Проектирование быстродействующего устройства ЭВМ с интеграцией

• Введение
• 1. Выбор схемотехники, уровня технологии и параметров БМК МКМ
• 1.1 Выбор значения М2 и М3
• 1.2 Определение максимальной интеграции БИС
• 1.3 Определение уровней полупроводниковой технологии () МКМ
• 1.4 Выбор схемотехники.
• 2. Расчет основных и произвольных компоновочных параметров логической схемы устройства
• 2.1 Расчет основных (первичных) компоновочных параметров логических схем
• 3. Расчет энергетических характеристик МКМ
• 4. Выбор система охлаждения МКМ и обоснование требований к элементам конструкций
• 5. Описание принципов обеспечения помехоустойчивости конструкции
• 6. Расчет конструкции коммутационных элементов
• 6.1 Расчет среднего числа связей в логической цепи
• 6.2 Расчет средних длин связей и средних длин логических цепей
• 6.3 Расчет трассировочной способности
• 6.4 Расчет слойности, структуры и выбор числа потенциальных слоев
• 7. Выбор и обоснование общей конструкции МКМ
• 7.1 Расчет числа выводов и определение типа корпуса МКМ
• 7.2 Крепление кристалла в корпусе
• 7.3 Герметизация корпуса
• 8. Расчет параметров системного и функционального быстродействия МКМ
• 9. Выбор и обоснование технических решений по конструкции разъемного соединителя для МКМ
• 10. Технологическая часть
• Заключение
• Литература

Темой данной курсовой работы является проектирование быстродействующего обрабатывающего устройства в объеме одного МКМ на бескорпусных БИС.

Актуальность применения МКМ подчеркивает тот факт, что смене поколений СВТ характерны свои принципы проектирования и компоновки элементов и устройств, методы обработки информации, проблемы конструктивно-технологического порядка. Переход к каждому последующему поколению связан с изменением этих принципов и традиций, которые ведут к увеличению быстродействию, надежности, минимизации конструкций и уменьшения стоимости.

Самым минимальным функциональным уровнем, присутствующим всегда, является логический элемент, выполняющий элементарную логическую функцию типа И, И-НЕ. Такой элемент обычно именуют термином «базовый ЛЭ» .

Максимальным функциональным уровнем является либо сама ЭВМ, либо вычислительный комплекс (ВК), состоящий из нескольких процессоров или ЭВМ, либо вычислительная система (ВС), состоящая из нескольких ВК.

Этот функциональный состав можно представить в виде иерархической структуры:

Каждый из перечисленных уровней предназначен для выполнения определенной функции и представляет собой совокупность из ниже стоящего уровня. Развитие технологии сегодня позволяет заменять ФБ на МКМ на бескорпусных БИС, что позволяет наиболее рационально проектировать СВТ.

1. Выбор схемотехники, уровня технологии и параметров БМК МКМ

1.1 Выбор значения М2 и М3

Задано: N_{maxэффек}=175 000, i=1,2,3,4, МП-принцип, М₁=10, М₄=36

Расчет:

М₁*М₂*М₃*М₄=N_{maxэффек}

М₁*M₄=10*36=360 элэ

M₂*M₃=N_{maxэффек}/ (M₁*M₄) =175 000/360=486 элэ

M₂*M₃=486

Если М₂=15, то М₃=35

Если М₂=25, то M₃=20

Примем:

М₁=10, М₂=25, M₃=20, M₄=36

1.2 Определение максимальной интеграции БИС

Логические элементы в модулях БИС используются со средней эффективностью равной 0,5. При этом эффективность использования структурных элементов по уровням компоновки равно:

для i=1: Э_Э1=0,7

для i=2: Э_Э2=0,8

для i=3: Э_Э3=0,9

для i=4: Э_Э4=1

N_maxmax=N_{maxэффект}/Э_эф=175 000/0.5=350 000 элэ

Вычислим, сведя результаты в таблицу 1.1:

Таблица 1.1

1.3 Определение уровней полупроводниковой технологии () МКМ

1.4 Выбор схемотехники.

