Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Honeywell/D19840628Elc032.shtml

Вентильная матрица на ЭСЛ/ПТЛ-элементах, улучшающая характеристики супермини-компьютеров

Роджер Кокс (Roger Cox)
Центр цифровых изделий фирмы Honeywell (Колорадо-Спрингс, шт.Колорадо)

Roger Cox. ECL-CML gate array speeds suoerminis while saving space and power, pp.137—140.

Новые быстродействующие вентильные матрицы обеспечивают повышение плотности упаковки полузаказных БИС для супермини-компьютеров. Применение новых компонентов на базе этих матриц позволяет изготовитолям машин данного класса успешно противостоять конкуренции как «сверху», так и «снизу».

До последнего времени мини-комгьютеры выполнялись главным образом на Шотки/ТТЛ-схемах, однако сейчас конструкторы таких машин, желая повысить производительность следующего поколения мини-компьютеров, решают вопрос перехода на ЭСЛ-схемы. Несомненно, ЭСЛ-схемы представляют собой самое быстродействующее семейство логических ИС из всех серийно выпускаемых в настоящее время. Их высокое быстродействие может помочь :ущест-венно повысить возможности наиболее зысоко-качественных мини-компьютеров в части обработки данных. Кроме того, в вентильных ЭСЛ-матрицах это высокое быстродействие успешно сочетается с таким достоинством, как высокая плотность упаковки.

Но перед тем, как выбрать конкретные конструктивные варианты и проектные решения для ЭСЛ-схем, целесообразно изучить потребности и тенденции развития рынка супермини-компьютеров как такового. Понимание современной ситуации и направлений развития этого рынка наверняка позволит точно сформулировать задачи разработки аппаратных средств для следующего поколения машин. Внимательный анализ тенденций развития полупроводниковой промышленности показывает, что оптимальный способ использования высокого быстродействия ЭСЛ-схем в новых супермини-компьютерах — это применение полузаказных вентильных ЭСЛ-матриц.

С момента появления на рынке машин семейства VAX-11 компании Digital Eguipmeni Copr. с виртуальной памятью их архитектура служит промышленным стандартом для всех изготовителей 32-разрядных супермини-компьютеров. Такие возможности, как управление памятью и защита памяти, сейчас предусматриваются во всех машинах данного класса, а сами мини-компьютеры уже заняли прочные позиции в многопользовательских приложениях с базами данных очень большого объема. Благодаря этим возможностям мини-компьютеры теснят традиционные универсальные ЭВМ, а сами тем временем начинают испытывать серьезную конкуренцию со стороны микрокомпьютеров, выполненных с применением сверх-БИС. Появление однокристальных 32-разрядных виртуальных машин с производительностью в диапазоне от 1 до 2 млн. инструкция/с наверняка окажет заметное давление на нижнюю часть рынка мини-компьютеров.

Чтобы сохранить конкурентоспособность, следующее поколение супермини-компьютеров должно быть выполнено с применением ЭСЛ БИС, характеризующихся повышенными быстродействием и плотностью упаковки. Хотя ЭСЛ-схемы представляют собой семейство логических ИС с очень высоким быстродействием, почти все выпускаемые в его составе схемные функциональные блоки — это ИС малой или средней степени интеграции. При работе с ЭСЛ-схемами конструктор не имеет возможности пользоваться такими библиотеками БИС- и разрядно-модульных компонентов, которые имелись в распоряжении конструкторов аппаратуры на ТТЛ-схемах. Однако имеющиеся в настоящее время вентильные ЭСЛ-матрицы позволяют разрабатывать заказные схемы с высокой плотностью упаковки. С помощью вентильных матриц конструкторы ЭВМ могут успешно решать одну из самых главных проблем создания своих систем — проблему межсоединения.

Межсоединения для быстродействующих систем

При умеренном быстродействии стимулами для уменьшения количества межкристальных соединений являются стоимость и габариты систем. При субнаносекундных скоростях эти соединения становятся причиной увеличения рассеиваемой мощности и вносят значительные задержки в передаваемые сигналы. Использование вентильных матриц уменьшает длину этих соединений путем размещения большинства из них на кремниевых кристаллах.

