1 - йНМЯРПСХПНБЮМХЕ

Конструирование и спецтехнология ЭВМ
Лектор: профессор, д.т.н. Овчинников
Владимир Анатольевич
Структура курса:
51 час – лекции;
17 час – лабораторные работы;
Отчетность по курсу: экзамен
1
Введение.
1. Понятие о конструкции и конструировании ЭВМ
Конструкция – это искусственно созданная человеком сложная
композиция большого количества тел и веществ, выполняющая
определенные функции и обладающая заданными
параметрами.
Вид конструкции объектов некоторого класса определяется их
назначением, физическими процессами, необходимыми для их
функционирования, и условиями эксплуатации.
Физические процессы, обеспечивающие функционирование
ЭВМ, – это генерация, прием, преобразование и передача
электронных сигналов, а также в меньшей степени –
механические процессы перемещения чего-либо.
Конструирование – один из завершающих этапов процесса
проектирования, который заключается в физической
реализации принятых схемотехнических решений.
2
2. Внутренние воздействия
Физические процессы функционирования приводят к возникновению
внутренних воздействий. К ним относятся: электрические,
механические и тепловые.
Электрические воздействия из-за паразитных параметров линий
связи приводят:
• к искажению сигналов и появлению ложных/паразитных сигналов;
• задержкам сигналов на линиях связи:
 30
нс
 зр  5  12 .
м
Электрические воздействия могут восприниматься как
обрабатываемый сигнал и привести к неправильному
срабатыванию схемы.
Задержки могут привести к нарушению временной диаграммы.
Следовательно при конструктивной реализации схемы
возникают проблемы обеспечения требуемых уровней
помехоустойчивости/помехозащищенности и быстродействия
3
Тепловые воздействия
Примерно 95 % энергии, потребляемой ЭВМ, превращается в
тепловую. Комплектующие элементы имеют температурнозависимые свойства. Для них установлены нормальные и
допустимые температуры эксплуатации, при которых
гарантируется соответствующая характеристика надежности и
уровни допустимых помех. Повышение температуры работы ЭВМ
приводит к увеличению частоты отказов и уменьшению значений
допустимых помех.
Частота отказов  [1/час].
N
λ
,
N t
где
N – общее количество микросхем;
N – количество отказавших микросхем;
t – время наблюдения.
При конструировании необходимо решать задачи обеспечения
нормального теплового режима.
4
Механические воздействия
Внутренние механические воздействия- вибрация, удары и
линейные перемещения. Их причина– вращение или
перемещение деталей конструкции.
Механические воздействия могут вызывать, например, нарушения
контактирования в разъемных и неразъемных соединениях и
разрывы печатных проводников и, следовательно, служить
причиной неправильного срабатывания.
5
3. Условия применения
Существенное воздействие на ЭВМ оказывают различные
дестабилизирующие факторы, порождаемые условиями
эксплуатации. ЭВМ разделяются на группы
применения согласно сочетанию и интенсивности
дестабилизирующих факторов:
• в наземных и подземных отапливаемых помещениях;
• в неотапливаемых помещениях и на открытом воздухе;
• в цехах, производственных помещениях, в том числе с
вредным производством;
• на подвижных объектах.
Объекты установки порождают соответствующие
условия применения, которые должны быть учтены
при конструировании ЭВМ.
6
Классификация воздействий на ЭВМ
7
4. Особенности конструирования ЭВМ
• Основными являются электрические
соединения между элементами и узлами, так
как они обеспечивают физические процессы
функционирования и являются
компонентами, которые могут вызвать
искажение сигналов и появление ложных.
Механические соединения играют
вспомогательную роль.
• Форма конструкции оказывает незначительное влияние на процесс передачи сигналов, поэтому она слабо связана со схемой,
которая в ней реализуется.
• Необходимость учёта дестабилизирующих
воздействий на ЭВМ.
8
1.Основные задачи и принципы конструирования
1.1. Назначение конструкции и характеристики ЭВМ,
зависящие от нее
Назначение конструкции ЭВМ – реализация электрических связей
между компонентами, фиксация компонентов и защита их от
дестабилизирующих факторов. Исходные данные для
конструктора: схема электрическая функциональная и ТЗ.
Назначение, функции, условия работы и параметры ЭВМ указываются в ТЗ. Качество конструкции определяется степенью её
соответствия техническим, тактико-техническим, конструкторскотехнологическим и прочим требованиям, указанным в ТЗ.
