Диссертация (1090013), страница 28

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

Текст из файла (страница 28)

Для должногообеспечения питания ядра и каждого элемента периферии кристалла приминимальном контуре тока необходимо, чтобы интерфейсные сигналытрассировались строго от кристалла или огибая кристалл. Размер матрицывыводов должен обеспечивать назначение выводов земли интерфейса иинтерфейсных сигналов при трассировке от выводов кристалла к матричнымвыводам вне зоны кристалла.

Анализ выводов современных микропроцессоровразличных производителей показывает, что для интерфейсных сигналов исигналов питания используют матричные выводы с максимальной глубиной отпяти до тринадцати рядов от края корпуса. Причем, чем меньше глубина, темменьше потребуется слоев печатной платы модуля. Кроме того, у всехсовременных микросхем процессоров сигналы питания расположены вовнешних рядах матрицы выводов с целью минимизации падения напряженияпри значительном потреблении.

Это обусловлено тем, что при такомрасположении в слоях питания печатной платы модуля будет минимальноеколичествовысвобожденийметаллизацииподпереходныеотверстияинтерфейсных сигналов.На этапе подбора матрицы выводов необходимо учитывать сроки истоимость заказа сокета для функционального тестирования и разбраковки179микросхем. Пример такого сокета фирмы Ironwood Electronics, Inc представленна рисунке 5.1.3.Рис.

5.1.3. Сокет типа SG для тестирования микросхем процессоров.Результаты нескольких проектов показывают, что удачным решением являетсяиспользование сокетов на основе гибкого эластомера с нитевыми контактами иззолота (тип SG), которые обеспечивают диапазон температур тестирования от 35 0С до 100 0С, передачу данных с частотой до 10 ГГц и гарантированноечисло замен микросхем до двух тысяч. Не всегда производители сокетов имеютпредложения для оптимальной по габаритам микросхемы, поэтому нередкотребуется согласовать индивидуальный заказ сокета для заданной микросхемы.Необходимо отметить, что если несколько лет назад был единственныйпроизводитель сокетов на основе гибкого эластомера, то сейчас их несколько.Причемдлятестированиямалыхпартиймикросхемпроцессоровсвысокочастотными интерфейсами появилось интересное предложение сокетовна основе гибкого эластомера с контактами типа кнопка из серебра (тип GT).180Этот тип эластомера обеспечивают тестирование в диапазоне температур от 55 0С до 160 0С, передачу данных с частотой до 40 ГГц и гарантированнымчислом замен микросхем до пяти тысяч.

Сокеты типа GT успешноприменяются в практике АО «МЦСТ».5.1.4 Применение средств проектированияПриразработкекорпусовдлянесколькихпроектовкристалловспоследующим изготовлением малых серий микросхем оказалось эффективнымприменение набора средств проектирования собственной разработки FCPacker(in-housedesigntools).Такаяэффективностьопределенаследующимифакторами: сопоставимая себестоимость разработки и внедрения в сравнении с покупкойсамого распространенного на рынке средства для корпусов сложнофункциональных микросхем (Allegro Package Designer от фирмы CadenceDesign Systems, Inc.) или других продуктов. отсутствиеилинеудобствонекоторойфункциональностипокупныхпродуктов для разработки корпусов микросхем со сложной перифериейкристалла, к примеру, в них нет поддержки 3D диагностики для слоевметаллизации коммутационной платы, а также усложненный интерфейс инавигация из-за избыточности функциональности; стоимость поддержки средств собственной разработки меньше ценыпродления лицензии после покупки продукта аналогичного назначения.Использование набора FCPacker для нескольких проектов перспективныхмикросхемпроцессоровиконтроллеровпериферийныхинтерфейсовспособствовало опережающему во времени развитию его функциональности всравнении с конкурентными продуктами.Разработка корпуса современной сложно-функциональной микросхемытребует достоверной оценки количества слоев коммутационной платы, а такжеразмещения рядов земли и питания периферии кристалла дальше от его181границы в отличие от внешних рядов интерфейсных сигналов [91].

С цельюобеспечения целостности сигналов на слоях коммутационной платы корпусанеобходимопланированиесекторовдлятрасссигналовразличныхинтерфейсов. Основным критерием качества трассировки в области зоныкристалла является успешная последующая трассировка до выводов корпуса взаданных секторах. Поэтому в наборе FCPacker целесообразна поддержкаоригинальной автоматизации топологической трассировки и достаточноэффективной оценки ее качества.Количествоинтерфейсныхсигналовразработанныхпроцессоровсопоставимо с количеством интерфейсными сигналами соответствующих импоколений микросхем серверных процессоров Xeon от фирмы Intel или Opteronот фирмы AMD.

Опыт разработки корпуса такой микросхемы показывает, чтодля выполнения автоматизированной трассировки в области зоны кристаллатребуется множество итераций с заданием различных шаблонов ухода.Трассировка уходом включает также подключение выводов питания и земликристалла к плоскостям металлизации, соответствующим заданным секторам.Помимо традиционной проверки норм проектирования и расчета волновогосопротивления при заданной структуре слоев в наборе FCPacker реализованавозможность выявления нарушений целостности сигналов.

