Диссертация (1090013), страница 27
Текст из файла (страница 27)
К примеру, врамках разработки прототипов процессора были применены соединители длямодулей, соответствующих стандартам VPX (VITA 46, VITA 48 выпуска 2007 2013 годов). Конструкция этих соединителей представлены на рисунке 4.3.4.Рис. 4.3.4. Конструкция высокочастотных соединителей.Практика применения таких соединителей выявила необходимость повышенияжесткости конструкции корпуса (шасси) для точного позиционированиянаправляющих модуля, обеспечивающих приемлемое усилие сочленения сответной частью сразу нескольких соединителей. При эксплуатации модуля стакими соединителями вывялена необходимость замены пластиковых ручек дляустановки модуля на стальные.
Пример модуля с несколькими соединителями истальными ручками, выдерживающие многократные усилия сочлененияпоказан на рисунке 4.3.5.170Рис. 4.3.5. Модуль с высокочастотными соединителями.4.4 ВыводыЦелесообразностьинтерфейсовиновизнапредложенногомногопроцессорногомодуляметодапроработкиобусловленыразвитиемсовременных ПЛИС и высокочастотных разъемов с высокой плотностьюконтактов. Выпускаемые в последнее время микросхемы этого классасодержат физические уровни и контроллеры новейших интерфейсов, включаявстроенные средства диагностики их функционирования.
Применение самыхсовременных высокочастотных интерфейсов не является необходимым длясозданияспециализированныхпрототиповсцельюфункциональнойверификации модели процессора. Ошибки применения этих интерфейсов приразработке прототипов с учетом технологических ограничений некритичны,но снижают максимальную возможную частоту эмуляции модели процессора.Целесообразность и новизна предложенного метода проработки типовыхблоков процессора обусловлены развитием компонентов системы питания ивысокочастотныхсокетовдлясовременныхсложно-функциональныхмикросхем.
Эти сокеты реализованы на основе эластомера и разработаны с171учетом особенностей стенда тестирования и разбраковки. Предлагаетсяприменять отработанные типовые блоки процессоров в многопроцессорноммодуле с пайкой всех микросхем. Выполнение требований по установкесокетов позволяет обеспечить возможную замену микросхем процессоров вслучае ремонта. Проработка в рамках стенда сразу нескольких типовых блоковпозволяетопределитьособенностиприменениякомпонентовмногопроцессорного модуля в условиях внешних воздействующих факторов.Ошибки применения этих компонентов при разработке стендов с учетомтехнологических ограничений некритичны, но снижают надежность стенда исроки его эксплуатации.Текущая практика разработки подтверждает исчезновение четких границмеждусистемотехническим,технологическиммногопроцессорногосхемотехническимпроектированиеммодулявмикросхемысоставеиконструкторскопроцессоравычислительногоикомплекса.Предложенные экспериментальные методы компоновки составных частеймногопроцессорногомодуляпозволилиобеспечитьснижениесроковразработки многопроцессорных модулей путем проработки для них проектныхрешений до завершения испытаний микросхемы процессора.
Допускаютсямногократные уточнения принятых решений на более ранних этапахпроектирования в зависимости от результатов выполнения последующихэтапов.172Глава 5. Проектные решения для многопроцессорных модулейДанная глава посвящена проектам и достигнутым техническим иэксплуатационным характеристикам корпусов микросхем процессоров имногопроцессорных модулей на их основе с применением разработанныхтехническихрешенийдляпроцессапроектирования.Представленыконструкции микросхем процессоров и контроллеров российской разработки сдостигнутыми техническими характеристиками типовых блоков процессора.Предложена эффективная компоновка модулей унифицированной конструкциисвыводомканаловмежпроцессорногообменадлявозможностимасштабирования вычислительного комплекса по количеству многоядерныхпроцессоров, оперативной памяти и периферийных интерфейсов.5.1 Разработка металлополимерного корпусаВ разделе представлены особенности разработки металлополимерныхкорпусов для микросхем архитектуры «Эльбрус» с последующим выпускоммалой серии микросхем объемом до пяти тысяч штук.