Строим БИС на основе схемотехники КМОП. Обоснование выбора схеметехники приведено в п. 3 при расчете энергетических характеристик.

L=10/ (Nmaxmax^0,4) =10/9,0675=0,0799 мкм

Базовыми логическими элементами в КМОП-схемотехнике являются инвертор; логические схемы И-НЕ, ИЛИ-НЕ; тактируемый двунаправленный ключ. Приведем их принципиальные схемы:

логическая схема устройство охлаждение

2. Расчет основных и произвольных компоновочных параметров логической схемы устройства

2.1 Расчет основных (первичных) компоновочных параметров логических схем

Расчет проводим с использованием заданной схемной интеграцией.

Основные компоновочные параметры рассчитываем по формулам системных компоновочных соотношений, приведенных в п. 4 для заданного по условию микропроцессорного принципа компоновки. Результаты сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

3. Расчет энергетических характеристик МКМ

Рассчитаем мощность, потребляемую одним ЛЭ, задержку и напряжение:

Принимаем U^БЛЭ=5 В, тогда

Зная, заданную максимальную эффективную интеграцию и энергетические параметры одного ЛЭ, определим параметры всей БИС:

Анализируя параметры рассеивания мощности для КМОП, ТТЛ и ЭСЛ видно, что Р^ТТЛ и Р^ЭСЛ в 5−20 раз выше, чем P^КМОП, при этом возникает не решаемая проблема отвода тепла. Следовательно, в качестве схемотехники СБИС выбираем КМОП технологию.

Найдем мощность, которая рассеивается при работе кристалла (фактическую мощность):

P_крфакт^СБИС=P^СБИС/C_ск, где

C_ск — скважность, определяемая по формуле

С_ск=T₀/ (_ле*H_k);

Т₀ — время выполнение цикла, нс;

H_k — число каскадов в цикле.

Зная, что T₀=H_k*_с, где _с — системная задержка на одном ЛЭ, то запишем

C_ск=_с/_лэ.

Найдем _с=_лэ+_{св, где}

_лэ — схемная задержка на ЛЭ;

_св — конструктивная задержка на ЛЭ.

В итоге получим

С_ск= (_лэ+_св) /_лэ= (0,09+0,08) /0,09=1,889

Тогда окончательно имеем

P_крфакт=18/1,889=9,5 Вт.

4. Выбор система охлаждения МКМ и обоснование требований к элементам конструкций

Из п. 3 известно:

P_{кр факт}^МКМ = 0,14 Вт.

Для выбора системы охлаждения воспользуемся отношением

P / S [P_S], где

P = P_{кр факт}^МКМ, Вт;

S — площадь корпуса МКМ, см²;

P_S — плотность, Вт / см² (выбирается по специальной таблице в зависимости от вида системы охлаждения).

Выражая отсюда площадь, получим

S P / P_S

В нашем случае имеем корпус с планарными выводами, расположенными равномерно по всем четырем сторонам корпуса с шагом 0,25 мм. Таким образом, площадь корпуса может быть найдена по формуле

S = L_кор²,

где

L_кор — сторона корпуса (корпус квадратный).

Подставляя численные значения получим L_кор =57 мм

Тогда площадь корпуса

S = 5,7² = 32,5 см²

Выберем воздушную систему охлаждения (P_S < 0,2).

32,5 1,25/0,2 32,5 6,25 (выполняется).

Таким образом, для конструкции МКМ не требуется дополнительных элементов, необходимых для обеспечения заданного теплового режима (радиаторов, специальных систем охлаждения и т. д.), так как достаточно естественного охлаждения. Последнее легко достигается за счет большого размера корпуса МКМ и относительно небольшого размера площади кристалла.

5. Описание принципов обеспечения помехоустойчивости конструкции

Обеспечение помехоустойчивости является одним из самых важных факторов при проектировании устройств ВТ.

