55

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ,

ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.М.МИКИТИН, Н.А.СМИРНОВ, Ю.Д.ТЮВИН

Электронное конструирование эвм Основы компоновки и расчета параметров конструкций

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

*

Под общей редакцией Б.Н. Файзулаева

Рецензенты: д.т.н., проф. Шахнов В.А. д.т.н., проф. Медведев А.М.

В.М.Микитин, Н.А.Смирнов, Ю.Д.Тювин. Электронное конструирование ЭВМ. Основы компоновки и расчета параметров конструкций: Учебное пособие. Под общей редакцией Б.Н.Файзулаева / Моск. гос. институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). - М., 2000.- 52 с.

Специальная редакция

Вёрстка и иллюстрирование: Калабушев Алексей (ВССУ-7-96^®)

В пособии кратко изложены теоретические и прикладные основы электронного конструирования (в части компоновки) элементов и устройств ЭВМ и вычислительных комплексов.

Приведена характеристика состояния и тенденций развития средств ВТ и показана взаимосвязь поколений со степенью интеграции элементов, размерами кристалла и уровнем полупроводниковой технологии.

Дана классификация СВТ по уровням компоновки и конструкции.

Рассмотрен перечень взаимосвязанных компоновочных параметров, характеризующих логическую схему и конструкцию на любом уровне компоновки устройства.

Дано описание компоновочной модели логической схемы и приведены частные аналитические соотношения ее параметров.

Приведены системные аналитические соотношения, характеризующие фундаментальную взаимосвязь компоновочных параметров, полученные на основе использования принципов структуризации и моделирования логической схемы устройства.

Рассмотрены вопросы практического применения системных соотношений при конструировании. Описаны методы и принципы компоновки элементов в устройствах ЭВМ и приведены критерии и основные законы системной взаимосвязи параметров в логической схеме.

Приведены методы расчета параметров конструкции коммутационных элементов устройств, а также параметров их системного и функционального быстродействия, основанные на использовании системных соотношений.

Приведены правила и примеры практических расчетов параметров многоуровневых конструкций элементов и устройств ЭВМ.

Пособие рассчитано для студентов разных специальностей (например, 220100, 220500 и др.), изучающих дисциплины “Конструирование и технология производства ЭВМ” и “Конструирование ЭВС”. Оно может быть полезно студентам при изучении дисциплин “Элементная база ЭВМ” или “Схемотехника ЭВМ”. Пособие также полезно студентам, инженерно-техническим работникам и молодым ученым при проведении научно-исследовательских работ по прогнозированию и оптимальному выбору параметров элементной и конструктивно-технологической базы устройств современных и перспективных ЭВМ.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета).

Табл. 13. Ил. 9. Библиогр.: 38 назв.

Введение

Конструирование современных ЭВМ любого назначения представляет собой сложный процесс создания (разработки) широкого спектра конструкторской документации на элементы (БИС, СБИС), функциональные узлы, блоки, устройства и ЭВМ в целом, предназначенной для последующего изготовления и эксплуатации. Характер решаемых задач в процессе разработки КД самый разнообразный: от задач по обеспечению механической прочности, надежности и тепловых режимов в конструкциях до задач по обеспечению заданного быстродействия, помехоустойчивости и электромагнитной совместимости.

Общий процесс конструирования любого электронного изделия, в т.ч. и ЭВМ, с целью конкретизации конструкторских задач условно можно представить как состоящий из трех взаимосвязанных составных частей: конструирование механической и электронной частей изделия и конструирование окружающей среды, т.е. средств, обеспечивающих заданную температурную работоспособность изделия.

Конструирование механической части устройств ЭВМ, характеризуемое традиционно как “механическое конструирование”, предназначено для решения задач по обеспечению механической прочности и устойчивости конструкций к внешним воздействующим факторам (ВВФ). Конструирование окружающей среды связано с обеспечением надежного функционирования ЭВМ и предназначено для решения задач по обеспечению вполне определенных тепловых (температурных) режимов работы логических элементов в устройствах. Такое конструирование характеризуется устоявшимся термином “тепловое конструирование”.

