Статья - Техническая база ЭВМ
Описание файла
Документ из архива "Статья - Техническая база ЭВМ", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "электронные вычислительные машины (эвм)" из 10 семестр (2 семестр магистратуры), 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 "электронное конструирование эвм" 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.
ЭВМ серии М-680 фирмы Hitachi [3], первые поставки которых были выполнены в 1985 г., реализуются с использованием технической базы, несколько уступающей по своим характеристикам базе ЭВМ серии М-780 и ЕТА-10, которые начали поставляться только с 1987 г. Матричные логические БИС ЭСЛ - типа, применяемые в ЦП, имеют интеграцию 2000 вентилей с задержкой 0,2 не в корпусах со 160 выводами, расположенными с шагом 0,508 мм по четырем сторонам керамического носителя. Микросхемы сверхбыстродействующей памяти выполнены в виде многокристальных модулей, содержащих восемь БИС ЭСЛ ЗУ (4 Кбит, тв = 4,5 нс или 16 Кбит, тв=12 нс) в 28-выводных микрокорпусах и один логический БИС на керамической подложке размером 40x30 мм с девятью слоями проводников; такой модуль с плоскими выводами занимает на МПП ячейки место, соответствующее одному корпусу логической БИС, что обеспечивает в 3 - 4 раза большую плотность компоновки СОЗУ по сравнению с вариантами без использования многокристальных модулей.
В ЦП ЭВМ М-680 используется традиционная кассетная компоновка. Ячейка содержит до 72 корпусов БИС (или микросборок СОЗУ), установленных на одной плоскости МПП размером 420X280 мм, имеющей 20 слоев, из которых 9 заняты сигнальными проводниками шириной 0,1 мм. Поскольку степень интеграции ячейки высокая (около 100 тыс. вентилей), но еще недостаточная для размещения функционально законченного устройства, ячейка имеет большое число (1776 шт.) внешних разъемных контактов: четыре врубных соединителя ячейки с объединительной платой на одной стороне МПП (каждый имеет 260 контактов с шагом 1,27 мм в четыре ряда) и восемь соединителей ячейки с кабелегоном на другой стороне МПП (по 92 контакта с шагом 1,27 мм).
Панель имеет объединительную плату размером 570X420 мм (22 слоя), на которой устанавливается 21 ячейка. Каждое из устройств (центральный процессор, процессор управления памятью, главная память, процессор ввода-вывода) размещается в одной панели. Панель центрального процессора устанавливается в шкаф размером 830Х800Х1720 мм, который имеет также блоки питания. Охлаждение панели, которая рассеивает до 7 кВт мощности, воздушное принудительное (скорость потока 5—8 м/с).