Статья - Техническая база ЭВМ, страница 4

В качестве достоинств данного типа модулей кроме высокой плотности компоновки указывают также возможность использова­ния при их изготовлении технологии и оборудования полупровод­никовой микроэлектроники. Однако это не относится к сверхбы­стродействующим схемам, для которых с увеличением размеров модуля резко усложняются требования к сопротивлениям, емкос­тям линий, взаимным помехам между ними, количеству необходи­мых слоев межсоединений. Наиболее принципиальные трудности реализации рассматриваемых модулей обусловлены их плохой ре­монтопригодностью. При этом для получения приемлемого про­цента выхода годных модулей, содержащих требуемое большое количество кристаллов (блоков пластины), необходимо обеспе­чить: полный контроль кристаллов с высокой достоверностью ре­зультатов, сохранность кристаллов на всех этапах изготовления модуля, большой процент выхода годных многослойных тонко­пленочных межсоединений. Для преодоления указанных труднос­тей наряду с совершенствованием технологии изготовления раз­рабатываются специальные методы функционального и конст­руктивного резервирования, технология и оборудование «тонко­го» ремонта (с использованием лазерных и электронно-лучевых установок).

Устойчивость тенденций развития технической базы ЭВМ и возможность достаточно надежного прогнозирования обусловлены рядом факторов, основными из которых являются:

стоимость реализации и размеры линии связи для передачи сигналов между элементами ЭВМ резко возрастают при переходе от нижних уровней компоновки узлов ЭВМ к верхним (от свя­зей на кристаллах до кабельных соединений в шкафах и между ними);

по надежности, стоимости и плотности размещения индивиду­альные электрические соединения проводников (с использовани­ем сварки, пайки, накрутки, обжимки, разъемных контактов и др.) значительно уступают интегральным соединениям (между проводниками в различных слоях печатных и пленочных плат);

к
аждый переход с более низкого уровня компоновки на более высокий вносит дополнительные потери быстродействия и рас­сеиваемой мощности схем;

Рис. 2. Влияние числа вентилей (N) и микросхем (n) в узлах ЭВМ на количество выводов (P), функциональных типов (М) и соединений (С), а также на общую (Т) и относительную (t=T/n) трудоемкость изготовления

Q, р₀ — количество вентилей и выводов в функционально законченном устройстве; Т₁, t₁-характеризует неавтоматизированное изготовление; Т_г, t₂ — автоматизированное

всякое увеличение количества элементов, допускаемое повыше­нием надежности и снижением стоимости элементов и связей, мо­жет быть использовано в суперЭВМ для повышения производи­тельности, т. е. количество элементов ЭВМ ограничивается возможностями, а не потребностями. Эти факторы необходимо до­полнить следующими положениями:

количество внешних соединений модуля ЭВМ увеличивается с повышением его интеграции, но это происходит медленнее, чем рост интеграции (рис. 2,а):

применяемость функциональных типов модулей в устройстве ЭВМ падает с увеличением интеграции модуля (рис. 2,6);

трудоемкость автоматизированного проектирования функцио­нального модуля ЭВМ увеличивается медленнее, чем его интегра­ция (из-за структированного построения схем), следовательно, полная трудоемкость проектирования устройства определенного объема тем меньше, чем на более крупные модули оно разбива­ется;

трудоемкость автоматизированного изготовления модулей (рис. 2,в) увеличивается существенно медленнее, чем растет его интеграция (до уровня, обеспечиваемого технологическими воз­можностями и оборудованием).

Указанные факторы и положения имеют ряд следствий, кото­рые проявлялись в прошлом и должны учитываться в настоящее время. Основными из них являются:

кардинальное направление развития технологии ЭВМ—повы­шение интеграции узлов, т. е. увеличение количества и плотности размещения элементов и связей на всех уровнях — кристалл мик­росхемы, микросборка, модуль на МПП, рама (панель, блок),

шкаф;

количество уровней компоновки для реализации устройства и особенно количество видов индивидуальных соединений должно непрерывно уменьшаться, однако в связи с одновременным ростом числа устройств в системе требуется развивать все виды компо­новки (рис. 3), достижения в одном из видов не исключают дру­гие, а, как правило, усиливают их роль (например, повышение ин­теграции микросхем потребовало резкого усложнения плат);

при выбранной (по быстродействию и надежности) элемент­ной базе для каждого последующего уровня компоновки целесо­образно применять наибольшую (допускаемую технологическими ограничениями) интеграцию.

