивно-технологических реше­ний ЭВМ Сгау-2 является отсутствие простого физического до­ступа для исследования сигналов внутри ЭВМ, что обычно требу­ется при выявлении ошибок проектирования в процессе наладки и эксплуатации первых образцов ЭВМ. Такие решения приемле­мы при очень малом количестве ошибок проекта, что обеспечива­ется высокой культурой и дисциплиной разработки при достаточ­но простых электронно-схемотехнических правилах и нормах.

Тенденции, направления и перспективы развития

С целью прогнозирования уровня и определения оптимальных принципов технической базы будущих суперЭВМ проведем ана­лиз тенденций и ограничений совершенствования рассмотренных направлений.

Развитие первого направления — высокопроизводительные и суперЭВМ на корпусированных БИС и МПП — целесообразно проследить на примере совместных разработок ЭВМ японской фирмы Fujitsu и американской фирмы Amdahl, поскольку за по­следние 12 лет сменилось уже три поколения таких ЭВМ и каж­дое из них представляло в свое время наивысшее достижение в данном направлении. К первому поколению (с 1975 г.) относятся ЭВМ серий Amdahl-470 и FACOM-200, ко второму (с 1981 г.) — ЭВМ серий Amdahl-580, FACOM М-380 и суперЭВМ серии VP, к третьему (с 1987 г.) — ЭВМ серии FACOM M-780 и Amdahl-590.

Совершенствование параметров технической базы указанных ЭВМ иллюстрируется графиками рис. 1. При переходе от первого поколения ко второму максимальное количество элементов на плате увеличилось в 11,5 раз, а плотность размещения элемен­тов — в 5 раз; при переходе от второго поколения к третьему произошел рост этих показателей еще соответственно в 21 и 7 раз. Это достигнуто за счет повышения степени интеграции логи­ческих БИС (в 4 и 7,5 раз) и БИС памяти, увеличения площа­ди плат (в 2,6 и 3 раза) и плотности печатных проводников (в 1,5 и 3,2 раза), а также улучшения теплоотвода и перехода в М-780 к установке БИС на обеих плоскостях платы. Следует от­метить, что количество контактов в разъемных соединителях, ус­тановленных на плате с БИС, изменялось в очень небольших пре­делах: ячейка первого поколения имеет 800 контактов (из них: 664 сигнальных), второго — максимально 1152 контактов, третье­го—1400 контактов (из них 700 сигнальных). Такое положение можно объяснить тем, что на платах второго поколения размеща­ются функционально законченные узлы устройств, а на платах третьего поколения — полные устройства.

Принципы компоновки плат с БИС в шкафах ЭВМ карди­нально изменились: в первых машинах платы размещались на двух параллельных плоских рамах, а связи между платами осу­ществлялись витыми парами проводов и кабелями; в шкафах ЭВМ второго поколения платы располагались пакетами (по 13 шт. в каждом), а связи между ними обеспечивались двумя объ­единительными панелями на основе МПП, подсоединение к кото­рым производилось с использованием разъемных соединителей с нулевым усилием сочленения; в ЭВМ М-780 плата с БИС пред­ставляет собой процессор, она соединяется с другими платами ЭВМ только небольшим числом кабелей.

Таким образом, тенденциями развития рассматриваемого на­правления являлись: 1) повышение интеграции и быстродействия микросхем при увеличении количества и плотности расположения выводов корпуса, а также рассеиваемой мощности; 2) увеличение плотности печатного монтажа; 3) повышение эффективности теп­лоотвода (переход в третьем поколении к жидкостному охлажде­нию); 4) ограничение роста числа выводов разъемных соедините­лей платы путем размещения на платах функционально закончен­ных узлов; 5) увеличение площади печатных плат. Первые че­тыре фактора продолжают иметь мощные стимулы дальнейшего роста, а значительного увеличения площади печатных плат, по-видимому, не будет как из-за резкого возрастания производствен­но-технических трудностей, так и в связи с отсутствием функцио­нальных потребностей.