От конструкции ЭВМ зависят следующие характеристики и свойства:
• быстродействие;
• надежность;
• помехозащищенность и помехоустойчивость;
• объем;
• масса;
• технологичность;
• удобство в эксплуатации и др.
9
1.2. Общая характеристика конструкции и
конструирования
Конструкция ЭВМ состоит из большого количества разнородных
компонентов, имеющих различное назначение. Связи между
параметрами и характеристиками компонентов и выходными
характеристиками устройств или ЭВМ трудноустановимы.
Таким образом конструкция ЭВМ является сложной системой, при
проектировании которой используется блочно-иерархический
подход.
Блочно-иерархический подход – заключается в декомпозиции
объектов и задач с разной степенью детализации их описания и
иерархической подчиненностью этих описаний.
Исходя из назначения конструкции ЭВМ и смысла процесса
конструирования, конструктор должен определить форму, размеры,
материалы конструкторских узлов и их деталей, способы их
электрического и механического соединений и реализовать в
конструкторском узле или в их совокупности электрическую схему.
10
1.3. Основные задачи конструирования
В конструировании можно выделить две в определенной степени
независимые задачи:
1 задача – разработка конструкции как средства электрического и
механического соединения входящих в узел компонентов. Она
включает:
1) выбор формы;
2) геометрическую компоновку;
3) разработку конструкции деталей и всего узла в целом.
2 задача – схемно-топологическое конструирование – предполагает
топологическую реализацию части схемы в монтажном
пространстве соответствующего конструктивного узла или
модуля. Эта задача имеет высокую размерность. В соответствии
с преследуемыми целями она декомпозируется на подзадачи:
1) схемная компоновка – определение схемы, которую
необходимо реализовать в данном модуле или его части;
2) размещение – определение положения элементов схемы в
монтажном пространстве или его части;
11
3) трассировка – определение траекторий линий связи.
1.4. Проектные задачи конструирования ЭВМ
При конструировании требуется обеспечить:
• нормальный тепловой режим;
• гарантированные показатели помехозащищенности и
помехоустойчивости;
• требуемые значения показателей надежности;
• эффективность защиты от механических и прочих воздействий;
• установленное в ТЗ быстродействие;
• конструктивно-технологические в том числе массо-габаритные
характеристики.
Удовлетворение указанных требований порождает соответствующие
проектные задачи.
12
1.5. Документы этапов проектирования
13
Документы этапов проектирования (2)
14
1.6. Одноуровневый принцип конструирования
Вся схема реализуется на одном кристалле. Возможность
применения принципа определяется достигнутым уровнем
интеграции, требуемой сложностью реализуемой схемы и
экономическими факторами.
Достоинства:
•
минимум потерь быстродействия из-за задержек сигналов в
линиях связи;
•
минимум снижения надежности из-за небольшого числа
разъемных или паяных соединений.
Недостаток: низкая или нулевая ремонтопригодность.
Работоспособность может быть обеспечена за счет схемной
или аппаратной избыточности.
15
1.7. Многоуровневый принцип конструирования
Конструкция ЭВМ состоит из конструктивных модулей разных уровней
иерархии.
Конструктивный модуль (КМ) – любой узел ЭВМ, имеющий законченное
конструктивное оформление, самостоятельную технологию производст-в
и стандартные средства электрического и механического соединения.
Геометрические размеры, средства механического и электрического
соединения должны обеспечивать входимость КМ низшего уровня в КМ
высшего уровня. Конструктивная иерархия в общем случае не совпадает
со схемной/ функциональной, определяемой по принципу
функциональной законченности.
Рассматриваемый принцип обеспечивает производство КМ одного или
разных уровней иерархии по независимым технологическим циклам, т.е.
специализацию производства, а также высокий уровень конструктивнотехнологической унификации деталей, составляющих КМ.
Вывод: рассматриваемый принцип конструирования дает возможность
использования прогрессивного, высокопроизводительного и
прецизионного оборудования для изготовления, монтажа и контроля, а
также прогрессивных технологических методов изготовления деталей и их
сборки.
16
Схема конструктивной иерархии
17
Внешний вид конструктивных модулей
18
Многоуровневый принцип конструирования (2)
Ранговый состав конструкции ЭВМ, т.е. количество уровней
иерархии КМ, определяется сложностью схемы,
степенью интеграции элементной базы, назначением
ЭВМ и экономическими факторами.