Конструирование же электронной части ЭВМ имеет свои характерные особенности. Они заключаются в том, что электронная часть предназначена для выполнения главной функции ЭВМ, а именно, для обработки, обмена и получения результатов вычислений по заданным алгоритмам и программам. Поэтому конструирование электронной части связано с решением широкого спектра сложных специфических задач по выбору оптимальных параметров логических элементов, по компоновке и оптимальному выбору параметров конструкций ЭВМ, по обеспечению быстродействия и помехоустойчивости линий связи в общей системе межсоединений и многие другие. Все задачи взаимосвязаны и требуют для своего решения разработки соответствующих методов, правил, принципов и критериев конструирования.

Если при механическом и тепловом конструировании ЭВМ любого поколения характерны главным образом традиционные методы решения задач, то при конструировании электронной части имеет место постоянное изменение и усложнение решаемых задач. Сначала определяющей задачей было конструирование транзисторов и транзисторных схем (II‑е поколение), затем, с появлением ИС (III‑е поколение), определяющей задачей стала компоновка узлов и блоков на ИС и конструирование линий связи. Переход к широкому применению в ЭВМ БИС и СБИС (IV‑е, V‑е поколение) привел к существенному изменению принципов компоновки и появлению новых методов обработки информации, что не могло не отразится на изменении методов конструирования и компоновки электронной части ЭВМ. При этом задача обеспечения заданного быстродействия, помехоустойчивости и помехозащищенности устройств сохраняла свою определяющую роль и значимость. Таким образом, в рамках конструирования электронной части ЭВМ шел процесс постепенного формирования самостоятельного направления, именуемого сейчас как “электронное конструирование”.

Понятие “электронное конструирование ЭВМ” было введено в конце 60‑х годов советскими учеными Левиным В.К., Файзулаевым Б.Н. и Соловьевым В.А., руководившими работами по созданию первых высокопроизводительных ЭВМ на транзисторах и интегральных схемах.

Особая роль в становлении и развитии нового направления конструирования отечественных ЭВМ на ИС, БИС и СБИС принадлежит проф. Файзулаеву Б.Н., опубликовавшему более 40 научных трудов по данной тематике. Среди печатных трудов, наиболее полно отражающих вопросы электронного конструирования, следует выделить работы [1,2,3,4], широко используемые в ряде вузов при чтении курсов, связанных с современным конструированием ЭВМ и средств ВТ. Следует также отметить учебники по конструированию ЭВМ и систем Преснухина Л.А. и Шахнова В.А. [5], Савельева А.Я. и Овчинникова В.А. [6], отражающие эволюцию поколений ЭВМ и содержащие элементы электронного конструирования, хотя и без употребления соответствующих терминов.

Актуальность задач нового направления обусловлена рядом причин, в частности: значительным повышением быстродействия элементной базы и необходимостью повышения быстродействия устройств и производительности ЭВМ в целом, существенным возрастанием влияния конструкции и связей на быстродействие и помехозащищенность ЭВМ, резким снижением амплитуд и мощности рабочих сигналов логических элементов ИС и БИС, с одной стороны, и повышением уровня внешних помех, с другой. В результате развития элементной базы и повышения сложности технических средств, конструкции узлов и устройств ЭВМ стали определять не только механические, технологические и надежностные характеристики, но и такие важнейшие электронные параметры ЭВМ как быстродействие и помехоустойчивость.

Прогресс в вычислительной технике немыслим без существенных достижений в области электронного конструирования элементов и устройств, являющихся технической основой построения ЭВМ любого класса. Обеспечение быстродействия и помехозащищенности элементов, узлов и устройств ЭВМ, составляющих предмет электронного конструирования, становится сегодня первоочередной и наиболее важной частью конструирования ЭВМ в целом. Особенно остро эта проблема стоит при переходе к сверхскоростным логическим элементам БИС и СБИС. Конструирование узлов ЭВМ в наносекундном диапазоне, т.е. конструирование базовых матричных кристаллов и корпусов БИС и СБИС, многослойных печатных плат, многопроводных и кабельных линий связи, компоновка электронного оборудования по различным конструктивным модулям – все это прежде всего электронное конструирование, основным критерием качества которого является быстродействие и помехозащищенность устройств ЭВМ.

По мере повышения степени интеграции и быстродействия БИС металлоемкость конструкции ЭВМ будет снижаться и главным объектом электронного конструирования станет уже не шкаф, а многослойная печатная плата и, в пределе, кристалл СБИС, на котором будет размещаться большинство электронного оборудования процессора.