При создании схем на базе вентильных матриц многие преимущества заказных схем удается реализовать без тех традиционных затрат средств и времени, которые требуются при полной разработке заказной ИС. В вентильной матрице HE2000 (рис.1), содержащей большое число нескоммутированных схемных элементов, конструктор реализует конкретные требования, диктуемые его системой, создавая два слоя заказной соединительной металлизации. При наличии соответствующих средств автоматизированного проектирования и библиотеки макроэлементов рисунки металлических соединительных слоев можно получить достаточно быстро.

На этом участке чертежа топологии вентильной ЭСЛ/ПТЛ-матрицы HE2000 показаны три слоя соединительной металлизации. В двух из них проводятся заказные м
Рис.1. На этом участке чертежа топологии вентильной ЭСЛ/ПТЛ-матрицы HE2000 показаны три слоя соединительной металлизации. В двух из них проводятся заказные межсоединения, в третьем выполняется разводка питания.

Библиотека макроэлементов содержит подробные описания схемных соединений для конкретного элемента или набора элементов матрицы, которые превращают его (или их) в заданный логический элемент. Эти библиотеки обычно содержат такие логические функции, как вентили, регистры-защелки, мультиплексоры и триггеры. С помощью соответствующей системы автоматизированного проектирования из этих макроэлементов можно достаточно быстро скомпоновать сложную систему на кристалле.

Матрица НЕ2000 представляет собой отличный пример возможностей технологии биполярных вентильных матриц. Она изготавливается по усовершенствованной технологии биполярных цифровых ИС Advanced Digital Bipolar-II компании Honeywell. В этой технологии используются окисная изоляция, транзисторы с эмиттерными структурами без окисных стенок и три слоя металлизации. Первые два слоя металлизации служат для разводки межсоединений, а третий резервируется для разводки шин питания. Шаг металлизации в первом слое равен 5,5 мкм, во втором — 9 мкм. При изготовлении схем применяются как проекционная литография, так и непосредственное пошаговое репродуцирование.

В состав матрицы HE2000 входят элементы двух типов: ЭСЛ — для сопряжения с внешними цепями и внутренние элементы токопереключательной логики (ПТЛ). Внешние сопрягающие элементы совместимы с ЭСЛ-схемами серии 10К для компоновки системных межсоединений. Кроме того, они выполняют преобразование-уровней напряжения в логические уровни ПТЛ-элементов, на которых построена вся внутренняя часть матрицы. ПТЛ-элементы применены внутри матрицы HE2000 для снижения рассеиваемой ею мощности до минимального возможного уровня.

На рис.2 показаны два типовых ПТЛ-вентиля — первый выполняет функцию ИЛИ/НЕ-ИЛИ, второй — функцию Исключающее-ИЛИ/НЕ-ИЛИ. Базовая структура дифференциального ПТЛ-усилителя представлена здесь вентилем ИЛИ/НЕ-ИЛИ. Переключение, происходит относительно опорного уровня напряжения величиной —0,25 В, а сами перепады сигналов составляют всего 500 мВ. При этом на коллекторном переходе входного транзистора максимальное прямое смещение не превышает 0,5 В. Такой режим работы называется «мягким насыщением». При мягком насыщении избыточный заряд в базовой области почти отсутствует, поэтому скорость переключения ПТЛ-схемы сравнима со скоростью переключения ЭСЛ-схем. ПТЛ-вентили формируют только внутренние сигналы кристалла, поэтому для них эмиттерные повторители не требуются.

Для получения высокого быстродействия в сочетании с малым потреблением мощности все внутренние схемы вентильной матрицы компании Honeywell выполнены н
Рис.2. Для получения высокого быстродействия в сочетании с малым потреблением мощности все внутренние схемы вентильной матрицы компании Honeywell выполнены на ПТЛ-элементах. Напряжение питания —3,3 В — это тот минимум, который обеспечивает нормальную работу логики с последовательным стробированием, например вентиля ИЛИ/НЕ-ИЛИ (а) и вентиля Исключающее-ИЛИ/НЕ-ИЛИ (б).

