Обеспечение целостности сигналов при разработке современных вычислительных устройств

• Автор: Воробушков, Василий Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 163 с. : ил.

Содержание
Введение

Актуальность работы.

Цель исследования.

Научная новизна работы.

Результаты, выносимые на защиту

Практическая ценность

Личный вклад автора

Апробация

Публикации по теме диссертации.

Глава 1 Система обеспечения целостности сигналов в вычислительном устройстве1

1.1 Применение САПР для решения задач обеспечения ЦС
1.2 Решение задачи обеспечения целостности сигналов в маршруте проектирования вычислительного устройства
1.2.1 Физический анализ
1.2.2 Кохмпьюгерное моделирование
1.2.3 Экспериментальный анализ.
1.2.3.1 Внесение помех в сигнальные цепи.
1.2.3.2 Измерение динамических характеристик потребления СБИС
1.2.3.3 Определение окна устойчивого захвата сигналов на шине
1.2.4 Инженерные испытания.
1.2.5 Техническая библиотека методик обеспечения ЦС
1.3 Выводы.
Глава 2 Обеспечение целостности сигналов в многослойных печатных платах .
2.1 Взаимное влияние сигнальных цепей в МПП
2.1.1 Возникновение перекрестных помех вследствие разрезания слоя электропитания
2.1.2 Моделирование влияния разреза в слое электропитания.
2.1.3 Передача сигналов через разъем
2.1.4 Помехи, наводимые на слой электропитания
2.1.5 Переход сигнала между слоями МПП
2.1.6 Рекомендации к проектированию.
2.2 Обеспечение стабильности системы электропитания.
2.2.1 Внутренние источники пульсаций
2.2.2 Фильтрующий конденсатор.
2.2.3 Многоуровневая фильтрация пульсаций в системе электропитания.
2.2.3.1 Пульсации внутри СБИС.
2.2.3.2 ВЧ пульсации
2.2.3.3 СЧ пульсации
2.2.3.4 НЧ пульсации
2.2.4 Падение напряжения по постоянному току
2.2.4.1 Реакция ШИМ источника электропитания на изменение нагрузки
2.2.4.2 Падение напряжение на полигонах электропитания
2.2.5 Методы подключения конденсаторов
2.2.6 Оценка необходимого количества развязывающих конденсаторов
2.2.6.1 Развязывающие конденсаторы в вычислительных модулях
2.2.6.2 Развязывающие конденсаторы в коммутационных панелях
2.2.7 Эффекты, создаваемые искажениями в системе электропитания .
2.2.8 Реализация аналогового питания и земли
2.2.8.1 Реализация аналогового питания
2.2.8.2 Реализация аналоговой земли.
2.2.9 Корпусная земля.
2.2. Рекомендации к проектированию.
2.3 Выводы.
Глава 3 Обеспечение целостности сигналов на уровне подложки микропроцессора
3.1 Корпусирование первых микропроцессоров.
3.2 Топология системы электропитания подложки микропроцессора
3.3 Взаимное расположение выводов микросхемы.
3.4 Эффект .
3.5 Использование сокета.
3.6 Цепи аналогового питания.
3.7 Моделирование перекрестных помех в подложке микропроцессора
3.8 Проблемы ЦС в подложках микропроцессоров и Эльбрус первых итераций.
3.8.1 Структура слоев.
3.8.2 Топология системы электропитания и взаимное расположение выводов
3.8.3 Перекрестные помехи и эффект
3.8.4 Питание ФАПЧ
3.8.5 Использование сокета
3.9 Обеспечение ЦС в подложках микропроцессоров Эльбрус и 0
3.9.1 Улучшенная цоколевка микропроцессоров Эльбрус и
3.9.2 Топология цепей электропитания.
3.9.3 Использование сокета.
3.9.4 Результаты внедрения новых требований к реализации подложки микропроцессоров.
3. Методы повышения стабильности системы электропитания на уровне подложки микропроцессора.
Опыт предыдущих разработок
Образование пульсаций в системе электропитания микропроцессора
.1 Пульсации в системе электропитания периферии микропроцессора
.2 Пульсации в системе электропитания ядра микропроцессора
Специфика формирования стабильной системы электропитания микропроцессора ЭльбрусБ
Моделирование системы электропитания микропроцессора Эльбрус
Исследование эффективности методов подавления пульсации в подложке микропроцессора.
3. Выводы.
Глава 4 Инженерные испытания
4.1 Воздействие расширенного диапазона температур и питающих
напряжений
4.2 Воздействие внешних помех повышенной амплитуды
4.3 Воздействие изменения фаз стробирующих сигналов.
4.4 Выводы
Заключение
Приложение 1. Выдержки из протоколов государственных испытания
вычислительных систем, разработанных в компании ЗАО МЦСТ
Список литературы