Поэтому подготовка специалистов в учебных заведениях в области электронного конструирования ЭВМ имеет чрезвычайно важное значение. В настоящее время, однако, отсутствуют учебные пособия, которые наряду с теоретическими вопросами электронного конструирования, охватывали бы и практические аспекты выбора оптимальных параметров элементной и конструктивно-технологической базы проектируемых ЭВМ. Эти вопросы, как правило, изложены в журнальных статьях, диссертациях, доложены на семинарах и конференциях. А имеющиеся монографии [1,2,3,5,6] освещают вопросы в области электронного конструирования технических средств ЭВМ на ИС малой степени интеграции и практически не затрагивают вопросов электронного конструирования перспективных средств на основе БИС и СБИС. В связи с этим данная книга, предназначенная в качестве учебного пособия для подготовки специалистов-разработчиков ТС ЭВМ IV и V поколений, может устранить отмеченный выше недостаток.

Задачами электронного конструирования предусматривается решение двух главных проблем на каждом уровне конструкции ЭВМ: проблемы количества, относящейся к разряду компоновочной (определение количества связей, цепей, внешних контактов, каскадов элементов, слоев в коммутационном элементе конструкции и др. при заданном уровне интеграции устройства), и проблемы качества, относящейся к разряду собственно электронного конструирования (обеспечение электрических характеристик ЛЭ и линий связи в скомпонованной конструкции, обеспечение их быстродействия, помехоустойчивости и электромагнитной совместимости).

В данном учебном пособии рассматриваются вопросы первой части электронного конструирования и излагаются теоретические и прикладные основы компоновки элементов и устройств ЭВМ, вычислительных комплексов и других электронных средств ВТ.

Учебное пособие содержит восемь основных глав.

Первая глава знакомит читателя с поколениями средств ВТ и основными тенденциями их развития. Здесь показана оценочная взаимосвязь степени интеграции и уровня микроэлектронной технологии элементов (микросхем) с поколениями ЭВМ, а также приведена классификация функциональной структуры средств ВТ и ее связь с уровнями компоновки и уровнями конструкции.

Вторая глава посвящена знакомству читателя с основными компоновочными параметрами логической схемы устройства, являющимися схемными (первичными) параметрами конструкции СВТ, и содержит обоснование целесообразности их применения при конструировании.

Третья и четвертая главы являются в пособии центральными. В третьей главе изложены теоретические аспекты взаимосвязи основных компоновочных параметров в логической схеме устройства. Показана невозможность применения на современном этапе развития ВТ эмпирических соотношений. Дано описание статической и динамической компоновочной модели логической схемы и приведены фундаментальные системные соотношения, описывающие эти модели.

Четвертая глава посвящена правилам применения системных соотношений при конструировании, учитывающих методы и принципы компоновки элементов в логических схемах обрабатывающих устройств. Приведены базовый критерий и основные законы системной взаимосвязи ряда параметров для двух основных классических методов компоновки элементов. Здесь же приведен сводный перечень современных системных соотношений, используемых при расчете первичных компоновочных параметров элементов и устройств ЭВМ.

В пятой главе сформулированы основные правила определения значений производных компоновочных параметров логической схемы, используемых при конструкторских расчетах.

В шестой главе рассмотрены вторичные компоновочные параметры конструкций средств ВТ, а именно, компоновочные параметры коммутационных элементов многоуровневых конструкций СВТ (напр., средняя длина связи и логической цепи, суммарная длина связей, трассировочная способность, число сигнальных слоев и др. в конструкциях кристаллов БИС и СБИС, подложках многокристальных модулей, многослойных печатных платах) и приведены методы их расчета.

В седьмой главе рассмотрены системные параметры быстродействия устройств ЭВМ (напр., системная задержка ЛЭ и его системное быстродействие, функциональное и тактовое быстродействие устройства) и приводится методика их расчета, базирующаяся на принципе многоуровневости конструкции и первичных компоновочных параметрах, определяемых с помощью системных соотношений.

В заключительной восьмой главе приведены практические примеры расчета как первичных, так и вторичных компоновочных параметров для ряда многоуровневых конструкций устройств ЭВМ, характеризующихся высокой степенью интеграции и различными принципами компоновки.

Учебное пособие предназначено, главным образом, для широкого круга студентов 3‑5 курса вузов, изучающих дисциплины, связанные с конструированием и технологией производства ЭВМ, вычислительных комплексов и электронных приборов. Оно может быть также полезным для инженерно-технических и научных работников, связанных с проектированием и разработкой элементной и конструктивно-технологической базы современных и перспективных средств ЭВТ.