Совокупность проблемразработки и способов их решения уникальна. Проектирование корпусовосуществляетсяспомощьюсредствпроектирования(наборFCPacker)собственной разработки.5.1.1 Особенности разработкиСложностьмикропроцессоровреализациипостояннокорпусоврастет.дляЭтовысокопроизводительныхобусловленоувеличениемпотребляемой мощности, площади и периферии кристаллов при применениитехнологии Flip-Chip. Такая тенденция увеличения сложности прогнозируетсядо тех пор, пока недостаточна надежность трехмерных конструкций сприменением технологии трехмерных кристаллов микросхем с рассеиваемоймощностью более 10 Вт, например, технологии 3D-TSV [85-87].173При этом специфика разработки новой микросхемы процессора иконтроллеров периферийных интерфейсов такова, что при выпуске уже первойпартии микросхем желательно проверить множество проектов вычислительныхмодулей на их основе и за минимальное время отработать максимумоптимальныхпримененийновыхмикросхем.Эффективностьрешенияопределяется уже на этапе разработки корпуса сложно-функциональноймикросхемысцельюзаданияоптимальногорасположениявыводовмикросхемы для целого ряда модулей.
При назначении сигналов на выводымикросхемы необходимо учесть, как можно более простую реализацию системпитания, охлаждения и синхронизации. Иначе говоря, проектирование модулей,включаямногопроцессорные,проектированиемцелесообразномикропроцессораипроводитьконтроллеровсовместноспериферийныхинтерфейсов. Ввиду временных ограничений для скорейшего выпуска сериивычислительных модулей их наладка должна начинаться сразу же послевыпуска первой партии микросхем и совместно с их тестированием.Вышеописанная специфика определяет основную задачу при разработкекорпуса сложно-функциональной микросхемы.
Это учет требований к заданиюи назначению выводов микросхемы для успешной разработки модулей, а такжедостоверная оценка реализуемости коммутационной платы корпуса приограниченной возможности создания и изменений выводов кристалла.Неполный учет требований к заданию и назначению выводов или невернаяоценка реализуемости корпуса приводит в лучшем случае к значительнойтрудоемкости разработки корпусов микросхем или вычислительных модулей наих основе, а в худшем случае - к невозможности достижения заданныхпараметров и повторному проектированию. В любом случае есть значительныйриск невыполнения бюджета и срыва сроков разработки.Типичная конструкция корпуса сложно-функциональной микросхемы,сборка которой выполняется на фабрике ASE (Тайвань) в матричном корпусе с174тепло-распределителем и шариковыми выводами представлена на рисунке5.1.1.Рис.
5.1.1. Конструкция микросхемы HFC BGA.5.1.2 Материалы, структура и нормы проектированияДля малой серии микросхем из-за ограниченности бюджета приизготовлении коммутационной платы корпуса могут использоваться лишьсамые распространенные полимерные материалы слоев диэлектрика от фирмMitsubishi Gas Chemical Company, Inc и Ajinomoto Fine-Techno Co., Inc. Дляслоя жесткости коммутационной платы применяется эпоксидная смола сбисмалеимид триазином (BT) [88]. Слои металлизации на слое жесткости (corelayer) требуют специальных норм проектирования, которые отличаются отнорм проектирования для остальных слоев металлизации, разделенныхизоляционной пленкой (build-up layers) [89].
Общее число слоев металлизации удоступных коммутационных плат не превышает восемнадцати, а неоднороднаяструктура слоев металлизации у текущего проекта микропроцессора не сложнеечем 8-2-8. Неоднородная структура слоев коммутационной платы 3-2-3показана на рисунке 5.1.2.175Рис. 5.1.2. Структура слоев коммутационной платы.Для коммутационных плат корпуса характерна высокая плотность трасс(High Density Interconnects). Нормы проектирования с высокой плотностьютрассзафиксированывстандартеIPC/JPCA-2315ипостоянносовершенствуются. На данный момент гарантированно реализуемая ширинатрассы и зазор между трассами у внешних слоев металлизации составляет17 мкм, а у внутренних слоев металлизации на слое жесткости составляет50 мкм.