На основе теоретических и экспериментальных исследований, инженерного проектного опыта создана система обеспечения целостности сигналов при проектировании устройств на базе современных высокопроизводительных микропроцессоров. Предложены и опробованы технические решения для проектирования подложки мощных высокопроизводительных микропроцессоров с многоразрядными каналами вводавывода по технологии ii. Сформирована и внедрена система инженерных испытаний вычислительных устройств при экстремальных условиях, позволяющая определить и устранить дефекты в обеспечении целостности сигналов, не выявленные в процессе теоретических и экспериментальных исследований. Разработана и внедрена техническая библиотека методов и средств обеспечения целостности сигналов, позволяющая учитывать требования ЦС во всем маршруте проектирования высокопроизводительных вычислительных устройств. Результаты исследований, выполненных по теме диссертации, нашли применение в разработках компании ЗАО МЦСТ и ОАО ИНЭУМ им. И.С. Брука. Будучи использованы при проектировании вычислительных модулей на базе микропроцессоров Эльбрус, Эльбрус, МЦСТЪ, Кубик, они позволили достичь высокого уровня устойчивости и производительности, обеспечивая при этом реализацию заданных функциональных требований. Их применение существенно сократило время и ресурсы на наладку и проведение дополнительных итераций изготовления опытных образцов устройств вычислительных систем. МВЗСЗС, МВСС,. МВСС, МВС4РС, М1КУБ, М2КУБ, КУБСТ, Е2СЯС, Е2СКС. Требования и методы, сформулированные в технической библиотеке, включены в технологический процесс проектирования печатных плат, СБИС, вычислительных модулей и систем в компаниях ЗАО МЦСТ и ОАО ИНЭУМ им. И.С. Брука. Постановка задачи выполнена совместно с научным руководителем. Рассматриваемые в диссертации вычислительные системы и модули спроектированы коллективом разработчиков компании ЗАО МЦСТ и ОАО ИНЭУМ им. И.С. Брука при участии автора. Панель ПЭЗМ1 и модули МВ1С МВС4С, рассматриваемые в данной диссертации разработаны автором, модули МВЗМ1С, МВЗМ2С, МВЗБ2С разработаны под руководством автора. Автор принял участие в наладке, испытании и экспериментальных исследованиях большинства рассмотренных средств вычислительной техники. Автор выполнил теоретические и экспериментальные исследования, на основе которых сформулированы соответствующие научные положения, рекомендации и выводы. Автором разработаны методики обеспечения целостности сигналов в многослойных печатных платах и предложены технические решения для проектирования подложек микропроцессоров с учетом ЦС. Автором предложена система инженерных испытаний и создана техническая библиотека методов и средств обеспечения целостности сигналов. Воробушков В. В., Николаев И. А., Шмаев В. Б. Проекгирование вычислительных систем на основе микропроцессоров Эльбрус, я научная конференция МФТИ, МоскваДолгопрудный, ноябрь . Воробушков В. В. Моделирование целостности земли и питания в быстродействующих цифровых системах. МФТИ, МоскваДолгопрудный, ноябрь . Воробушков В. В. Проектирование системной панели для вычислительного комплекса ЭльбрусЗМ1. Научнотехническая конференция войсковой части 5, Москва, декабрь . Воробушков В. В., Рябцев Ю. ЭльбрусЗМ1. Научная сессия МИФИ, Москва, январь . Воробушков В. В. Рябцев Ю. С. Использование развязывающих конденсаторов на подложке микропроцессора ЭльбрусС, я научная конференция МФТИ, МоскваДолгопрудный, ноябрь
6. Воробушков В. В. Рябцев Ю. Воробушков В. В., Николаев И. А., Шмаев В. Воробушков В. В. Моделирование целостности земли и питания в быстродействующих цифровых системах Сборник научных трудов й научная конференция МФТИ, МоскваДолгопрудный, ноябрь . Воробушков В. В., Шмаев В. Б. Проблемы проектирования вычислительных комплексов на базе микропроцессора Эльбрус. Воробушков В. В., Рябцев Ю. С. Опыт проектирования системных панелей вычислительного комплекса ЭльбрусЗМ1. Научная сессия МИФИ. Аннотации докладов, Москва, январь . Воробушков В. В. Рябцев Ю. Воробушков В. В., Рябцев Ю. С., Тимофеев В. К. Особенности разработки топологии системы питания в многослойных печатных платах современных вычислительных устройств. Воробушков В. В., Рябцев Ю.