Статья - Техническая база ЭВМ (1084894), страница 2
Текст из файла (страница 2)
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).
Центральная часть двухпроцессорной ЭВМ М-682 занимает пять шкафов общим объемом (6,5 м3), в 2,3 раза большим, чем у двухпроцессорной модели ЭВМ М-780 (2,8 м3). При этом последняя имеет производительность 80 млн. опер./с и емкость оперативной памяти 512 Мбайт, соответственно в 1,6 и в 2 раза большие, чем у ЭВМ М-682. Учитывая, что обе ЭВМ имеют очень близкие архитектуру и схемотехнику (подобные ЭВМ фирмы IBM), преимущества ЭВМ .серии М-780 над ЭВМ серии М-680 можно объяснить более высоким уровнем технической базы ЭБМ М-780, которая освоена на два-три года позже, чем база ЭВМ М-680.
Одна из наиболее высокопроизводительных универсальных отечественных ЭВМ — многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) «Эльбрус-2» [4], техническая база которой была разработана в середине 70-х годов, относится к тому же направлению развития, что и рассмотренные выше зарубежные ЭВМ.
В МВК «Эльбрус-2» используются логические ЭСЛ БИС с задержкой около 1 нс/вент. и интеграцией до 250 вентилей в корпусах с 54 плоскими выводами, дополняемые в нерегулярных схемах ИС и СИС в корпусах с 16 выводами по двум сторонам с шагом 1,25 мм; 12-слойные печатные платы ячеек (200X170 мм) и объединительных панелей (445X370 мм) со сквозными и внутренними межслойными переходами, имеющие шесть слоев полосковых линий с волновым сопротивлением 50±7,5 Ом; два уровня реализации связей между ячейками в устройствах (в ЭВМ М-680 применена подобная компоновка): с .помощью объединительных МПП с одной стороны пакетов ячеек и с помощью кабельных жгутов — с другой; кондуктивно-водяное охлаждение компонентов использованием оригинального пластинчатого разъемного теплового соединителя между каркасом ячейки и трубами с водой, расположенными в шкафу.
Указанные особенности обеспечили максимальную плотность размещения -10 вентилей на 1 см2 площади МПП ячейки (4 вент./см3 внутри шкафа), которая приблизительно в три раза больше, чем в других отечественных высокопроизводительных ЭВМ третьего поколения. Это позволило примерно в два раза сократить задержки сигналов в связях внутри устройств и между устройствами комплекса, а также подключить к общей оперативной памяти МВК десять центральных процессоров при машинном такте менее 50 нс.
Для современных отечественных многопроцессорных вычислительных комплексов разработана техническая база на основе корпусированных логических БИС ЭСЛ-типа, обеспечивающая максимальную плотность размещения до 200 вентилей на 1 см2 печатной платы.
Второе направление развития технической базы высокопроизводительных ЭВМ—использование микросборок на бескорпусных БИС — представляет пока относительно небольшое число фирм, однако к ним относится фирма IBM, которая одна имеет годовой выпуск ЭВМ, больший, чем у всех остальных производителей ЭВМ в мире, а также фирма NEC, первая в мире создавшая суперЭВМ производительностью более 1 млрд.опер./с (SX-2).
Характерными особенностями технических решений фирмы IBM являются [5]:
бескорпусные БИС имеют столбиковые выводы, расположенные равномерно («матрица») по поверхности кристалла БИС;
большое число БИС (до 133 шт.) монтируются лицевой стороной на плату, которая устанавливается в корпус модуля, обеспечивающий защиту БИС от механических и климатических воздействий;
плата модуля размером 90X90X5,5 мм является многослойной керамической платой, содержащей до 33 слоев проводников связей между БИС;
кондуктивный отвод тепла от кристаллов БИС к поверхности модуля осуществляется с использованием матрицы металлических штырей, установленных в корпусе модуля, каждый из которых прижимается индивидуальной пружинкой к основанию кристалла БИС:
кондуктивно-водяной отвод тепла от модуля;
модуль имеет матрицу из 1800 внешних металлических штыревых выводов, припаянных к нижней поверхности платы;
связи между модулями реализуются с помощью уникальных крупноформатных (710X610 мм) объединительных многослойных печатных плат (МПП);
в отверстия МПП запаиваются контакты, которые обеспечивают разъемное соединение каждого модуля с МПП при относительно небольшом усилии сочленения.