Для правильного функционирования МКМ недопустимы даже кратковременные искажения информации, т.к. они приводят к ошибкам в конечных результатах и, как следствие, к потерям машинного времени для повторного вычисления. Причиной разного рода искажений являются помехи.

Помехи, как правило, имеют характер кратковременных импульсов. Различают помехи внешние и внутренние. К внешним относятся помехи от промышленной сети электропитания, сильноточных переключателей, атмосферных осадков. Защита от таких помех осуществляется конструктивно на уровне непосредственно ЭВМ (устройства защиты, стабилизаторы), поэтому непосредственно для МКМ их влияние можно не рассматривать.

К внутренним помехам относятся такие помехи, амплитуда и длительность воздействия которых находятся в прямой зависимости от амплитуды и длительности фронтов сигнала ЛЭ. Предотвращение воздействия таких помех есть прямая задача конструирования непосредственного устройства ЭВМ, в нашем случае МКМ. Внутренние помехи обусловлены:

емкостными и индуктивными связями между сигнальными цепями ЛЭ (перекрестные помехи);

наличием общих участков цепи схемной «земли», экранов и цепей питания (кондуктивные помехи);

неполным согласованием цепей связи, колебательных режимов, резонансных явлений и (колебательные помехи).

Обеспечение помехоустойчивости МКМ достигается конструктивными особенностями, среди которых:

одинаковое и достаточное число контактов земли и питания;

правильное распределение контактов питания и земли по отношению к сигнальным контактам на корпусе;

правильный выбор топологии и трассировки цепей питания в кристалле;

правильная компоновка и трассировка логических цепей в кристалле;

правильная развязка цепей питания за пределами корпуса;

Проведем расчет числа контактов питания и земли.

Общее число внешних контактов МКМ может быть рассчитано по формуле:

m_общ^МКМ=m_i+m_E0+m_E1

где: m_i — число внешних связей;

m_E0 — число контактов нулевого потенциала;

m_E1 — число потенциальных контактов.

Так как m_i=m_вхi+m_выхi, при этом m_выхi=m_i/ (K_i+1), где K_i=m_вхi/m_выхi, можно записать для КМОП (m_E0=m_E1=m_выхi/6) следующую формулу:

m_общ^МКМ=m_i+m_i/ (3* (K_i+1))

Подставляя значения из таблицы, получим:

m_общМКМ= 848,53+848,53/ (3* (1+1)) =990 шт

Следует заметить, что часть выводов будет отведена под внутренние соединения (к ОЗУ).

Чтобы избежать наводок со стороны линий питания и земли на логические цепи необходимо равномерно распределить контакты земли и питания по корпусу. Такое размещение представлено на рис.6

Для обеспечения экранировки и простоты топологии цепи питания и земли выполним сплошными отдельными слоями. Расположение логических цепей по отношению к цепям питания и земли определяют два варианта компоновки цепей в кристалле — с открытым и закрытым структурным звеном (см. рис.5). Первый вариант характеризуется лучшим быстродействием, но худшей экранировкой. Второй вариант — наоборот. В силу критерия лучшей помехозащищенности к МКМ выбираем вариант закрытого структурного звена.

Логические цепи компонуются по слоям X и Y, причем между слоями в любых направлениях необходимо ввести экраны (земляные слои). Структура конструкции кристалла строится по принципу структурных звеньев.

Для перехода со слоя на слой используем переходные отверстия с обеспечением максимального КПД.

Также необходимо добавить в структуру кристалла специальные разделительные элементы (конденсаторы р-n структуры) для развязки элементов логической схемы по высокой и низкой частоте.

6. Расчет конструкции коммутационных элементов

6.1 Расчет среднего числа связей в логической цепи

Расчет производим по формулам (5.6), (5.8), (5.9) и сводим в таблицу 6.1

Таблица 6.1

6.2 Расчет средних длин связей и средних длин логических цепей

Произведем расчет средней длины связи и средней длины цепи по формулам (6.7) и (6.8) соответственно. При расчете используем интеграцию схемы N_{maxэффект} и максимальную интеграцию БМК N_maxmax, а также значения функционального объема M_i и M_si соответственно.