Если предположить, что совершенствование всех параметров технической базы (кроме размеров плат) будет происходить эволюционно, и использовать зависимости от времени, справедливые для предшествующих периодов развития, то, экстраполируя еще на одно поколение, т. е. на 6 лет, можно предсказать следующие показатели, которые будут характеризовать в 1993 г. техническую базу ЭВМ на основе корпусированных БИС и МПП:

логические СБИС с интеграцией 30—40 тыс. вентилей с задержкой менее 0,1 нс/вент. (внутри СБИС) в корпусах с 400—500 выводами по четырем сто­ронам с шагом 0,3 мм при рассеиваемой мощности около 30 Вт;

СБИС сверхбыстродействующей памяти (с встроенной логикой) емкостью 64 Кбит при времени выборки 2 нс и СБИС большой оперативной памяти ем­костью 1—4 Мбит при времени выборки 50 нс;

п
олосковые печатные платы со сквозными и внутренними межслойными переходами с плотностью печатных сигнальных связей 100 см/см² (линии и за­зоры шириной 0,05 мм, шаг сквозных отверстий 1,0 мм, число слоев око­ло 50);

кондуктивно-жидкостное охлаждение (3 Вт/см²) с короткими теплопровод­ными путями от кристаллов СБИС до жидкости и с развитой поверхностью, омы­ваемой теплоносителем при повышенной скорости протекания.

Рис. 1. Изменение параметров технической базы высокопроизводительных ЭВМ на основе корпусированных БИС.

По оси абсцисс указаны поколения ЭВМ фирм Amdahl и Fujitsu

1 —выпуск с 1975 г., 2-с 1981 г., 3-с 1987 г., 4 - прогноз на 1993 г.

По оси ординат: а, б — интеграция (N), число выводов (Р), задержка внутреннего вентиля (т) и потреб­ляемая мощность (W) логических БИС; в, г — интеграция (N) и время выборки информа­ции (т_в) БИС сверхбыстродействующей и оперативной памяти; д — площадь (S), число слоев проводников (т), шаг сквозных отверстий (Д) и ширина печатных линий (Ь) мно­гослойных печатных плат ТЭЗ; е — плотность потока тепла (w), отводимою от компонентов ТЭЗ

В настоящее время не видно каких-либо принципиальных фи­зических или технологических препятствий, которые не позволили бы достигнуть прогнозируемых значений параметров. Более того, уже имеются результаты исследований и разработок по созданию подобных СБИС на кремниевых биполярных схемах с переключа­телями тока, соответствующих методов жидкостного охлаждения, МПП с использованием аддитивной технологии создания провод­ников, полиимидных диэлектриков, лазерной обработки. При ука­занных параметрах СБИС и плат плотность размещения элемен­тов на плате возрастает до 10—15 вент./мм², т. е. в 3—4 раза по сравнению с плотностью, обеспечиваемой технической базой третьего поколения (например, в серии ЭВМ М-780). На отдель­ных платах будут размещаться функционально законченные уст­ройства (или несколько таких устройств). При этом плотность расположения плат в шкафах определяют не соединения между платами (и соединители), а конструкции теплоотводов. Посколь­ку при жидкостном охлаждении, как показывают расчеты и опыт ЭВМ Сгау-2, зазоры между платами могут быть уменьшены, то объемная плотность компоновки элементов в шкафах суперЭВМ следующего поколения возрастает в большем отношении, чем плотность элементов на плате (ориентировочно в 5—10 раз).

По мере повышения интеграции БИС и числа их выводов уве­личиваются сложность и значимость проблем, связанных с ис­пользованием корпусов микросхем: создание корпусов с сотнями очень плотно расположенных выводов, имеющих малые омичес­кие сопротивления на пути от кристалла до точки присоединения вывода к плате, малые индуктивности и емкости; установка крупных кристаллов большой площади в корпус с обеспечением малого теплового сопротивления; монтаж корпусов на платы с обеспечением высокой надежности соединений и демонтаж при замене без повреждения плат; обеспечение электрической одно­родности линий связи между кристаллами и согласование этих линий с нагрузкой; увеличение разрыва между быстродействием схем внутри БИС и внешними задержками — интерфейсных эле­ментов БИС, на корпусах, в связях между БИС. Все это стимули­рует переход к применению в качестве модулей ЭВМ микросбо­рок с бескорпусными БИС.