Применение керамической платы из-за близости коэффициентов теплового расширения керамики и кремния обеспечивает возможность непосредственного монтажа на плату кристаллов со столбиковыми выводами. Корпус модуля заполняется гелием — инертным газом с высокой теплопроводностью, что повышает надежность модуля, поскольку устраняет воздействие внешней среды на поверхность кристаллов БИС, уменьшает тепловое сопротивление в зазорах между кристаллом и штырем-теплоотводом, а также между штырем и корпусом.
Указанные особенности придают технической базе IBM ряд важнейших положительных качеств. При определенной степени интеграции кристаллов БИС, размерах плат модулей и объединительных МПП обеспечиваются (для плоской компоновки):
близкая к предельно возможной плотность расположения элементов и минимальные длины связей на всех уровнях компоновки (на кристаллах, в модулях, на объединительных МПП);
наименьшие число видов и количество соединений (сварных, паяных, разъемных, кабельных);
высокая возможная степень автоматизации технологических процессов.
Такая конструкция обеспечивает высокую надежность устройств, малую трудоемкость автоматизированного производства ЭВМ, пригодность для реализации устройств и систем наибольшего быстродействия. Некоторую характеристику эффективности современной технической базы ЭВМ фирмы IBM дают следующие сведения [5] о ЭВМ модели 3081 и ЭВМ модели 3033 с аналогичной архитектурой, но на основе наиболее совершенной технической базы ЭВМ предыдущего поколения (серии IBM-370): количество паяных и разъемных соединений в ЦП уменьшено почти в 10 раз (с 49,2 тыс. штук до 5,1 тыс. штук), типовая длина связи внутри ЦП уменьшена в 8 раз (с 2400 до 300 мм).
Принятые фирмой IBM решения обеспечивают также более высокую надежность процессоров по сравнению с аналогичными процессорами других фирм (Amdahl и Fujitsu, NAS и Hitachi), выполненными на корпусированных БИС и МПП [6]: по данным на июнь 1986 г. время наработки было в 8—10 раз большим и составляло 85 тыс. часов между отказами.
Основным недостатком технической базы фирмы IBM является необходимость очень крупных начальных затрат для решения фундаментальных технологических и производственных проблем, связанных с созданием новых материалов, процессов и оборудования для изготовления, сборки и монтажа, контроля и обеспечения надежности компонентов, узлов и устройств. Только на разработку технической базы нового поколения фирма IBM, один из крупнейших концернов в мире, затратила несколько миллиардов долларов. При этом новые конструктивно-технологические решения являлись развитием уже применявшихся фирмой в сериях 360 и 370 основополагающих принципов (применение бескорпусных кристаллов микросхем с матрицей жестких выводов и микросборок на керамических подложках со штыревыми выводами).
Техническая база суперЭВМ моделей SX-1 и SX-2 японской фирмы NEC по своим принципиальным подходам близка к базе IBM 3090 [7]. Используются биполярные (на переключателях тока) логические БИС, имеющие интеграцию 1000 вентилей с задержкой 0,25 нс/вент. при рассеиваемой мощности до 7 Вт, а также БИС сверхбыстродействующей памяти емкостью 1 Кбит с временем выборки 3,5 не. Оперативная память выполнена на п-МОП БИС ЗУ статистического типа емкостью 64 Кбит с временем выборки 40 не.
Кристаллы БИС собираются на полиимидную ленту-носитель. После вырубки из ленты кристалл, имеющий 176 балочных выводов (из них 128 сигнальных), монтируется лицевой стороной вниз на многослойную керамическую плату— основание микрокорпуса размером 12X12 мм, которая имеет на внешней стороне матрицу из 13X13=169 покрытых припоем контактных площадок. На подобное же основание размером 14Х14 мм монтируются четыре кристалла БИС сверхбыстродействующей памяти, каждый из которых имеет 52 вывода.