С целью снижения риска повредить крупноформатные МПП при замене микросхем или внесении изменений во время наладки ЭВМ целесообразно использовать переходные разъемные сое­динители— колодки между МПП и корпусами микросхем [10]. После наладки первых образцов ЭВМ и устранения ошибок про­екта, а также при достижении определенного уровня надежности БИС в последующих образцах ЭВМ разъемные колодки могут не

применяться.

П
ри всем сказанном выше следует подчеркнуть, что непрерыв­ное и быстрое повышение надежности является наиболее важной тенденцией и предпосылкой развития ЭВМ, поскольку она в значительной мере определяет стоимость эксплуатации и влияет на стоимость аппаратуры.

Рис. 3. Уровни и основные узлы компоновки ЭВМ и вычислительных комплек­сов высокой производительности

В левом столбце указаны уровни, соответствующие центральным процессорам современных ЭВМ, и дан прогноз

Имеется ряд предпосылок внедрения в центральную часть суперЭВМ схем на полевых транзисторах:

сокращение разницы в быстродействии элементов на полевых и биполярных транзисторах при уменьшении размеров компонен­тов, использовании криогенного охлаждения, арсенида галлия, баллистических эффектов переноса зарядов;

проблемы, связанные с большей мощностью, потребляемой на­иболее быстродействующими кремниевыми биполярными СБИС (обеспечение теплоотвода, надежности, электропитания);

преимущества БИС на полевых транзисторах в интеграции л возможность значительного сокращения потребляемой мощности для схем КМОП, в которых переключается с максимальной час­тотой лишь небольшая часть элементов;

сокращение внутри СБИС доли длинных связей из-за перехо­да к конвейерным алгоритмам выполнения операций.

Учитывая достижения в технологии биполярных СБИС и огра­ничения в совершенствовании параметров схем на полевых тран­зисторах при переходе к субмикронным размерам, указанные предпосылки нельзя считать решающими для однозначного вы­бора полевых микросхем в качестве основного направления эле­ментной базы будущих суперЭВМ. Кроме того, в настоящее вре­мя развиваются и другие принципы создания сверхбыстродейст­вующих элементов на основе комбинации биполярных и полевых транзисторов в одном кристалле, биполярных транзисторов с гете­ропереходами, контактов Джозефсона и др.

Можно ожидать переход в суперЭВМ к криогенным рабочим температурам, поскольку это дает ряд дополнительных возмож­ностей [11]: уменьшить логический перепад напряжений и за счет этого уменьшить рассеиваемую схемами мощность; повысить-надежность устройств как из-за уменьшения плотностей токов и тепловыделения, так и в связи с резким понижением скорости различных деградационных процессов; увеличить быстродействие устройств за счет роста скорости носителей тока и падения со­противлений. Новые возможности появляются с применением яв­лений сверхпроводимости. Недавнее открытие высокотемператур­ной сверхпроводимости (при Г_К~100К) и получение образцов сверхпроводящих пленок керамики с критической плотностью то­ка более 10⁶ А/см² позволяют использовать эти явления в вычи­слительной технике [11].

Основными компонентами «криогенных» суперЭВМ могут стать кремниевые СБИС на полевых транзисторах или арсенид-галлиевые СБИС. Бескорпусные кристаллы полупроводниковых СБИС могут устанавливаться на тонкопленочные платы со сверх­проводниковыми линиями. Применение сверхпроводимости поз­воляет резко уменьшить емкости связей на платах путем сокра­щения ширины проводников до предельного технологического уровня (на тонкопленочных платах без использования сверхпро­водимости это нельзя сделать из-за большого удельного сопроти­вления пленок проводников). Успехи технологии позволят в даль­нейшем сделать сверхпроводящими все или только длинные свя­зи на кристаллах СБИС, а также электроды полевых транзисто­ров и диодов Шотки, повысив тем самым быстродействие схем.