Некоторые показатели развития микросборок фирмы IBM приведены в табл. 2 [5, 9]. Эффективность применения микросбо­рок для повышения плотности компоновки тем выше, чем боль­ше в каждом из них кристаллов микросхем. При оптимальном использовании МПП, на которой устанавливаются или корпусиро ванные однокристальные микросхемы, или микросборки, выиг­рыш в средней плотности расположения кристаллов на МПП оп­ределяется отношением суммарного числа выводов всех кристал­лов микросборки к количеству выводов этой микросборки, т. е. при использовании правила Рента он равен т^(1-r), где т — число кристаллов, а r ~ 0,5 — показатель степени в зависимости между интеграцией узла и числом его выводов. Выигрыш может быть большим, если в микросборке размещается функционально закон­ченное устройство.

Одним из путей широкого внедрения в суперЭВМ микросборок из большого числа БИС и СБИС с учетом сложности проблем освоения технологии фирмы IBM является реализация их на ос­нове особо прецизионных многослойных печатных плат, кристал­лов БИС с ленточными выводами или в микрокорпусах, жидко­стного охлаждения с отводом тепла от кристаллов к теплоносите­лю кондуктивным способом (аналогично тому, как это делается в ЭВМ серий 3080 и 3090 — фирмы IBM и SX фирмы NEC) или

при непосредственном погружении в диэлектрическую жидкость, имеющую низкую температуру кипения.

Возможность создания указанных микросборок появилась в связи со значительными успехами в технологии многослойных пе­чатных плат. В табл. 3 приведены параметры МПП современных высокопроизводительных ЭВМ и параметры, типичные для плат ЭВМ третьего поколения, а в табл. 4 даны характеристики много­слойных керамических и печатных плат для микросборок, кото­рые могут быть реализованы в ближайшие годы. Особо прецизи­онные печатные платы не только могут превосходить керамиче­ские по размеру, плотности и качеству связей, но они также явля­ются более доступными для освоения на заводах по производству современных ЭВМ.

Конструктиво-технологические проработки показывают, что модули-микросборки на основе специальных МПП и кристаллов БИС с ленточными выводами (или в микрокорпусах) позволяют получить плотность размещения БИС на плате и в объеме в 4—8 раз большую (в зависимости от размеров кристаллов), чем для перспективных вариантов компоновки с использованием корпуси-рованных БИС. Заметим, что рассмотренное направление реали­зации модулей отражает существующую тенденцию к стиранию различий между традиционными ячейками ЭВМ и микросборка­ми, которое происходит естественным образом при увеличении количества БИС в модуле, числа и плотности расположения вы­водов у каждого из них.

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Дальнейшее увеличение плотности компоновки элементов в модуле ЭВМ может быть достигнуто использованием многослой­ной тонкопленочной системы межсоединений с линиями и зазора­ми шириной порядка 10 мкм и менее. Большое количество разра­батываемых вариантов создания таких модулей можно разделить на следующие группы: монолитные ультраБИС на целой полу­проводниковой пластине или кристалле сверхбольшой площади; гибридные схемы с использованием многослойных тонкопленоч­ных плат на жестких подложках (пластины кремния, сапфира, ке­рамики и др.) и кристаллов микросхем со столбиковыми выво­дами (с потерей плотности размещения элементов могут быть ис­пользованы также проволочные и ленточные выводы); мозаичные микросборки из предварительно проверенных кристаллов, объеди­ненных связующим материалом в блок с плоской поверхностью, на которой реализуются тонкопленочные соединения.