Диссертация (1090013), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Это обеспечивается путем применения инновационныхкомпозитныхвыводовкорпусаилимикрожемчужинсфиксированнойвысотой [100]. Для микросхемы рассматриваемого процессора выбран шарикдиаметром 0.6 мм, который достаточен для установки второго уровнякерамических конденсаторов высотой 0.3 мм. Основой микрожемчужиныявляется полимерный шарик, последовательно покрытый проводящим слоеммеди и припоем. Такой полимерный шарик фиксирует высоту вывода корпусапри пайке, а также допускает небольшие упругие деформации. Такие свойстваобеспечиваютповышеннуютрадиционныминадежностьшариковымивыводамисоединенийизпосравнениюметаллическихссплавов.Повышенная надежность крайне необходима в случае значительной разницыкоэффициентов теплового расширения коммутационной платы корпуса ипечатной платы модуля.5.2.2 Металлокерамические материалыДлямногоядерныхпроцессоровхарактернатенденцияувеличениябыстродействия его интерфейсов с последующим переходом на передачуданных по оптическим каналам [101].
При разработке процессора для каналовмежпроцессорного обмена и канала ввода-вывода выбраны приемопередатчикиCEI-6G с последующей передачей данных по дифференциальной паре соскоростью до 6 Гб/с. Как правило, при разработке высокочастотных трактовпередачи данных с последующим переходом на оптические приемопередатчикииспользуют соглашение OIF-CEI-03.0 (2011г.).При частотах более 5 ГГц существенны потери в качестве полезногосигнала на выводах корпуса. Значительное снижение таких потерь возможнопутем применения HITCE® керамики для коммутационной платы корпуса вотличиеотприменениятрадиционныхиширокораспространенныхполимерных материалов [102].
В таблице 19 приведено сравнение рядаматериалов для коммутационной платы корпуса: органических материалов187низкотемпературнойиливысокотемпературнойсовместнообжигаемойкерамики. Для рассматриваемого процессора определен материал GL771,который обладает приемлемыми характеристиками.МатериалHTCCA440Кодовое названиеТеплопроводностьКоэффициент тепловогорасширения (~ 400 ºC)Сопротивление слояметаллизацииДиэлектрическаяпостоянная1 МГц2 ГГц10 ГГц60 ГГцТангенс угла1 МГцдиэлектри2 ГГцческих потерь 10 ГГц60 ГГцПредел прочности приизгибеМодуль ЮнгаэластичностиВт/(м·К 14)10-6 К-1 7,1LTCCGL7712GL7732GL5702.8ПолимерныйматериалFR4BTGX130.20.2-12,311,73,412~14 13~16 100мОм /квадрат10-410-410-410-4МПа10~123,03,03,02,02,02,09,8244005,35,25,25,383538341705.75,85,85,852325332805.65.75.65.63712252005.52004304.71005803.817090ГПа3107495128-233.5Таблица 19. Сравнения материалов для коммутационной платы корпуса.Моделирование передачи данных между процессорами модуля соскоростью 6 Гб/с в среде Cadence Sigrity SystemSI-SLA II показало, что общийуровень потерь составил 7,7 дБ.
Это соответствует допустимому уровню потерьменее 8 дБ согласно соглашению OIF-CEI-03.0. Примерно 0,6 дБ - это потери вкаждом корпусе процессоров при длине трасс в 4 см и ширине 50 мкм. Потери вмодуле на основе диэлектрического материала Isola FR408 и длине трасс 30 смпри их ширине в 100 мкм составили 6,5 дБ. В случае применения современныхдиэлектрических материалов с низким тангенсом угла потерь примернополовина всех потерь в уровне полезного сигнала вызвана скин-эффектом[103]. Снижение потерь из-за скин-эффекта возможно путем увеличенияширины трасс, но это неизбежно приводит к увеличению количества слоев188металлизации при высокой плотности трасс.
У рассматриваемого процессоравысокая плотность трасс объясняется тем, что для каналов межпроцессорногообмена и ввода-вывода требуется максимально возможная пропускнаяспособность за счет значительного количества приемопередатчиков. Каждыйканал рассматриваемого процессора содержит 16 выходных и столько жевходных дифференциальных пар.В случае проектирования коммутационных плат корпуса на основекерамических материалов практически отсутствует ограничение на количествослоев.
Это позволяет создать компактное размещение объемных выводовкристалла и минимизировать его общую площадь. Недостаток состоит в том,что зачастую выбор керамических материалов в сравнении с выборомполимерных материалов приводит к увеличению в несколько раз стоимостиподготовки к производству коммутационной платы корпуса (NRE, Nonrecurringengineering).Вкачествематериаладлятеплораспределителямикросхемы возможны традиционные металлические сплавы или композиты.Длятеплораспределителярассматриваемогопроцессораиспользуетсякомпозитный материал AlSiC-10.