При использовании этого принципа следует иметь в виду
функционально-узловой метод проектирования. В
соответствии с ним схема разбивается на
функционально законченные части, которые
реализованы в КМ либо в их совокупности, причем КМ
одного уровня могут иметь разные геометрические
размеры.
КМ одного из уровней оформляют в виде легкосъемной
конструкции, имеющей разъем. Он называется типовым
элементом замены (ТЭЗ). Это обеспечивает высокую
степень ремонтопригодности.
19
Многоуровневый принцип конструирования (3)
Достоинства:
• специализация производства;
• высокий уровень конструктивнотехнологической унификации узлов, стендовой
и контрольно-испытательной аппаратуры;
• хорошая ремонтопригодность;
• возможность реализации схемы практически
любой сложности.
Недостатки:
• увеличение потерь быстродействия из-за
задержек в линиях связи;
• снижение возможных показателей надежности
из-за большого количества паянных, разъемных
соединений и увеличения длин линий связи. 20
Конструктивный состав многорамной
стойки
Рама
Стойка
Блок
Субблок
21
1.8. Основные тенденции развития ВТ,
влияющие на конструирование
1. Основная тенденция – повышение уровня
интеграции элементной базы и её быстродействия.
2. Рост сложности аппаратуры и плотности её
компоновки.
3. Снижение относительных габаритов активных
элементов и энергетического уровня сигналов.
4. Рост удельной выделяемой мощности активных
элементов.
5. Увеличение потерь быстродействия из-за задержек
сигналов в линиях связи.
22
1.9. Конструктивная иерархия БЭВМ
MainFrame фирмы IBM
Процессорный чип z990 имеет размер 14,1×18,9 мм и содержит 122 млн.
транзисторов, для чипа кеш-памяти SD эти параметры равны
соответственно 17,5×17,5 мм и 521 млн. транзисторов.
23
1 уровень – многокристальный
(многочиповый) модуль
MCM представляет собой многослойную
подложку, на которой размещается
необходимый набор чипов,
межсоединения выполняются в
нескольких низлежащих слоях.
Слои межсоединений реализуются с
использованием стеклокерамических
подложек, обеспечивающих задержку
распространения сигналов 7,8 нс/м.
В каждом слое межсоединений
используется сигнальнопотенциальное звено, состоящее из
двух слоев ортогональных сигнальных
(X, Y слои) и слоя питания или земли.
В нижней части MCM устанавливается
разъем с количеством контактов до
5184.
Нагревание MCM контролируется
несколькими термисторами с
использованием охлаждающей
системы.
PU – процессорный чип,
SD – чипы КЭШ-памяти L2,
SC – системный контроллер,
MBA – адаптер памяти,
MSC – контроллер памяти
24
Технические характеристики MCM
25
2-й уровень – плата
CEC представляет собой многослойную печатную
плату размером 553×447 мм с 10 сигнальными
слоями и 24 слоями питания и земли.
Модули размещаются на плате CEC с двух сторон,
что обеспечивает более плотную упаковку.
Для уменьшения взаимных электромагнитных
помех между слоями в CEC используются
сигнально-потенциальные звенья вида «землясигнал-питание».
26
3 уровень – блок
Блок (book) содержит одну CEC и
вспомогательные системы питания,
охлаждения и управления.
Для защиты от электромагнитных
помех блок полностью закрыт
металлическим кожухом, имеет
габаритные размеры 56×14 см и
вес 32 кг.
27
4 уровень – каркас
Для объединения блоков
используется центральная плата,
имеющая с одной стороны четыре
слота для подключения до
четырех блоков CEC, а с другой –
до восьми слотов для установки
вторичных источников питания.
28
5 уровень – шкаф
В состав сервера входят два
шкафа. Габаритные размеры
равны 154×158×194 см, а вес 790 кг (A) и 767 кг (Z).
В шкафу Z располагаются
первичные источники питания,
формирующие постоянное
напряжение 350 в.
Для повышения надежности
питания предусмотрено
подключение сервера к двум
внешним фидерам трехфазного
напряжения. Постоянное
напряжение 350 в разводится по
шкафам для подачи на
вторичные источники питания,
находящиеся в каждом из
каркасов.
В верхней части шкафов
размещены батареи,
обеспечивающие питание
сервера в случае отключения
внешнего питания, а также
системы охлаждения блоков
сервера.
29