В каждом проектекоммутационнойплатыкорпусацелесообразнапроверкаследующихнарушений: превышение максимального тока через переходное отверстие; превышение максимального тока через проводное соединение питания илиземли; неравномерность размещения переходных отверстий для шин питания иземли высокочастотных интерфейсов; прохождение трасс высокочастотных сигналов над разрезами в опорныхслоях земли и питания; прохождение трасс высокочастотных сигналов без опорного слоя земли;182 подключение высокочастотных конденсаторов через проводные соединения.Несколькотакихнарушенийвпроектекоммутационнойплатыпредставлены на рисунке 5.1.4, который представляет собой совмещение слоясигнальных трасс и опорного слоя земли. Выявить визуально все нарушенияцелостности сигналов достаточно проблематично, поскольку их количество впроекте может достигать несколько сотен [92].Рис.

5.1.4. Нарушения целостности сигналов.С применением набора средств проектирования FCPacker разработаныкоммутационные платы корпусов с последующей сборкой несколькихмикросхем: процессора R1000 (1891ВМ6Я) с архитектурой «Sparc v9» и 1156выводами, процессоров Эльбрус-2С+ (1891ВМ7Я) с 1296 выводами и Эльбрус4С (1891ВМ8Я) с 1600 выводами на основе ядер архитектуры «Эльбрус»,контроллеровпериферийныхинтерфейсовКПИ(1991ВГ1Я)иКПИ-2(1991ВГ2Я) с 1156 выводами.

Все микросхемы процессоров имеют три каналамежпроцессорного обмена для создания модулей с неоднородным доступом кобщей памяти процессоров с кэш когерентностью (ccNUMA). Конструкциимикросхем R1000, Эльбрус-2С+, Эльбрус-4С, КПИ и КПИ-2 выполнены на183основенеоднороднойполимернойплатыкорпуса,изготовленнойсприменением технологии HDBU (ф.ASE, Тайвань) со слоем жесткости иструктурами слоев 3-2-3, 3-2-3, 4-2-4, 3-2-3 и 5-2-5 соответственно. Внешнийвид и характеристики микросхем процессоров с архитектурой «Эльбрус» иконтроллеров периферийных интерфейсов показаны на рисунке 5.1.5.Рис. 5.1.5. Внешний вид и характеристики микросхем.5.2 Разработка металлокерамического корпусаВ разделе представлены новые технологии для изготовления корпусамикросхемымногоядерногопроцессора,примененныедляразработкиоригинальной микросхемы процессора Эльбрус-8С (1891ВМ10Я).

С учетомэтихтехнологийпредставленыэффективные184проектныерешенияприпроектировании корпуса микросхемы на основе керамической коммутационнойплаты [93].К современным промышленным технологиям сборки микросхем относятсятехнологии Flip Chip и 3D-TSV. Технология 3D-TSV реализует принциппараллельного создания кристаллов и их соединения через сквозныепереходные отверстия. При сборке высокопроизводительных процессоровтехнология Flip Chip применяется уже более десяти лет, тогда как технология3D-TSV имеет существенные ограничения:- отвод тепла от внутренних кристаллов;- малая плотность переходных отверстий через кристалл;- малая плотность кристаллов в соединении;- падение напряжения питания у кристаллов.Ввиду таких существенных ограничений проблематично использованиеэтой технологии для многоядерного процессора. Для такой микросхемы поканет альтернативы технологии Flip Chip. Прогнозируется, что широкоепромышленноеприменениевближайшиегодыполучиттехнологияmonolithic 3D IC [94-98].

Эта технология реализует принцип последовательногосоздания уровней логики и металлизации кристалла.Созданиенадежныхивсеболеепроизводительныхпроцессоровзатрудненно без применения улучшения или применения новых материалов, атакже технологий для изготовления корпуса микросхемы. С учетом новыхтехнологий возможны эффективные и, возможно, универсальные проектныерешения.5.2.1 Конструкция микросхемы процессораДля вычислительного модуля без возможности обновления микросхем всокете оптимальная конструкция современного многоядерного процессорапредставленанарисунке 5.2.1.Эта185конструкцияужедостаточнораспространена и применяется для серийной микросхемы процессора Haswell[99].Рис.

5.2.1. Конструкция микросхемы процессора на плате модуля.Особенность такой конструкции, реализуемой с применением технологии FlipChip, заключается в наличии трех уровней высокочастотных конденсаторов.Изменение напряжения питания при скачке тока потребления зависит отколичества конденсаторов и их подключения на каждом уровне. Расчетныйметод оценки изменения напряжения питания, представленный в работе ранее,показывает целесообразность наличия минимум трех уровней конденсаторов умикросхемымногоядерногопроцессора.Анализпроектакорпусаразрабатываемого процессора и модуля с помощью среды моделированияCadence Sigrity PowerSI показал минимальные амплитуды помех в частотномдиапазоне лишь при наличии всех предусмотренных на трех уровняхконденсаторов.

Изменение напряжения питания процессора при скачке токапотребления в 1 А/нс составило не более 40 мВ. При анализе учитываласьвысокочастотная емкость кристалла. Для кристалла процессора, изготовленногопо технологии TSMC 28 нм (Тайвань) и площадью 400 мм 2 , оценка суммарнойемкости кристалла равна 1,2 мкФ.У представленной на рисунке 5.2.1 конструкции второй уровеньконденсаторов со стороны шариковых выводов не ограничивает поверхностный186монтаж микросхемы.

Характеристики

Список файлов диссертации