Типовое время переключения ПТЛ-вентиля ИЛИ/НЕ-ИЛИ составляет 300 пс, хотя при этом его внутренний ток потребления составляет 1,0 мА, а рассеиваемая мощность — всего 3,3 мВт. Типовой коэффициент разветвления по выходу составляет для него шесть единичных нагрузок. Малое потребление мощности достигается благодаря работе вентиля от одного источника питания напряжением —3,3 В и отсутствию в нем выходного эмиттерного повторителя. Типовое значение полной рассеиваемой мощности для всей матрицы НЕ2000 равно 3—3,5 Вт. Это примерно вдвое меньше мощности для аналогичной вентильной матрицы, целиком выполненной на ЭСЛ-схемах. Напряжение питания —3,3 В обеспечивает работу схем с последовательным включением стробируемых транзисторов, например вентиля Исключающее-ИЛИ/НЕ-ИЛИ, для которого время переключения в наихудшем случае равно 525 пс, рассеиваемая мощность — 9 мВт. Все ПТЛ-вентили имеют как прямые, так и инверсные выходы. Наличие сигналов обеих полярностей помогает уменьшить общее количество логических функций, требуемых для реализации кристаллов.

Матрица содержит 140 ЭСЛ-буферов ввода-вывода, совместимых с ЭСЛ ИС серии 10К. Входные приемные схемы преобразуют выходные логические уровни ИС серии 10К в логические уровни для управления внутренними ПТЛ-вентилями матрицы. Логический опорный источник в этих входных схемах позволяет им отслеживать температурные изменения характеристик логических ЭСЛ ИС семейств 10К/10КН. В виде выходных каскадов можно реализовать до 64 таких элементов ВВ. В матрице есть элементы, совместимые по выходу с ЭСЛ-схемами и рассчитанные на нагрузки сопротивлением 25—80 Ом. Типовая задержка сигнала в таком парном элементе ВВ составляет 1,5 нс. Кристалл обычно собирается в 173-контактном корпусе с матричным расположением выводов и полостью для кристалла, расположенной на одной стороне с выводами.

Следующее поколение супермини-компьютеров

Следующее поколение компьютеров с архитектурой типа архитектуры машин семейства VAX-11 обладает рядом чрезвычайно интересных возможностей. Можно отметить следующие технические характеристики этих компьютерных систем:

— Производительность в однопроцессорном варианте от 10 до 12 млн. операция/с.

— Время цикла процессора 25 нс.

— Основная память емкостью до 32 Мбайт.

— Высокоразвитые возможности ВВ, обеспечивающие работу с большими НМД и компьютерными сетями через системную шину с пропускной способностью 160 Мбайт/с.

Такие системы можно реализовать при условии применения в них субнаносекундных вентильных матриц, совместимых с ЭСЛ ИС, и быстродействующих ЭСЛ ЗУПВ. В этом случае можно сделать микропрограммное устройство управления с управляющей памятью на базе ЗУПВ с временами выборки 10 нс, имеющее время цикла 25 нс, и максимально снизить задержки в тракте данных. Архитектура тракта данных машины VAX-11/780 (рис.3) содержит большое число входных мультипроцессоров, выходных линий, регистров и управляющих линий, что не позволяет использовать в ней разрядно-модульные элементы в обычных корпусах. Однако вентильная матрица HE2000, имеющая 140 контактов ВВ, отлично подходит именно для такого типа приложений.

Наличие в высокопроизводительных мини-компьютерах большого количества трактов данных, мультиплексоров и регистров требует применения вентильных матриц
Рис.3. Наличие в высокопроизводительных мини-компьютерах большого количества трактов данных, мультиплексоров и регистров требует применения вентильных матриц. В данном случае используются два заказных варианта матрицы: крупная разрядно-модульная секция для АЛУ и трактов обработки данных и блок для сверхбыстродействующих регистровых файлов.

На быстродействующих логических схемах этой матрицы можно также построить быстродействующий регистровый файл с временем выборки 3 нс, намного превосходящим по быстродействию стандартный конструктивный вариант такого устройства на обычных ЭСЛ ИС (с временами выборки 10—15 нс). В этом примере используется два различных варианта соединительной металлизации матрицы вентилей — один для схем тракта данных и арифметико-логического устройства, другой — для схем быстродействующих регистровых файлов. Если же сравнить 32-разрядное арифметико-логическое устройство с ускоренным переносом, выполненное на вентильных матрицах, с аналогичным устройством на ЭСЛ-схемах средней степени интеграции типа 10181/179, то в первом варианте величина задержки для наихудшего случая в режиме вычитания получается 15,5 нс, а во втором — 29 нс.

