55

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ,

ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.М.МИКИТИН, Н.А.СМИРНОВ, Ю.Д.ТЮВИН

ЭЛЕКТРОННОЕ
КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭВМ

Основы компоновки и расчета параметров конструкций

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

*

Под общей редакцией Б.Н. Файзулаева

Рецензенты: д.т.н., проф. Шахнов В.А.
д.т.н., проф. Медведев А.М.

В.М.Микитин, Н.А.Смирнов, Ю.Д.Тювин. Электронное конструирование ЭВМ. Основы компоновки и расчета параметров конструкций: Учебное пособие. Под общей редакцией Б.Н.Файзулаева / Моск. гос. институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). - М., 2000.- 52 с.

Специальная редакция

Вёрстка и иллюстрирование: Калабушев Алексей (ВССУ-7-96^®)

В пособии кратко изложены теоретические и прикладные основы электронного конструирования (в части компоновки) элементов и устройств ЭВМ и вычислительных комплексов.

Приведена характеристика состояния и тенденций развития средств ВТ и показана взаимосвязь поколений со степенью интеграции элементов, размерами кристалла и уровнем полупроводниковой технологии.

Дана классификация СВТ по уровням компоновки и конструкции.

Рассмотрен перечень взаимосвязанных компоновочных параметров, характеризующих логическую схему и конструкцию на любом уровне компоновки устройства.

Дано описание компоновочной модели логической схемы и приведены частные аналитические соотношения ее параметров.

Приведены системные аналитические соотношения, характеризующие фундаментальную взаимосвязь компоновочных параметров, полученные на основе использования принципов структуризации и моделирования логической схемы устройства.

Рассмотрены вопросы практического применения системных соотношений при конструировании. Описаны методы и принципы компоновки элементов в устройствах ЭВМ и приведены критерии и основные законы системной взаимосвязи параметров в логической схеме.

Приведены методы расчета параметров конструкции коммутационных элементов устройств, а также параметров их системного и функционального быстродействия, основанные на использовании системных соотношений.

Приведены правила и примеры практических расчетов параметров многоуровневых конструкций элементов и устройств ЭВМ.

Пособие рассчитано для студентов разных специальностей (например, 220100, 220500 и др.), изучающих дисциплины “Конструирование и технология производства ЭВМ” и “Конструирование ЭВС”. Оно может быть полезно студентам при изучении дисциплин “Элементная база ЭВМ” или “Схемотехника ЭВМ”. Пособие также полезно студентам, инженерно-техническим работникам и молодым ученым при проведении научно-исследовательских работ по прогнозированию и оптимальному выбору параметров элементной и конструктивно-технологической базы устройств современных и перспективных ЭВМ.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

Табл. 13. Ил. 9. Библиогр.: 38 назв.

ВВЕДЕНИЕ

Конструирование современных ЭВМ любого назначения представляет собой сложный процесс создания (разработки) широкого спектра конструкторской документации на элементы (БИС, СБИС), функциональные узлы, блоки, устройства и ЭВМ в целом, предназначенной для последующего изготовления и эксплуатации. Характер решаемых задач в процессе разработки КД самый разнообразный: от задач по обеспечению механической прочности, надежности и тепловых режимов в конструкциях до задач по обеспечению заданного быстродействия, помехоустойчивости и электромагнитной совместимости.

Общий процесс конструирования любого электронного изделия, в т.ч. и ЭВМ, с целью конкретизации конструкторских задач условно можно представить как состоящий из трех взаимосвязанных составных частей: конструирование механической и электронной частей изделия и конструирование окружающей среды, т.е. средств, обеспечивающих заданную температурную работоспособность изделия.

Конструирование механической части устройств ЭВМ, характеризуемое традиционно как “механическое конструирование”, предназначено для решения задач по обеспечению механической прочности и устойчивости конструкций к внешним воздействующим факторам (ВВФ). Конструирование окружающей среды связано с обеспечением надежного функционирования ЭВМ и предназначено для решения задач по обеспечению вполне определенных тепловых (температурных) режимов работы логических элементов в устройствах. Такое конструирование характеризуется устоявшимся термином “тепловое конструирование”.

Конструирование же электронной части ЭВМ имеет свои характерные особенности. Они заключаются в том, что электронная часть предназначена для выполнения главной функции ЭВМ, а именно, для обработки, обмена и получения результатов вычислений по заданным алгоритмам и программам. Поэтому конструирование электронной части связано с решением широкого спектра сложных специфических задач по выбору оптимальных параметров логических элементов, по компоновке и оптимальному выбору параметров конструкций ЭВМ, по обеспечению быстродействия и помехоустойчивости линий связи в общей системе межсоединений и многие другие. Все задачи взаимосвязаны и требуют для своего решения разработки соответствующих методов, правил, принципов и критериев конструирования.