36 микрокорпусов устанавливаются в модуль-микросборку на коммутационную плату размером 100X100X2,8 мм. Плата имеет многослойное керамическое основание с пятью слоями шин «земля-питание» и межслойными переходами, соединяющими верхнюю поверхность основания с нижней в большом числе точек, расположенных с шагом 2,54 мм по двум координатам. На верхней поверхности основания создается тонкопленочная структура, имеющая два внутренних сигнальных слоя, два экрана и монтажный слой, которые разделены полиимидом. К контактным площадкам нижней стороны основания припаиваются штыревые выводы (всего 2177 шт.).
Плата с БИС устанавливается в герметизируемый корпус. Аналогично тому, как это сделано в модулях фирмы IBM, тепло от оснований кристаллов БИС отводится с помощью матрицы подпружиненных металлических стержней к поверхности корпуса, омываемой водой.
Двенадцать модулей через разъемные соединители с нулевым усилением сочленения устанавливаются на 16-слойную печатную плату размером 545Х Х460Х4,9 мм, имеющую шесть сигнальных слоев полосковых линий шириной 0,12 мм. Такие панели связаны между собой жгутами из специальных кабелей диаметром 1,08 мм, которые обеспечивают высокую скорость распространения сигналов (26 см/нc).
Техническая база ЭВМ SX фирмы NEC, несколько уступая базе фирмы IBM по плотности компоновки БИС, параметрам МПП, большему количеству соединений, имеет несколько преимуществ: возможность использования кристаллов БИС, у которых нет матрицы столбиковых выводов, в том числе кристаллов с традиционной для корпусированных БИС системой металлизации; приспособленность конструкции коммутационной платы к использованию сверхбыстродействующих схем (по скорости передачи сигналов, удельному сопротивлению линий, пропускной способности слоев); доступность технологии изготовления плат большему числу производителей ЭВМ.
Третье направление развития технической базы суперЭВМ — использование объемных модулей — представляет в настоящее время только ЭВМ Сгау-2 [8]. Однако следует принять во внимание, что фирма Cray является ведущей в мире по суперЭВМ (ее машины составляют около 70% существующего парка суперЭВМ), а принимаемые фирмой технические решения отличаются высокой эффективностью.
Элементную базу ЭВМ Сгау-2 составляют логические СИС ЭСЛ-типа, содержащие 16 вентилей с задержкой 0,25 не/вент, в корпусах с 16 плоскими выводами по двум сторонам с шагом 1,25 мм, и СБИС оперативной памяти емкостью 256 Кбит с временем цикла 60 нc. Типовым элементом замены является объемный модуль толщиной 25 мм, состоящий из 8 ячеек на пятислойных печатных платах размером 200X100 мм. На одной поверхности платы устанавливается 96 (12X8) корпусов микросхем (используются также платы со 108 корпусами). Между соседними платами модуля имеются электрические соединения, выполненные с помощью штыревых перемычек, распределенных по полю (до 36 штук на плату). Таким образом реализуются короткие «объемные» связи для наиболее критических цепей. Каждая плата модуля имеет также 72-контактный разъемный соединитель сигнальных связей на одной стороне (узкой) и соединители подводки питания на противоположной стороне.
Оборудование центральной части ЭВМ Сгау-2 (четыре процессора с векторными и скалярными устройствами обработки, оперативная память емкостью 2048 Мбайт, предпроцессор, контроллеры дисков, сетевые контроллеры, источники питания) размещаются в шкафу, состоящем из 14 колонок высотой 114 ом, расположенных внешней стороной по дуге окружности диаметром 135 ом. Всего в ЭВМ 320 модулей 35 типов. В верхней части колонки пакетом горизонтально размещаются модули логики или памяти (до 24 шт.), а в нижней — блоки питания. Связи между соединителями модулей в шкафу реализуются с помощью витых пар проводников и миниатюрных кабелей.
Охлаждение микросхем и других компонентов модулей и блоков питания производится при непосредственном погружении их в диэлектрическую жидкость. Герметичный шкаф непрерывно наполняется снизу жидкостью с температурой 21° С, которая сливается в верхней части шкафа, рассеивающего 195 кВт мощности, в отводящие трубы при температуре 27° С. В каждый момент времени в шкафу находится 727 литров жидкости. Нагретая жидкость охлаждается во внешнем теплообменнике до 21° С. Для замены модуля или другого ремонта жидкость из шкафа откачивается в бак специальными насосами (за 90 с).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