В таблице представлены результаты сравнения трех вариантов описываемого выше 32-разрядного тракта обработки данных, выполненного на различных ЭСЛ-схемах. Сравниваются рабочие характеристики и количество корпусов ИС. Для вариантов, выполненных на вентильных матрицах, задержка сигнала от регистровых файлов через АЛУ и мультиплексоры до возврата в регистровые файлы составляет в наихудшем случае всего 23 нс, тогда как для варианта, реализованного на малых и средних ИС, она равна 50 нс. Варианты на вентильных матрицах дают также значительное уменьшение количества корпусов ИС в системе — с 208 до 24.

Сравнение различных вариантов реализации 32-разрядного тракта обработки данных на ЭСЛ-схемах

Элементная база

Количество корпусов ИС

Задержка в критической цепи для наихудшего случая, нс

Рассеиваемая мощность, Вт

Малые и средние ЭСЛ ИС

208

50

94,2

Вентильные ЭСЛ-матрицы

24

23

112,6

Вентильные ЭСЛ/ПТЛ-матрицы

24

23

52

Преимущества внутренних ПТЛ-схем матрицы HE2000 становятся еще более очевидными при сравнении полной потребляемой мощности, так как для этих матриц она получается примерно вдвое меньше, чем для матриц, целиком состоящих из ЭСЛ-элементов. Необходимо отметить, что при выполнении функциональных блоков на базе ПТЛ-матриц в системе полностью исключаются нагрузочные резисторы в эмиттерных цепях; в то же время в матрицах с внутренними ЭСЛ-вентилями такие резисторы входят в состав матричных кристаллов.

Чтобы получить скорость выполнения инструкций более 10 млн. цикл/с, недостаточно только сверхбыстродействующих компонентов; для решения этой задачи потребуется широкое применение конвейерной обработки потока инструкций при их выборке, дешифрации и выполнении. Для этого необходим большой объем аппаратных средств, так что требуемый уровень сложности следующего поколения машин оказывается выше уровня сложности многих современных супермини-компьютеров.

Компьютер Concept 32/87 компании Gould Inc. представляет собой пример центрального ЭСЛ-процессора с конвейерной организацией выполнения инструкций. Производительность этой машины весьма впечатляюща, однако за эту производительность приходится платить — габариты и мощность потребления машины, выполненной только на малых и средних ИС, тоже весьма внушительны. Процессор 32/87 состоит из 18 схемных плат, тогда как аналогичный процессор 32/57 меньшей производительности, выполненный на ТТЛ-схемах, содержит всего три платы.

При проектировании будущих вычислительных устройств, для которых одновременно требуются высокие быстродействие и уровень сложности аппаратных средств, вентильные ЭСЛ- и ПТЛ-матрицы будут чрезвычайно полезны. Любой вариант организации конвейерной обработки инструкций обязательно потребует разработки высокопроизводительной памяти типа «кэш», жестко связанной с процессором. Недавно появившиеся ЭСЛ ЗУПВ емкостью 4К с временами выборки для наихудшего случая всего 10 нс наверняка облегчат решение задачи. На этих биполярных кристаллах памяти можно успешно строить как эффективные ЗУ типа «кэш», так и устройства преобразования адресов, необходимые для перехода от виртуальных адресов к физическим адресам основной памяти. Увеличение производительности центрального процессора требует одновременного повышения пропускной способности систем памяти. Для будущих машин представляется необходимым и повышение скорости ввода-вывода, так как уже сейчас супермини-компьютеры работают в комплекте с большими НМД, локальными сетями и графическими рабочими станциями с развитым ВВ, и количество таких периферийных устройств непрерывно возрастает. Речь идет о применении этих машин в САПР, системах автоматизации инженерного труда и системах автоматизации производства.

Повышение надежности

Для предыдущего поколения рассматриваемых машин вполне хватало пропускной способности системных шин в диапазоне 5—30 Мбайт/с, однако для следующего поколения вполне может потребоваться шина с пропускной способностью 160 Мбайт/с. Такая 32-разрядная синхронная шина должна иметь время цикла 25 нс и работать с ЭСЛ-уровнями сигналов. Сопрягающийся с такой шиной контроллер памяти должен обеспечивать режим поочередного обращения к различным кристаллам и режим слоговой выборки, предусмотренный в новых МОП ЗУПВ емкостью 256К. На рис.4 показана блок-схема такой машины и области, в которых должны использоваться ЭСЛ- и ТТЛ-уровни сигналов соответственно. Предполагается, что все устройства, кроме модулей памяти на основе МОП-кристаллов и контроллеров ВВ, будут работать с ЭСЛ-уровнями сигналов.