Размер кристалла L_кр=5,6 мм, коэффициент k=1/3.

Расчет шага размещения структурных элементов на внутренних уровнях компоновки МКМ ведется исходя из максимального числа элементов на текущем уровне M_si и конечных размерах кристалла.

Результаты сведены в таблицу 6.2:

Таблица 6.2

6.3 Расчет трассировочной способности

Произведем расчет суммарной длины связей, которая определяется отдельно для каждого уровня компоновки (L_свi) по формуле (6.9), а затем суммируются по кристаллу в целом (L_св^кр), при этом для кристалла БИС, суммирование длин связей имеет свои особенности:

L_свi=l_свi*N_свi — для внутренних уровнях МКМ (i=1,2,3)

L_свi=l_свi*N_свi — для внешнего уровня (i=4).

Расчет плотности трасс в кристалле (П_тр^кр) производится по формулам (6.10) и (6.11) с учетом общей суммарной длины связей в кристалле, его площади и эффективности использования трасс равная 0,7.

Результаты расчетов сведены в таблицу 6.3:

Таблица 6.3

Определим трассировочную способность. При расчетах используем ранее рассчитанные значения параметров, а также то, что кристалл СБИС является симметричным (квадратная форма K_Li=1) и внешние контакты расположены равномерно по 4-ым сторонам (C_xi=C_yi=¼).

В процессе расчета воспользуемся формулами (5.9), (6.6), (6.14−6.21), формулами на ст. 102 и расчетной моделью конструкции, представленной в пункте 6.5.

Результаты расчетов сведены в таблицу 6.4:

Таблица 6.4

Так как, в силу симметричности параметры одного направления проводников (X), полностью совпадают со значениями параметров другого направления (Y), то в таблице приведены параметры только для направления (Х).

Определим начальные значения проводников в конструкции кристалла по формулам:

ширина W_пр=a_тр/2,5…3

толщина W_пр=W_пр/8…9

Принимаем значение коэффициентов 3 и 8 соответственно.

Результаты расчетов сведены в таблицу 6.5:

Таблица 6.5

Значения параметров, полученные в результате расчетов, могут уточнятся в процессе конкретного рабочего проектирования.

6.4 Расчет слойности, структуры и выбор числа потенциальных слоев

Число потенциальных слоев зависит от структуры кристалла. Структура кристалла зависит от числа потенциальных слоев.

Определим число потенциальных слоев, зная, что трассировка соединений осуществляется по всем уровням компоновки МКМ, кроме первого, на отдельных слоях металлизации.

Шаг размещения трасс по направлениям Х, У составляет а_{тр x} = а_{тр y} =2,6мкм, тогда на одном слое может быть размещено: 5,6*10^-3/2,6*10^-6=2154 трассы, при этом их средняя длинна равна: 2154*5,6*10^-3=12 м.

Следовательно, анализируя рассчитанные значения и значения, полученные в табл.6.4, окончательно выбираем один слой (по одному направлению Х и У).

Однако, выше нами была выбрана структура кристалла закрытого типа, поэтому для экранирования используем слой питания и земли.

Окончательная структура кристалла имеет вид, представленного на рисунке 7.

7. Выбор и обоснование общей конструкции МКМ

7.1 Расчет числа выводов и определение типа корпуса МКМ

Большое число внешних выводов приводит к необходимости применения корпуса МКМ со штырьковыми выводами.

Для увеличения плотности располагаем выводы в шахматном порядке с шагом 2,5 мм.

При таком расположении выводов площадь кристалла с отступом от слоев займет 153 вывода (9×9 + 8×8 выводов (см. рис.3)). Таким образом, при расчете габаритов корпуса как прямоугольной модели с равномерным расположением выводов, общее число контактов можно определить как 990 + 153 = 1143 выводов.

Определим количество рядов и выводов в них.