Уже более 30 лет ведутся широкие исследования возможно­стей применения в ЭВМ оптоэлектронных принципов. Однако до настоящего времени практическое применение оптоэлектроника нашла лишь в периферийной части вычислительных систем: в устройствах ввода-вывода и отображения информации, в посто­янной внешней памяти на дисках, в оптических каналах межма­шинных или периферийных связей. Такое положение объясняется не недостатком идей по созданию оптоэлектронных логических элементов, связей, оперативной памяти, принципов многоканаль­ной обработки информации, а тем, что оценка параметров опто­электронных устройств указывают на их неконкурентоспособность с подобными электронными устройствами (на момент возможно­го промышленного освоения).

Анализ показывает, что преимущества в совершенствовании электронных элементов логики и памяти над оптоэлектронными являются фундаментальными по следующим причинам: задерж­ки срабатывания и энергопотребление элементов, а также длины связей сокращаются при уменьшении их размеров (оптические элементы и связи ограничены на этом пути длиной волны света); Для надежного различения состояний «1» и «О» с учетом шумов и помех необходимо, чтобы состоянию «1» соответствовало доста­точно большое количество носителей энергии — кванты света имеют существенно большую энергию, чем носители тока (~ в 100 раз); логическое срабатывание любого известного оптическо­го элемента связано с оптоэлектронными преобразованиями видов энергии, что вносит дополнительные потери быстродействия и энергопотребления. Все это указывает на очень малую веро­ятность внедрения оптоэлектронных принципов в качестве осно­вы элементов центральных устройств ЭВМ.

Исследователи в области оптоэлектронной обработки инфор­мации, настроенные наиболее оптимистично, утверждают, что оптические элементы в будущем сравняются с электронными по быстродействию и рассеиваемой мощности, а простота много­канальной оптической передачи информации обеспечит возмож­ность увеличить производительность вычислительных систем в -сотни и тысячи раз по сравнению с системами на электронных элементах. Такие прогнозы представляются неоправданными. При отсутствии у оптоэлектронных узлов преимуществ в интеграции и рассеиваемой элементами мощности количество элементов опто­электронной вычислительной системы не может быть существен­но большим, чем у электронной. Очевидно, что при оптимальных (без дополнительных топологических или функциональных огра­ничений) связях между элементами можно получить более высо­кую производительность системы, чем при связях по большому чи­слу параллельных каналов, которые предпочтительны для оптиче­ских систем.

Несмотря на приведенную оценку перспектив оптоэлектрон­ной обработки информации внедрение оптических связей пред­ставляется весьма важным и эффективным направлением разви­тия технической базы суперЭВМ. Это внедрение происходит от длинных линий (между ЭВМ с периферийными подсистемами) к более коротким (между шкафами центральной части ЭВМ и устройствами) с последующим распространением на связи между модулями и, возможно, между кристаллами микросхем (в отда­ленном будущем).

Освоение новых технических рубежей приводит, как правило, к появлению новых архитектурных решений и даже классов ЭВМ: микропроцессоры явились основой рождения персональных ЭВМ, БИС сверхбыстродействующей памяти — векторно-конвейерных процессоров, маломощные быстродействующие логические СБИС вызвали появление мини-суперЭВМ. Значительное влияние на все классы ЭВМ окажут такие мощные технико-экономические стимулы, как возможность резко увеличить количество элементов и параллельных каналов обработки информации с использовани­ем микропроцессорных комплектов СБИС, а также микросхем, в каждой из которых содержится память большой емкости вместе со схемами логической обработки информации (в том числе мно­гоканальной). Особенностью таких СБИС является малая трудо­емкость изготовления и стоимость (в расчете на элемент) при больших затратах на разработку и освоение производства каж­дого функционального типа СБИС.

Указанные особенности являются предпосылкой развития су­перЭВМ с распределенной вычислительной мощностью, построен­ных из очень большого числа одинаковых модулей обработки и хранения информации на основе СБИС. Такие многоканальные ЭВМ могут иметь сверхвысокую производительность при решении некоторых классов задач и применяться наряду с универсальны­ми суперЭВМ, состоящими из небольшого числа процессоров пре­дельной производительности. Для размещения множества про­цессоров и блоков памяти в приемлемом объеме устройств ЭВМ, а также для обеспечения высокого темпа обмена информацией между ними в многоканальных суперЭВМ необходимо иметь большую плотность компоновки микросхем. Следовательно, ре­зультаты проведенного рассмотрения технической базы супер­ЭВМ с процессорами предельной производительности в значитель­ной мере относятся и к многоканальным суперЭВМ.

Заключение