За десятилетие эта основная норма для внешних слоев металлизацииуменьшена более чем в два раза. При минимизации площади и шага выводовкристаллов такое уменьшение ширины трассы позволило увеличить плотностьпериферийных выводов кристалла на единицу периметра. Периферийныевыводы кристалла - это все выводы кристалла, кроме выводов питания и земливнутренней логики или ядра. Данные выводы кристалла можно разместить вбольшем количестве рядов, и за счет малой ширины трассы выполнить болееплотнуютрассировкукоммутационнойплаты.Перифериякристалловсовременных сложно-функциональных СБИС постоянно усложняется.
Этоможно установить из анализа таблице 18. В данной таблице приведена выборкаиз характеристик кристаллов микросхем процессоров семейства «Эльбрус».176ЭльбрусЭльбрус-2C+Эльбрус-4Стехнология, нм.1309065кол. ядер, шт.124ширина, мм12,416,819высота, мм14,717,220выводы, шт.272360318476шаг выводов, мкм208180175120616761821выводы периферии, шт. 642периферия на ед.периметра, шт./мм12Таблица 18. Характеристики кристаллов микросхем процессоров.Основнойпричинойотказов,вызванныхсборкоймикросхемсприменением технологии Flip-Chip, является разность между коэффициентамитемпературного расширения кристалла 2-3 (х 10-6 / 0С) и коммутационной платыкорпуса 10-30 (х 10-6 / 0С). Широкое применение материалов на основе BTобусловлено его достаточно низким значением коэффициента температурногорасширения и высокой температурой стеклования, равной 180 0С, котораяпозволяет исключить неприемлемую деформацию микросхемы при пайке напечатную плату вычислительного модуля.
Для уменьшения эффекта усталостиобъемных выводов (bumps) кристалла, устанавливаемых для соединения скоммутационной платой корпуса, в технологическом процессе сборкимикросхемы на фабрике-изготовителе делается следующие:применяется заполнитель между объемными выводами, который снижаеттепловой стресс объемных выводов, а также препятствует попаданию наобъемные выводы влаги;используются эвтектические объемные выводы, которые .делаются изтрадиционного сплава олова и свинца (63Sn/37Pb) и обладают способностьюрастяжения без деформации.177Опыт нескольких проектов показал, что использование корпусов из металла иполимерныхматериаловпозволяетдостигнутьтребуемыхпоказателейнадежности для разрабатываемых микросхем индустриального применения.Используемые полимерные материалы не являются теплопроводящими.Например, коэффициент теплопроводности у BT всего около 0.3 Вт/(м*К).
Приэтомзамечено,чтоумикросхеммикропроцессоровсвысокимэнергопотреблением и габаритами более 35мм до 30% тепла отводится черезслоиметаллизациикоммутационнойплатыивыводыкорпуса,чтосоответствует опубликованным результатам других исследователей [90]. Ввидуповсеместного внедрения бессвинцовых сплавов прогнозируется, что длямалых серий микросхем фабрики-изготовители будут отказываться отиспользования традиционного сплава олова и свинца как для объемныхвыводов между кристаллом и коммутационной платой корпуса, так и дляшариковых выводов микросхемы.5.1.3 Подбор матрицы выводовБюджет разработки и изготовления малой серии микросхем с матричнымикорпусами,какправило,определяетминимальныевозможностипоорганизации сборочного процесса фабрики-изготовителя.
Из-за этого наразработку корпуса сложно-функциональной СБИС накладываются следующиеограничения: невозможность выбора корпуса типа FC LGA, поскольку применение такоготипа корпуса подразумевает использование сокетов, которые приемлемы поцене только при массовом производстве, как сокеты для микросхемпроцессоров фирмы Intel или AMD невозможность задания в корпусе типа FC BGA переменный шаг выводовили пустые позиций без шариковых выводов, которые. позволяютоптимально использовать трассировочный ресурс наружного слоя печатнойплаты модуля;178 невозможность использовать вместо квадратной прямоугольную размерностьматрицы выводов, которая может позволить реализовать оптимальноеназначение сигналов на выводы микросхемы.Опыт нескольких проектов показывает, что размер матрицы выводовмикросхемы определяется двумя основными факторами:1) планированием топологической трассировки интерфейсных сигналов внезоны кристалла;2) назначениемнавнешниерядывыводовинтерфейсныхсигналов,прореженных сигналами земли и питания.К интерфейсным сигналам относятся сигналы каналов памяти, каналовввода-вывода, синхронизации, управления и тестирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