Для простоты примем корпус МКМ квадратным, с равным числом выводов по горизонтали и вертикали. Запишем уравнение

x ² + (x — 1) ² = 1143

где

x — число выводов по горизонтали (вертикали).

Решив квадратное уравнение, получаем x25 выводов.

Таким образом, реализуем корпус с 1201 (25×25 + 24×24) выводом и прямоугольным окном под кристалл (минус 153 вывода).

Общий вид такого корпуса представлен на рис. 9.

Габариты корпуса (длину стороны) можно определить по формуле

L_кор = t_В (m_ст — 1) + (1,5−2), где (7.2)

m_ст — число выводов на стороне, шт;

t_В — шаг выводов корпуса, мм.

L_кор = 2,5 (25 — 1) + (1,5−2) = 60+ 2 =62 мм.

Итак, окончательно, получили корпус 57×57 мм со штырьковыми выводами, расположенными в шахматном порядке с шагом 2,5 мм. Количество выводов 990 шт.

Для квадратного симметричного корпуса необходимо выполнить маркировку первого вывода, что бы обеспечить правильную установку МКМ в разъемный соединитель. Маркировку можно осуществить краской или введение конструктивных элементов (выступов, фасок). Т.к. в качестве маркировки в современных процессорах используется принцип введения фасок или выступов, мы тоже будем маркировать наш корпус таким методом, тем более он обеспечивает более удобный и технологически простой процесс производства.

Выводы делаем круглого сечения для простоты изготовления и контактирования. Диаметр выводов принимаем равным 0,5 мм, что, с одной стороны, позволит обеспечит необходимую жесткость для правильного контактирования, а с другой стороны, позволит реализовать гнездо в разъемном соединителе.

В качестве материала для изготовления корпуса используем керамику, которая дает возможность выполнить разводку выводов кристалла, а также обеспечивает, заданные в задание механические и тепловые характеристики.

7.2 Крепление кристалла в корпусе

Установка кристалла в корпус можно осуществить на клей марки ВК-32−2000 с последующей распайкой контактных площадок кристалла на соответствующие выводы корпуса, с применением микропроволоки и использованием автоматизированных средств.

7.3 Герметизация корпуса

МКМ подвергается воздействию внешней агрессивной среды, которая может существенно снизить рабочие характеристики. Для предотвращения этого используют герметизацию корпуса, а именно запрессовку выводов, и запайки крышки, последующей откачкой воздуха.

8. Расчет параметров системного и функционального быстродействия МКМ

Для определений значений схемной задержки (_лэ) и входного сопротивления (R_вых) ЛЭ типа КМОП используем эмпирические соотношения, полученные на основе «принципа масштабирования» :

_лэ=0,188*^0,91; R_вых=1200*^0,91, где в мкм, _лэ в нс, R_вых в Ом.

Результаты сведем в таблицу 8.1:

Таблица 8.1

Конструктивная задержка ЛЭ по уровням компоновки (_свi) определялась по формуле (7.16) главы 7 по схеме, представленной на стр. 105.

Все цепи кристалла рассматривались применительно к КМОП — элементам как RC — цепи и время задержки сигнала в них (t_цi) определялась по формуле (7.20), где средняя длинна логической цепи рассчитывается по формуле (6.8).

При расчете задержки сигнала в логических цепях учитывались ограничения на топологические нормы проектирования МКМ, Исходные данные для получения которых были получены в п. 6.4.

W_пр 1,5*, получим 1,17 1,5*0,45, т. е.1,17 0,675 (верно)

h_пр 0,2*, получим 0,15 0,2*0,45, т. е.0,15 0,09 (верно) Результаты расчетов параметров системного быстродействия представлены в таблице 8.2:

Таблица 8.2

9. Выбор и обоснование технических решений по конструкции разъемного соединителя для МКМ

Условие монтажа в конструктивном модуле более высокого уровня является разъемный принцип установки. Вследствие того, что наш МКМ имеет большое количество контактов, для этих целей уместно применить разъемный соединитель с нулевым усилием сочленения (НУС соединитель). Он позволяет без усилия вставить МКМ, при этом обеспечивает надежное фиксирование МКМ в разъеме, после применения фиксатора.