Этот материал обладает сопоставимой сметаллами теплопроводностью, равной 200 Вт/(м·К). По сравнению сметаллическими сплавами у него меньше себестоимость и его выбор приводитк меньшей стоимости подготовки к производству.5.2.3 Проектирование таблицы выводовКак было отмечено ранее, важной задачей проектирования корпусамикросхемы является создание таблицы выводов и назначение сигналов.Таблица выводов рассматриваемого процессора с назначенными сигналамипредставлена на рисунке 5.2.2. Матрица содержит 2028 шариковых вывода ицентральнуюобластьдляразмещенияконденсатороввторогоуровня.Назначение сигналов выполнено в рамках четырех основных зон.
Зоны,аналогичные зонам 0–2 можно выделить в таблице выводов процессора189Intel®Xeon® E5-2600 в корпусе LGA2011. Нулевая зона определена длявыводов основного питания и земли кристалла. Первая и вторая зонаопределены для четырех каналов быстродействующей памяти типа DDR3, подва канала памяти в каждой. Зоны номер три и четыре предназначены для трехканалов межпроцессорного обмена и канала ввода-вывода. Все выводы междузонами три и четыре являются выводами сигналов управления, синхронизации идиагностики.Рис.
5.2.2. Таблица выводов микросхемы процессора.У представленной матрицы выводов есть свои преимущества и недостатки.Одним из преимуществ является зона для основного питания и земликристалла.Обеспечиваетсянизкоеомическоесопротивлениемеждумикросхемой процессора и источником питания, который можно расположитьв непосредственной близости к выводам этой зоны.
К достоинствам такжеследует отнести то, что при таких зонах трассировка каналов памяти,межпроцессорных каналов или канала ввода-вывода выполняется в одних и техже слоях печатной платы вычислительного модуля. Другим достоинством190представленной матрицы выводов является значительная область без выводовкорпуса, которая позволяет разместить 119 конденсаторов второго уровня.Кнедостаткамрассмотреннойматрицывыводовможноотнестизначительные габариты микросхемы. При шаге выводов в 1 мм размерыпроцессора равны 59 мм х 43 мм.
Такие размеры не позволяют использоватьшироко распространенные сокеты для тестирования малых серий микросхем.Как правило, стандартные заготовки массовых сокетов на основе эластомерасоставляют 50 мм х 50 мм. С другой стороны, любые известные микросхемы счетырьмя каналами памяти типа DDR3 от различных производителей такжеимеют один из размеров больше чем 50 мм.5.2.4 Проектирование коммутационной платыИз-затехнологическихограниченийисоблюденияволновыхсопротивлений у коммутационной платы корпуса на основе HITCE®минимальная ширина трассы равна 50 мкм.
Для сравнения, коммутационныеплаты корпуса на основе полимерных материалов могут быть спроектированы сшириной трасс равной 15 мкм. Такой недостаток компенсируется тем, чтовозможно наличие десятков слоев при разумной толщине коммутационнойплаты. У рассматриваемого процессора коммутационная плата содержит 28слоев, и ее толщина равна 2,16 мм. На первом слое не допускается наличиетрасс, что позволяет для рассматриваемого процессора разместить более 120конденсаторов первого уровня.У рассматриваемого процессора аналогично многоядерному процессоруFujitsu Sparc64 XрасположениеилиобъемныхAMD Opteronвыводовпо6100реализованосторонамравномерноекристалла.Приэтомминимизируется общая площадь кристалла и суммарная длина его внутреннихсоединений.Нарисунке 5.2.3представленоразмещениекристаллаиконденсаторов, а также часть внутренних соединений корпуса. Овалами191выделены области с расположением на кристалле объемных выводов четырехканалов памяти.Рис.
5.2.3. Размещение и соединения в корпусе.При фиксированной матрице выводов корпуса и расположении объемныхвыводов кристалла имеются пересекающиеся соединения каналов памяти,канала межпроцессорного обмена или канала ввода-вывода. Трассировка этихпресекающихся соединений в зоне 1 или 2 требует наличия у коммутационнойплаты по четыре слоя для трасс каждого канала памяти и два слоя для трассканала межпроцессорного обмена или канала ввода-вывода. Возможность такойтрассировки допускает равномерное расположение рядов объемных выводовкристалла по всем его сторонам.Моделирование в среде Cadence Sigrity SystemSI-PBA II для всех каналовмежду процессором и планками памяти показало глазковые диаграммы сустойчивымприемомбайтданныхпостробусинхронизации.Примоделировании учитывалось наличие одной или двух планок нерегистровойпамяти DDR3-1600 на каждый канал.
Низкий уровень перекрестных помехмежду байтами каналов памяти объясняется отсутствием трасс для любыхинтерфейсов процессора на смежных слоях коммутационной платы корпуса. Из19228 слоев металлизации корпуса только 11 слоев имеют трассы интерфейсов, аостальные слои используются для питания или земли. На каждом слое междутрассами также предусмотрены экранирующие сегменты земли или интервалыбез металлизации.С применением набора средств проектирования FCPacker разработанаоднородная керамическая коммутационная плата корпуса (HITCE®, ф. Kyocera,Япония) микросхемы процессора Эльбрус-8С (1891ВМ10Я) с 2028 выводамидля последующей сборки микросхемы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
