Глава 2. Основные компоновочные параметры логической схемы и конструкции

2.1. Общая характеристика компоновочных параметров.

Практически любую логическую схему обрабатывающего устройства ЭВМ на любом компоновочном уровне можно характеризовать некоторым перечнем взаимосвязанных компоновочных (или схемных) параметров. Отражая специфику логической схемы, они, тем самым, накладывают отпечаток на ее конструкцию.

Параметры, о которых пойдет речь, характеризуют в равной степени как логическую схему, так и конструкцию, в которой эта схема реализована. Это означает, что для одного и того же структурного элемента ЭВМ имеет место два тождественных понятия: компоновочные параметры логической схемы и схемные параметры конструкции.

По отношению к логической схеме ее компоновочные параметры отражают результаты схемной компоновки структурного элемента (т.е. компоновка логических элементов, цепей и связей, в целом обеспечивающих схемное построение соответствующего элемента функциональной структуры ЭВМ: ФЭ, ФУ, ФБ и т.д.). Конструкция же является техническим воплощением логической схемы, обеспечивая неизменность ее функционального назначения и основных характеристик. Поэтому компоновочные параметры логической схемы по отношению к конструкции являются одновременно и схемными параметрами этой конструкции, которые используются в качестве исходной (первичной) информации при конструировании соответствующих элементов функциональной структуры ЭВМ. В дальнейшем при описании конструкции будем использовать понятие “схемные параметры”, а при описании логической схемы – понятие “компоновочные параметры”.

К числу основных компоновочных параметров логической схемы структурного элемента относятся: функциональный объем (общее число элементов в схеме), M; число внешних контактов (внешних связей), m; соотношение между числом входных и числом выходных внешних контактов, K; число каскадов элементов в цепочке преобразования и обработки информации, h; нагрузочная способность логических цепей по входу и выходу, n и l. Рассмотрим более подробно каждый из приведенных параметров.

2.2. Функциональный объем и степень интеграции.

Данный параметр СВТ является одним из основных и во многом определяет значения других компоновочных параметров логической схемы. Однако здесь требуется уточнение ряда понятий и их роли в процессе компоновки схемы и создания конструкции.

Часто под функциональным объемом понимают степень интеграции. Однако, учитывая различие в единицах измерения, эти понятия существенно отличаются друг от друга.

Степень интеграции N может быть выражена разными показателями, напр., числом компонентов, числом транзисторов или числом ЛЭ в логической схеме того или иного элемента или устройства. Разумеется, что значение уровня (степени) интеграции одного и того же элемента (напр., ИС или БИС) будет различным. Принято считать, что первые два показателя интеграции, по-своему отражающих уровень сложности и уровень достижений в микроэлектронной технологии, более пригодны для производителя этой продукции и могут использоваться, главным образом, в коммерческих целях.

В технической области, при проектировании и компоновке, степень интеграции элементов и др. СВТ в подавляющем большинстве определяют через число логических элементов (ЛЭ), выполняющих элементарные логические функции. Это, кроме других достоинств, позволяет сравнивать между собой по уровню интеграции элементы, узлы и устройства, выполненные на элементах с различной схемотехникой (типом логики).

Однако само понятие “логический элемент” требует уточнения, так как число входов и выходов в нем может колебаться в широких пределах. Минимальным элементарным логическим элементом, выполняющим элементарные логические функции типа И, И‑НЕ, является ЛЭ на два входа и один (прямой или инверсный) выход. Такой ЛЭ чаще всего именуют как “логический вентиль”.

В то же время имеют место элементарные (но не минимальные) логические элементы, выполняющие функции типа И, И‑НЕ, но имеющие, напр., 4‑е или более входов и, напр., 2‑а (парафазных) выхода. Разумеется, что функциональные возможности у такого ЛЭ, по сравнению с логическим вентилем, будут другими (в данном случае большими), что нельзя не учитывать при определении уровня интеграции элементов (ИС, БИС) и устройств на них. При оценке в логических вентилях степень интеграции элемента или устройства будет значительно выше, чем при оценке в других ЛЭ. Поэтому для однозначного (в достаточной мере) толкования степени (или уровня) интеграции элемента, устройства, процессора, ЭВМ и т.д. необходимо использовать унифицированный (базовый) ЛЭ, который мог бы служить своего рода эталоном меры количества (т.е. единицей измерения степени интеграции) логических функций в элементе или устройстве.

Надо сказать, что вопросу выбора такого базового ЛЭ (БЛЭ) всегда уделялось много внимания, но до стандартизованной однозначности дело не дошло. Вместе с тем, вопрос унификации и оптимизации характеристик БЛЭ назрел уже давно и без его разрешения невозможно проводить операции компоновки элементов и определять (и прогнозировать) значения основных компоновочных параметров логических схем целого спектра функциональных структурных уровней, следующих после БЛЭ.