Одним из важным элементом конструкции соединителя является контактная пара, которая состоит из двух частей — штыря и гнезда. У нас штырь — вывод, а гнездо — отверстие в НУС соединителе.

Контактная пара характеризуется требованиями высокой надежности соединения при воздействии допустимых механических и климатических воздействий. Этот параметр зависит от: способа контактирования, материалов контактной пары и их покрытий, точности изготовления и частоты обработки, величины контактного усилия.

Помимо параметров надежности контактная пара характеризуется переходным сопротивлением (0,01−0,02 Ом), максимальным рабочим током, нестабильности переходного сопротивления (20−30%), максимальной частотой тока, усилием соединения и разъединения контактов, износоустойчивостью и допустимым условиям эксплуатации.

НУС соединитель имеет число контактов, равное числу выводов МКМ, и включает в себя так же ключ, необходимый для правильного соединения с МКМ, а также нумерацию контактов для правильной установки на МПП.

10. Технологическая часть

Технология производства МКМ представляет собой результат развития технологии изготовления БИС, однако, в связи с увеличением степени интеграции и уменьшением размеров рисунка, необходимо обеспечить более высокую точность обработки.

В общем случае технологический процесс изготовления МКМ можно разделить на две составные части:

Технологический процесс изготовления коммутационного элемента конструкции (кристалла)

Технологический процесс сборки МКМ (безкорпусирование)

Технологический процесс изготовления кристалла МКМ включает в себя:

экспонирование

формирование рисунка

изготовление шаблонов

травление

диффузии

имплантации ионов

химическое осаждение из газовой фазы

термическое окисление.

Достижение высокой точности обработки сопряжено с решением сложных технических проблем. Точность горизонтальной структуры МКМ определяется точностью формирования рисунка на слое резиста в процессе экспонирования, совмещения слоев, а также точностью диффузии и травления. Точность вертикальной структуры определяется точностью изготовления пленок методом химического осаждения из газовой фазы, а также точностью определения глубины травления и процесса диффузии.

Технологический процесс сборки МКМ включает в себя:

крепление коммутационного элемента на керамическое основание корпуса

распайка микропроволокой соответствующих контактов кристалла на контактные площадки керамической подложки

очистка паяных соединений и внутренних частей МКМ

герметизация корпуса МКМ с откачкой воздуха из внутренних частей корпуса

маркировка МКМ

окончательный контроль

Заключение

В данной курсовой работе была выполнена разработка МКМ с интеграцией 125 000 ЭЛЭ. Полученная на этапе проектирования МКМ удовлетворяет всем условиям заданным в ТЗ, что делает ее актуальной для использования в настоящие время.

1. Микитин В. М., Смирнов Н. А., Тювин Ю. Д. Электронное конструирование ЭВМ. Основы компоновки и расчета параметров конструкций: Учебное пособие / Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет). — М.: 2000.

2. Основы построения технических средств ЕС ЭВМ на интегральных микросхемах / В. В. Саморуков, В. М. Микитин, В. А. Павлычев и др. под общей редакцией Б. Н. Файзулаева. — М.: Радио и связь, 1981.

3. Преснухин Л. Н., Шахнов В. А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. Учеб. для втузов по спец. «ЭВМ» и «Конструирование и производство ЭВА». — М.: Высш. шк., 1986.

4. Савельев А. Я., Овчинников В. А. Конструирование ЭВМ и систем: Учеб. для вузов по спец. «Выч. маш., компл., сист. и сети» .2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1989.

5. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике: Справочник / Р. В. Данилов, С. А. Ельцова, Ю. П. Иванов, В. М. Микитин и др.; Под ред. Б. Н. Файзулаева, Б. В. Тарабрина. — М.: Радио и связь, 1987.

6. Таруи Я. Основы технологии СБИС: пер. с япон. — М.: Радио и связь, 1985.