Для получения максимальной производительности супермини-компьютера в нем следует везде использовать ЭСЛ-схемы. Исключение составляют только МОП-матриц
Рис.4. Для получения максимальной производительности супермини-компьютера в нем следует везде использовать ЭСЛ-схемы. Исключение составляют только МОП-матрицы основной памяти и устройства ВВ. Все блоки, находящиеся внутри пунктирной рамки, работают с ЭСЛ-уровнями сигналов.

Помимо повышения скорости обработки данных потребители мини-компьютеров требуют и повышения надежности машин. По мере увеличения числа потребителей компьютеров и различных систем на их основе простои машин из-за неисправностей становятся все более неприемлемыми. Военные заказчики существенно повысили требования в надежности машин; эти же требования в течение долгого времени находятся на первом месте в телефонных коммутационных системах, в которых это связано с чисто экономическими соображениями. Недавно объявленный компанией DEC принцип групповых сетей с высокой надежностью дополнительно подтверждает, что развитие мини-компьютерной техники действительно идет по пути повышения надежности.

Существует много способов повышения надежности компьютеров без применения резервных системных элементов. Одно из перспективных направлений в данной области — это применение диагностических микропроцессоров и высокоразвитых средств контроля по четности. Наилучший же способ повышения надежности — это уменьшение количества межсоединений и потребляемой мощности на общесистемном уровне.

Применение вентильных ЭСЛ- и ПТЛ-матриц дает как высокую плотность упаковки, так и пониженный уровень рассеиваемой мощности (типовая величина составляет 3,1 Вт и менее). При такой мощности вполне эффективно принудительное воздушное охлаждение. Корпус для вентильной матрицы HE2000 с матричным расположением внешних контактов (рис.5) имеет полость для кристалла на той же стороне, на которой находятся контакты. Это обеспечивает лучший отвод выделяемого тепла при воздушном охлаждении. Данный 173-контактный корпус имеет 140 сигнальных контактов, 32 контакта питания и земли и один контакт ориентации. Все контакты расположены в узлах матрицы с шагом 2,54 мм.

Рассматриваемая быстродействующая вентильная ЭСЛ/ПТЛ-матрица монтируется в корпус с матричным расположением внешних контактов и с полостью для кристал
Рис.5. Рассматриваемая быстродействующая вентильная ЭСЛ/ПТЛ-матрица монтируется в корпус с матричным расположением внешних контактов и с полостью для кристалла, расположенной на той же стороне, что и контакты. Такая конструкция корпуса обеспечивает кратчайший путь для отвода тепла на схемных платах с воздушным охлаждением.

Средства автоматизированного проектирования

Для разработки заказных схем на базе вентильной матрицы HE2000 компания Honeywell будет предоставлять все необходимые средства автоматизированного проектирования. Эти средства размещаются в памяти АРМ Apollo, которое может быть установлено на предприятии заказчика или в центрах проектирования компании Honeywell в Колорадо-Спрингсе (шт.Колорадо) и Миннеаполисе. Первый этап процесса проектирования — это ввод в САПР описания логической схемы с помощью пакета программных средств Idea-1000 фирмы Mentor и с использованием заранее составленной библиотеки из 50 логических элементов. Библиотека содержит набор элементов различной сложности — от простых вентилей до законченного АЛУ с 16 функциями.

После ввода описания заказной схемы разработчики с помощью программ временного моделирования и верификации временных диаграмм фирмы Mentor выполняют функциональную и параметрическую проверку своих схем. При этом разрабатывается и набор функциональных тест-векторов, который в дальнейшем будет использоваться при испытаниях готовых кристаллов. Заказчики могут по желанию передавать проектные файлы и наборы тест-векторов, полученные ими с помощью средств проектирования фирмы Mentor, компании Honeywell для автоматизированного проектирования топологии и изготовления опытных образцов или могут самостоятельно выполнять автоматизированное проектирование топологии и межсоединений у себя на предприятиях. В последнем случае они передают компании Honeywell уже готовую топологию кристаллов для изготовления опытных образцов.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.13 (694), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.57

Electronics Vol.57 No.13 June 28, 1984 A McGraw-Hill Publication

Roger Cox. ECL-CML gate array speeds suoerminis while saving space and power, pp.137—140.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Полупроводниковая техника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Honeywell/D19840628Elc032.shtml