Если при механическом и тепловом конструировании ЭВМ любого поколения характерны главным образом традиционные методы решения задач, то при конструировании электронной части имеет место постоянное изменение и усложнение решаемых задач. Сначала определяющей задачей было конструирование транзисторов и транзисторных схем (II‑е поколение), затем, с появлением ИС (III‑е поколение), определяющей задачей стала компоновка узлов и блоков на ИС и конструирование линий связи. Переход к широкому применению в ЭВМ БИС и СБИС (IV‑е, V‑е поколение) привел к существенному изменению принципов компоновки и появлению новых методов обработки информации, что не могло не отразится на изменении методов конструирования и компоновки электронной части ЭВМ. При этом задача обеспечения заданного быстродействия, помехоустойчивости и помехозащищенности устройств сохраняла свою определяющую роль и значимость. Таким образом, в рамках конструирования электронной части ЭВМ шел процесс постепенного формирования самостоятельного направления, именуемого сейчас как “электронное конструирование”.

Понятие “электронное конструирование ЭВМ” было введено в конце 60‑х годов советскими учеными Левиным В.К., Файзулаевым Б.Н. и Соловьевым В.А., руководившими работами по созданию первых высокопроизводительных ЭВМ на транзисторах и интегральных схемах.

Особая роль в становлении и развитии нового направления конструирования отечественных ЭВМ на ИС, БИС и СБИС принадлежит проф. Файзулаеву Б.Н., опубликовавшему более 40 научных трудов по данной тематике. Среди печатных трудов, наиболее полно отражающих вопросы электронного конструирования, следует выделить работы [1,2,3,4], широко используемые в ряде вузов при чтении курсов, связанных с современным конструированием ЭВМ и средств ВТ. Следует также отметить учебники по конструированию ЭВМ и систем Преснухина Л.А. и Шахнова В.А. [5], Савельева А.Я. и Овчинникова В.А. [6], отражающие эволюцию поколений ЭВМ и содержащие элементы электронного конструирования, хотя и без употребления соответствующих терминов.

Актуальность задач нового направления обусловлена рядом причин, в частности: значительным повышением быстродействия элементной базы и необходимостью повышения быстродействия устройств и производительности ЭВМ в целом, существенным возрастанием влияния конструкции и связей на быстродействие и помехозащищенность ЭВМ, резким снижением амплитуд и мощности рабочих сигналов логических элементов ИС и БИС, с одной стороны, и повышением уровня внешних помех, с другой. В результате развития элементной базы и повышения сложности технических средств, конструкции узлов и устройств ЭВМ стали определять не только механические, технологические и надежностные характеристики, но и такие важнейшие электронные параметры ЭВМ как быстродействие и помехоустойчивость.

Прогресс в вычислительной технике немыслим без существенных достижений в области электронного конструирования элементов и устройств, являющихся технической основой построения ЭВМ любого класса. Обеспечение быстродействия и помехозащищенности элементов, узлов и устройств ЭВМ, составляющих предмет электронного конструирования, становится сегодня первоочередной и наиболее важной частью конструирования ЭВМ в целом. Особенно остро эта проблема стоит при переходе к сверхскоростным логическим элементам БИС и СБИС. Конструирование узлов ЭВМ в наносекундном диапазоне, т.е. конструирование базовых матричных кристаллов и корпусов БИС и СБИС, многослойных печатных плат, многопроводных и кабельных линий связи, компоновка электронного оборудования по различным конструктивным модулям – все это прежде всего электронное конструирование, основным критерием качества которого является быстродействие и помехозащищенность устройств ЭВМ.

По мере повышения степени интеграции и быстродействия БИС металлоемкость конструкции ЭВМ будет снижаться и главным объектом электронного конструирования станет уже не шкаф, а многослойная печатная плата и, в пределе, кристалл СБИС, на котором будет размещаться большинство электронного оборудования процессора.

Поэтому подготовка специалистов в учебных заведениях в области электронного конструирования ЭВМ имеет чрезвычайно важное значение. В настоящее время, однако, отсутствуют учебные пособия, которые наряду с теоретическими вопросами электронного конструирования, охватывали бы и практические аспекты выбора оптимальных параметров элементной и конструктивно-технологической базы проектируемых ЭВМ. Эти вопросы, как правило, изложены в журнальных статьях, диссертациях, доложены на семинарах и конференциях. А имеющиеся монографии [1,2,3,5,6] освещают вопросы в области электронного конструирования технических средств ЭВМ на ИС малой степени интеграции и практически не затрагивают вопросов электронного конструирования перспективных средств на основе БИС и СБИС. В связи с этим данная книга, предназначенная в качестве учебного пособия для подготовки специалистов-разработчиков ТС ЭВМ IV и V поколений, может устранить отмеченный выше недостаток.

Задачами электронного конструирования предусматривается решение двух главных проблем на каждом уровне конструкции ЭВМ: проблемы количества, относящейся к разряду компоновочной (определение количества связей, цепей, внешних контактов, каскадов элементов, слоев в коммутационном элементе конструкции и др. при заданном уровне интеграции устройства), и проблемы качества, относящейся к разряду собственно электронного конструирования (обеспечение электрических характеристик ЛЭ и линий связи в скомпонованной конструкции, обеспечение их быстродействия, помехоустойчивости и электромагнитной совместимости).

