Статья - Техническая база ЭВМ (1088675), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

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).

Жидкость протекает между платами модулей со скоростью 2,5 см/с, для увеличения эффективности теплосъема с помощью воздушного барботажа соз­дается турбулентность потоков жидкости. При этом максимальная температу­ра кристаллов и микросхем не превышает 38° С, что обеспечивает высокую надежность ЭВМ. Существенно повышает надежность также защищенность мо­дулей от вредных воздействий воздушной среды (влаги, кислорода и др.), ис­пользование хорошо освоенных в производстве логических микросхем неболь­шой степени интеграции, которые применяются с 1982 г. в ЭВМ Cray X-MP, надежное электронное проектирование схем (в части синхронизации, обеспече­ния малых и контролируемых искажений сигналов при передаче).

ЭВМ Сгау-2 имеет машинный такт 4,1 нс, существенно мень­ший, чем у других современных ЭВМ, в 8—16 раз большую ем­кость оперативной памяти, четырехпроцессорный комплекс раз­мещается на площади менее 2 м². Это получено при использова­нии далеко не совершенных компонентов: логических схем малой интеграции в простых корпусах (и не предельного для 1985 г. быстродействия), простых разъемных соединителей и печатных плат малых размеров с двумя слоями сигнальных связей, без объ­единительных МПП. Следовательно, улучшение функциональных характеристик достигнуто за счет очень плотной установки плат с микросхемами (шаг установки всего 3 мм )и применения объемных связей, а эти качества оказалось возможным реализовать благодаря охлаждению компонентов погружением в жидкость.

Основным недостатком конструктивно-технологических реше­ний ЭВМ Сгау-2 является отсутствие простого физического до­ступа для исследования сигналов внутри ЭВМ, что обычно требу­ется при выявлении ошибок проектирования в процессе наладки и эксплуатации первых образцов ЭВМ. Такие решения приемле­мы при очень малом количестве ошибок проекта, что обеспечива­ется высокой культурой и дисциплиной разработки при достаточ­но простых электронно-схемотехнических правилах и нормах.

Тенденции, направления и перспективы развития

С целью прогнозирования уровня и определения оптимальных принципов технической базы будущих суперЭВМ проведем ана­лиз тенденций и ограничений совершенствования рассмотренных направлений.

Развитие первого направления — высокопроизводительные и суперЭВМ на корпусированных БИС и МПП — целесообразно проследить на примере совместных разработок ЭВМ японской фирмы Fujitsu и американской фирмы Amdahl, поскольку за по­следние 12 лет сменилось уже три поколения таких ЭВМ и каж­дое из них представляло в свое время наивысшее достижение в данном направлении. К первому поколению (с 1975 г.) относятся ЭВМ серий Amdahl-470 и FACOM-200, ко второму (с 1981 г.) — ЭВМ серий Amdahl-580, FACOM М-380 и суперЭВМ серии VP, к третьему (с 1987 г.) — ЭВМ серии FACOM M-780 и Amdahl-590.

Совершенствование параметров технической базы указанных ЭВМ иллюстрируется графиками рис. 1. При переходе от первого поколения ко второму максимальное количество элементов на плате увеличилось в 11,5 раз, а плотность размещения элемен­тов — в 5 раз; при переходе от второго поколения к третьему произошел рост этих показателей еще соответственно в 21 и 7 раз. Это достигнуто за счет повышения степени интеграции логи­ческих БИС (в 4 и 7,5 раз) и БИС памяти, увеличения площа­ди плат (в 2,6 и 3 раза) и плотности печатных проводников (в 1,5 и 3,2 раза), а также улучшения теплоотвода и перехода в М-780 к установке БИС на обеих плоскостях платы. Следует от­метить, что количество контактов в разъемных соединителях, ус­тановленных на плате с БИС, изменялось в очень небольших пре­делах: ячейка первого поколения имеет 800 контактов (из них: 664 сигнальных), второго — максимально 1152 контактов, третье­го—1400 контактов (из них 700 сигнальных). Такое положение можно объяснить тем, что на платах второго поколения размеща­ются функционально законченные узлы устройств, а на платах третьего поколения — полные устройства.

Принципы компоновки плат с БИС в шкафах ЭВМ карди­нально изменились: в первых машинах платы размещались на двух параллельных плоских рамах, а связи между платами осу­ществлялись витыми парами проводов и кабелями; в шкафах ЭВМ второго поколения платы располагались пакетами (по 13 шт. в каждом), а связи между ними обеспечивались двумя объ­единительными панелями на основе МПП, подсоединение к кото­рым производилось с использованием разъемных соединителей с нулевым усилием сочленения; в ЭВМ М-780 плата с БИС пред­ставляет собой процессор, она соединяется с другими платами ЭВМ только небольшим числом кабелей.

Характеристики

Список файлов учебной работы