В.М. Микитин, Н.А. Смирнов, Ю.Д. Тювин - Основы компоновки и расчета параметров конструкций, страница 2

Увеличение степени интеграции элементов на кристалле связано не только с уменьшением минимального литографического размера. Оно в существенной мере связано также с одновременным увеличением размера самого кристалла (L_кр), что собственно и отражает комплексное повышение интеграции и технологического уровня в микроэлектронике. Взаимосвязь поколений, степени интеграции, размеров кристалла и уровня полупроводниковой технологии в конструкциях микросхем приведена на рис. 1.1.

Примерное соответствие между уровнем микроэлектронной технологии (длиной канала транзистора) и поколением СВТ показано в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Развитие средств ВТ на основе ИС, БИС и СБИС происходит в ведущих фирмах различных стран с разными темпами: где-то более интенсивно (напр., фирмы США, Японии), где-то менее. Это связано с объемом капитальных вложений в вычислительную отрасль на соответствующих этапах ее развития. Пример тенденций развития поколений СВТ и уровня полупроводниковой технологии () в конструкциях ЭВМ ведущих отечественных и зарубежных фирм по годам в интервале от 1960г. примерно по 2000г. приведен на рис. 1.2.

Приведенный пример на рис. 1.2 позволяет ориентировочно оценивать степень отставания в развитии СВТ РФ по отношению к США. Так, напр., если в 1970г. такое отставание можно оценивать примерно в 5 лет, то в 2000г. оно может составить примерно 15 – 20 лет. Вместе с тем, если считать, что повышение технологических возможностей в микроэлектронике на уровне 0,3 мкм и менее близко к своему пределу и может достигаться значительно меньшими темпами, то при условии существенных капиталовложений в вычислительную отрасль РФ, ее значительном переоснащении, это отставание за ближайшие 10 – 15 лет может быть сведено к минимуму, что проиллюстрировано штрих пунктирной (прогнозной) линией на рис. 1.2.

В данном анализе более важно отметить другой аспект темы, связанный с изменением уровня интеграции ИС, БИС, СБИС и т.д. в пределах соответствующего поколения элементов и СВТ. Это важно по той причине, что в ряде учебных пособий, а также другой технической литературе вопросы интеграции элементов, поколения СВТ и уровень полупроводниковой технологии трактуются неоднозначно. Так, напр., в некоторых учебных пособиях, связанных с конструированием бортовых электронных средств ВТ, можно встретить такие определения как РЭС IV‑поколения, построенные на ИС (т.е. на элементах III‑поколения).

Рис. 1.1. Взаимосвязь поколений, степени интеграции (N), размеров кристалла (L_кр) и уровня полупроводниковой технологии (длины канала транзистора – ) в конструкциях микросхем.

В целях снятия противоречий в этих вопросах, которые способны ввести в заблуждение читателя (напр., студента), представляется целесообразным рассматривать изменение степени интеграции элементов в пределах каждого поколения по следующей схеме:

малая интеграция – средняя интеграция – высокая интеграция.

Такая трактовка отражает наибольшую объективность в оценках и, по существу, давно в целом используется при проектировании и конструировании СВТ и РЭС. Отсюда вытекают следующие понятия:

• ИС малой, средней (СИС) и высокой интеграции;

• БИС малой, средней и высокой интеграции;

• СБИС малой, средней и высокой интеграции и т.д.

При этом можно поставить знак тождества между понятиями:

ИС высокой интеграции = БИС малой интеграции;

БИС высокой интеграции = СБИС малой интеграции и т.д.

Такой подход к определению понятий уровня интеграции ИС, БИС и СБИС крайне важен, поскольку (как это будет видно в дальнейшем) он затрагивает систему структурных функциональных уровней ЭВМ, а также систему уровней компоновки и уровней конструкции ЭВМ, комплексов и систем. Пример такой трактовки приведен в таблице 1.2.

Как видно из таблицы 1.2, понятия ИС, БИС, СБИС и др. охватывают диапазоны малой и средней степени интеграции этих элементов. Что же касается диапазона высокой интеграции, то он всякий раз переходит к элементу более высокого уровня.

Рис. 1.2. Тенденции развития поколений средств ВТ и уровня микроэлектронной (полупроводниковой) технологии () в конструкциях ЭВМ ведущих отечественных и зарубежных фирм (с 1965 по 1995 гг.).

Необходимо отметить и следующее обстоятельство. Смена поколений это не есть только переход на новый уровень интеграции в элементах. Каждому поколению СВТ характерны свои принципы проектирования и компоновки элементов и устройств, методы обработки информации, проблемы конструктивно-технологического порядка (корпуса ИС, БИС, СБИС, их наличие или отсутствие; многослойные печатные платы и технологические методы их изготовления; соединители и их частотные свойства и др.). Переход к каждому последующему поколению связан с изменением этих принципов и методов, что не может не отражаться на правилах взаимосвязи основных компоновочных параметров в логических схемах и конструкциях элементов и устройств СВТ.

1.2. Классификация функциональной структуры средств ВТ.
Уровни компоновки и конструкции.