Вопросу оптимизации числа входов в ЛЭ специально посвящена работа [7]. Один из важных выводов этой работы заключается в том, что наиболее оптимальным в ЛЭ является 3‑4 входа. В [8] показано, что при построении логических схем ФЭ и ФУ на основе БЛЭ с разным (но постоянным) числом входов последние используются с разной эффективностью ^вх. Так, напр., для 3‑х входового БЛЭ эффективность использования входов составляет ^вх = 0,92 – 0,95, а для 4‑х входового БЛЭ – ^вх = 0,75 – 0,8. Это значит, что среднее число используемых в схемах входов БЛЭ, определяемое как произведение исходного числа входов на показатель эффективности их использования в схемах ФЭ, составляет примерно от 2,8 до 3,2.

Приведенный пример с достаточной степенью достоверности свидетельствует, что среднее число входов ЛЭ примерно равно трем и это значение следует считать за эталон для БЛЭ.

Что же касается числа выходов в элементарном БЛЭ, то для большинства видов схемотехники элементов (напр., КМОП) это число равно 1. В этом плане особое исключение составляют ЭСЛ‑элементы, где наличие двух выходов (прямого и инверсного) обеспечивается спецификой схемы. Однако они не имеют 100% использования в схемах. Как правило используется один из них, хотя одновременное использование обоих также имеет место. Для оценки эффективности использования парафазных выходов в ЛЭ по сравнению с однофазным (при полном равенстве числа входов) может служить пример кристаллов БИС в многокристальных модулях, используемых в высокопроизводительных ЭВМ 3081 и 3090 фирмы IBM (США). Если кристалл БИС в ЭВМ 3081, использующий ТТЛШ‑элементы (с 4‑мя входами и 1‑м выходом) оценивался в 704 ЛЭ, то кристалл БИС в ЭВМ 3090 при том же адекватном функциональном объеме, использующий ЭСЛ‑элементы (с 4‑мя входами и 2‑мя выходами), оценивается в 612 ЛЭ. Это говорит о том, что схемотехника ЭСЛ при прочих равных условиях примерно на 12 – 15% более функционально емкая за счет использования парафазных выходов в БЛЭ.

Таким образом, представляется целесообразным и обоснованным использовать в качестве базовой единицы измерения (оценки) степени интеграции ИС, БИС, СБИС, а также построенных на их основе устройств, БЛЭ на 3 – 4 входа и 1 выход. При этом характеристиками такого БЛЭ являются следующие параметры:

– среднее число входов БЛЭ,

– число выходов БЛЭ,

– общее число входов/выходов БЛЭ,

– соотношение между числом входов и выходов в БЛЭ.

Такой БЛЭ обычно именуют как “эквивалентный ЛЭ” (ЭЛЭ), который можно представить себе в виде абстрактной модели БЛЭ, где его характеристики являются параметрами этой модели.

Следует отметить одно весьма важное обстоятельство. Иногда при оценке степени интеграции элементов пользуются понятием “эквивалентный логический вентиль” (или просто “логический вентиль”), содержащий 2 входа и 1 выход. Эффективность использования входов такого вентиля составляет примерно 0,7 – 0,8. Поэтому нетрудно заметить, что такая единица измерения степени интеграции значительно менее функционально емкая (примерно в 2 раза), чем вышеприведенный ЭЛЭ. Например, если интеграция устройства составляет 1000 логических вентилей, то это соответствует 500 ЭЛЭ, если 200 тыс. логических вентилей, то число ЭЛЭ равно примерно 100 тысяч.

Это обстоятельство является крайне важным и требует вполне определенной однозначности при проектировании и компоновке элементов, узлов и устройств СВТ. В дальнейшем, с целью однозначности трактовки ЛЭ, будем считать интеграцию в логических вентилях как коммерческую информацию, более пригодную для разработчиков и производителей БИС и СБИС, а интеграцию в ЭЛЭ как техническую информацию, предназначенную для целей компоновки элементов и устройств и проектирования их конструкций.

Функциональный объем M является более общим и широким понятием числа элементов в микросхеме, устройстве или ЭВМ. Он может быть выражен числом ЭЛЭ (т.е. степенью интеграции N), числом ИС, БИС или СБИС, числом функциональных узлов на ИС или функциональных блоков на БИС и т.д. Для того чтобы определить функциональный объем узла в ЭЛЭ (N₂), заданного, напр., числом ИС (M₂), необходимо знать также степень интеграции ИС в ЭЛЭ (N₁). В итоге функциональный объем такого узла можно определить по формуле:

(2.1)

Введение общего понятия “функциональный объем” важно при проведении процессов компоновки элементов в логической схеме, о чем речь пойдет несколько позже.