В данном учебном пособии рассматриваются вопросы первой части электронного конструирования и излагаются теоретические и прикладные основы компоновки элементов и устройств ЭВМ, вычислительных комплексов и других электронных средств ВТ.

Учебное пособие содержит восемь основных глав.

Первая глава знакомит читателя с поколениями средств ВТ и основными тенденциями их развития. Здесь показана оценочная взаимосвязь степени интеграции и уровня микроэлектронной технологии элементов (микросхем) с поколениями ЭВМ, а также приведена классификация функциональной структуры средств ВТ и ее связь с уровнями компоновки и уровнями конструкции.

Вторая глава посвящена знакомству читателя с основными компоновочными параметрами логической схемы устройства, являющимися схемными (первичными) параметрами конструкции СВТ, и содержит обоснование целесообразности их применения при конструировании.

Третья и четвертая главы являются в пособии центральными. В третьей главе изложены теоретические аспекты взаимосвязи основных компоновочных параметров в логической схеме устройства. Показана невозможность применения на современном этапе развития ВТ эмпирических соотношений. Дано описание статической и динамической компоновочной модели логической схемы и приведены фундаментальные системные соотношения, описывающие эти модели.

Четвертая глава посвящена правилам применения системных соотношений при конструировании, учитывающих методы и принципы компоновки элементов в логических схемах обрабатывающих устройств. Приведены базовый критерий и основные законы системной взаимосвязи ряда параметров для двух основных классических методов компоновки элементов. Здесь же приведен сводный перечень современных системных соотношений, используемых при расчете первичных компоновочных параметров элементов и устройств ЭВМ.

В пятой главе сформулированы основные правила определения значений производных компоновочных параметров логической схемы, используемых при конструкторских расчетах.

В шестой главе рассмотрены вторичные компоновочные параметры конструкций средств ВТ, а именно, компоновочные параметры коммутационных элементов многоуровневых конструкций СВТ (напр., средняя длина связи и логической цепи, суммарная длина связей, трассировочная способность, число сигнальных слоев и др. в конструкциях кристаллов БИС и СБИС, подложках многокристальных модулей, многослойных печатных платах) и приведены методы их расчета.

В седьмой главе рассмотрены системные параметры быстродействия устройств ЭВМ (напр., системная задержка ЛЭ и его системное быстродействие, функциональное и тактовое быстродействие устройства) и приводится методика их расчета, базирующаяся на принципе многоуровневости конструкции и первичных компоновочных параметрах, определяемых с помощью системных соотношений.

В заключительной восьмой главе приведены практические примеры расчета как первичных, так и вторичных компоновочных параметров для ряда многоуровневых конструкций устройств ЭВМ, характеризующихся высокой степенью интеграции и различными принципами компоновки.

Учебное пособие предназначено, главным образом, для широкого круга студентов 3‑5 курса вузов, изучающих дисциплины, связанные с конструированием и технологией производства ЭВМ, вычислительных комплексов и электронных приборов. Оно может быть также полезным для инженерно-технических и научных работников, связанных с проектированием и разработкой элементной и конструктивно-технологической базы современных и перспективных средств ЭВТ.

Глава 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ВТ

1.1. Поколения средств ВТ и их связь со степенью интеграции
и уровнем развития микроэлектронной технологии.

Развитие средств ВТ обусловлено, как правило, уровнем развития элементной базы, одной из основных характеристик которой является степень интеграции ЛЭ на кристалле (N). Поэтому принято считать, что если степень интеграции ЛЭ на кристалле соответствует уровню ИС, то ее и СВТ на ней построенные относят к III‑му поколению, если же уровню БИС или СБИС – то к IV‑му или V‑му поколению и т.д. При этом степень интеграции микросхем (ИС, БИС, СБИС) в пределах каждого поколения может изменяться в широком диапазоне значений и не всегда является объективным показателем уровня микроэлектронной технологии. Так, например, степень интеграции элементов КМОП и ЭСЛ может существенно (напр., на порядок и более) отличаться друг от друга, хотя они могут быть выполнены на одном технологическом уровне и иметь одинаковые размеры кристаллов.

Поэтому представляется целесообразным рассматривать развитие поколений элементов и СВТ не только от уровня интеграции микросхем N, а также в зависимости от достигнутого уровня микроэлектронной (полупроводниковой) технологии, т.е. в зависимости от достигнутого в технологии минимального топологического (литографического) размера, лежащего в основе роста степени интеграции элементов. В качестве такого минимального литографического размера, как правило, используется длина канала транзистора . Такой подход отводит полупроводниковой технологии естественное лидирующее место и значение, а степень интеграции элементов представляется как следствие достигнутого технологического уровня.