Любое устройство обработки и ЭВМ в целом содержат в себе некоторый набор функциональных структурных уровней, обеспечивающих удобство проектирования, разработки, контроля и выпуска конструкторской документации. Трудно себе представить разработку устройства, например, с интеграцией 100 тыс. ЛЭ, не имеющего промежуточных структурных объединений и состоящего только из объединенных связями элементарных логических элементов. Каждый последующий функциональный уровень базируется на предыдущем, количество которого может изменяться в широких пределах: от минимального, исчисляемого единицами, до максимального, исчисляемого десятками, сотнями и более единиц.

Самым минимальным функциональным уровнем, присутствующим всегда, является логический элемент, выполняющий элементарную логическую функцию типа И, И‑НЕ. Такой элемент обычно именуют термином “базовый ЛЭ” (БЛЭ).

Таблица 1.2

Максимальным функциональным уровнем является либо сама ЭВМ, либо вычислительный комплекс (ВК), состоящий из нескольких процессоров или ЭВМ, либо вычислительная система (ВС), состоящая из нескольких ВК, что определяется задачей разработки.

Поэтому представляется целесообразным представить функциональный состав изделия в виде иерархии (структуры) функциональных уровней, а именно:

базовый ЛЭ (БЛЭ) – функциональный элемент (ФЭ) – функциональный узел (ФУ) – функциональный блок (ФБ) – устройство (У)– процессор – ЭВМ – ВК – ВС.

Каждый из перечисленных уровней предназначен для выполнения определенной функции и представляет собой совокупность элементов нижестоящего уровня, что можно рассматривать как некую иерархическую функциональную модульность устройства, ЭВМ, ВК или ВС. С конструктивной точки зрения эту функциональную модульность можно рассматривать как набор компоновочных уровней, находящихся в полном соответствии со структурой функциональных уровней.

В то же время, кроме компоновочных уровней, имеют место уровни конструкции, представляющие собой соответствующую чисто конструктивную иерархию. Уровни конструкции и уровни компоновки могут совпадать и не совпадать. Если для устройств и ЭВМ III‑го поколения эти уровни, как правило, совпадают, то для устройств и ЭВМ IV‑го и V‑го поколений это совпадение исключается.

Это связано прежде всего с тем, как понимать назначение нового поколения, пришедшего на смену старому. Каждое новое поколение СВТ несет в себе значительное улучшение всех технико-экономических характеристик изделия. Это и более высокая плотность компоновки, а значит и снижение габаритных размеров и массы, это и увеличение быстродействия и функциональных возможностей и т.д. Вместе с тем, эти высокие характеристики могут быть достигнуты только в результате соответствующего “подтягивания” к уровню развития элементной базы широкого спектра элементов конструктивно-технологической базы. В этом плане развитие элементной базы можно рассматривать как движущую силу совершенствования всей остальной части технической базы (корпусов микросхем, соединителей, печатных плат, проводов, кабелей и др.), которая должна находиться во вполне определенном соответствии с элементной базой. Трудно представить себе возможность создания современного функционального узла или блока, содержащего несколько десятков БИС или СБИС, если в распоряжении имеется, напр., только технология двусторонних печатных плат, или технология соединителей, обеспечивающая крайне низкую плотность и малое число контактов.

Суть заключается в том, что разные технические средства (кристаллы и корпуса БИС, печатный монтаж и др.), в том числе средства проектирования и контроля, не имеют единого временного интервала обновления. Полупроводниковая технология развивается значительно быстрее, чем другие технологии. Поэтому смена поколений сопровождается, как правило, значительным и широким обновлением всей технической базы СВТ. Существует расхожее мнение, что смена поколений СВТ происходит каждые 5 лет. Однако это не совсем так. Пример, приведенный на рис. 1.2, несмотря на приближенность оценки, свидетельствует о том, что смена поколений происходит примерно через 10 – 12 лет, причем каждое новое поколение не уменьшается по времени, а имеет тенденцию к увеличению.

Проведенный анализ может служить основанием определенного (с конструктивно-технологических позиций) понимания назначения нового поколения, суть которого заключается в том, что микросхема нового поколения заменяет структурную единицу, построенную на микросхемах предыдущего поколения. Например, БИС заменяет ФУ на ИС, а СБИС заменяет ФБ на БИС и т.д. Полная картина примерного соответствия поколений элементов (ИС, БИС, СБИС) иерархии функциональной модульности приведена в табл.1.3. Здесь же приведено обозначение (нумерация) уровней конструкции и уровней компоновки, где уровень БЛЭ принят за 0‑ю точку отсчета.

* Примечание. В табл.1.3 учтено, что с повышением уровня интеграции элементов имеет место постепенный переход с одной схемотехники на другую, в частности, с ТТЛ на ЭСЛ и с ЭСЛ на КМОП‑элементы. Последние, как обладающие принципиально большей возможностью интеграции ЛЭ в БИС и СБИС по сравнению, например, с ЭСЛ‑элементами, способны взять на себя значительно большую функциональную нагрузку, заменив, напр., в V‑м поколении не только ФБ, но и целое устройство IV‑го поколения.

Таблица 1.3

Классификация СВТ по функциональной структуре, уровням интеграции, компоновки и конструкции.

Как видно из табл.1.3, нумерация конструктивных уровней смещается по мере перехода из одного поколения СВТ в другое, более высокое. При этом нумерация уровней компоновки не меняется, оставаясь в полном соответствии с нумерацией элементов функциональной структуры.