2012 г о д. Московский физико-технический институт Выпускная квалификационная работа Выполнил: Тихонов В.В. Научный руководитель: Бычков И.Н. Проектирование. - презентация

1 2012 г о д. Московский физико-технический институт Выпускная квалификационная работа Выполнил: Тихонов В.В. Научный руководитель: Бычков И.Н. Проектирование корпуса микропроцессора «Эльбрус – 2S»

2 Цель работы Разработка корпуса для микропроцессора «Эльбрус-2S» с принятием оптимальных решений по: 1) матрице выводов корпуса микросхемы, 2) выбору структур ы слоев и материалов коммутационной платы, 3) планированию периферии кристалла и трассировки уходом, 4) точной топологической трассировке.

3 Специфика проектирования Наличие ограничений, связанных с бюджетом малой серии микросхем, до пяти тысяч: - Использование самых распространенных полимерных материалов. - Невозможность выбора корпуса типа FC LGA с ключом позиционирования в сокете. - Невозможность задания в корпусе типа FC BGA пустых позиций без шариковых выводов. - Невозможность использования прямоугольной размерности матрицы выводов. Использование технологии Flip-chip.

4 Маршрут проектирования

5 Подбор оптимальной матрицы выводов Выбор размера корпуса. Критерии выбора: - Размеры кристалла (19x20, мм). - Количество сигнальных выводов. (1676-выводов периферии) - Количество выводов для эффективного подключения различных номиналов питаний; проведен предварительный подсчет потребляемой мощности. (по ~138 выводов GND/PWR_1V0, по ~60 выводов GND_1V5/PWR_1V5 ) На основании приведенных критериев выбран размер корпуса (40x40).

6 Принципы подбора матрицы выводов Сигнальные выводы памяти: - Изменено размещение каналов памяти в сторону их расположения вдоль периферии корпуса; позволяет трассировать каждого канала на плате и в корпусе в одном слое. Решение позволяет: -Снизить количество требуемых слоев металлизации, что уменьшает стоимость. -Увеличить надежность передачи данных т.к. все сигналы распространяются в одинаковой среде. Kubik-kuE2S

7 Выводы межпроцессорных линков и линков ввода/вывода: -Предусмотрено расположение межпроцессорных линков для соединения четырех процессоров в единую систему. -Линки ввода/вывода расположены вместе. Решение позволяет: - Создать все требуемые линии связей всего в четыре слоях металлизации. - Повысить надежность линков ввода/вывода. Принципы подбора матрицы выводов IPLinks A,B IOLinks 0,1 IPLink C

8 Opteron 6100, AMD PWR_1V0, E2S Выводы питания кристалла: - Проанализированы матрицы выводов зарубежных фирм. - На основании этого анализа добавлены периферийные выводы для земли/питания. Решение позволяет: -Уменьшить сопротивление плейнов питания. Так как на периферии корпуса эти плейны сильно «продырявлены» переходными отверстиями других сигналов. Как следствие система ведет себя лучше при падении напряжения. Принципы подбора матрицы выводов

9 Планирование периферии кристалла Выполнено согласование возможного расположения отдельных частей каналов памяти, межпроцессорных линков, линков ввода/вывода и др. Итерационно определялась возможность разводки при данном расположении выводов кристалла. -Для облегчения этой задачи выполнялась трассировка уходом и, в дальнейшем, топологическая трассировка. Пример трассировки уходом.

10 Разработка коммутационной платы корпуса Планирование секторов питания по слоям коммутационной платы Решена проблема Cross talk-ов между каналами памяти: Критерии планирования: - Недопустимо расположения сигналов на двух смежных слоях. - Каждый канал памяти должен быть окружен «reference» слоем. Слой Каналы памяти Ввод/выво дЯдро Межпроц. каналы 1 кп1кв1,2,3п/зкм1,2,3 2 з1з2зз3 3 кп2кв1,2,3з4,5км1,2,3 4 п1п2п4,5п3 5 п/з 6 з1з2зз3 7 кп3кв1,2,3 з4,5 км1,2,3 8 п1п2 п4,5 п3 9 питание ядра(п) 10 выводы корпуса /земля ядра(з)

11 Решалась проблема падения напряжения при включении микропроцессора: - Выделен верхний слой (находящийся над слоем жесткости) для подключения на нем высокочастотных конденсаторов. Такое подключение эффективно т.к. в цепи подключения нет механического переходного отверстия через слой жесткости, имеющего большую индуктивность. Планирование секторов питания по слоям коммутационной платы

12 Анализ топологической трассировки и корректности реализации шин питания и земли Устранялись недочеты предварительного планирования трассировки: - Изменение расположения отдельных частей каналов памяти. Улучшалось подключение питания: - Изменение трассировка уходом, для удаления разрывов в шинах земли питания. - Дублирование соединений, для обеспечения требований по токам. Пример разрыва в подключении питания из-за неправильно выполненной трассировки уходом

13 Выбрана допустимая ширина трасс (25, 30 мкм – внешний слой; 20 мкм – внутренний слой), для выполнения требования по волновому сопротивлению (согласование на 50 Ом). Выполнена точная топологическая трассировка -Сигнальные линии максимально удаляются друг от друга. -Подключаются все конденсаторы; в случае неэффективного подключения конденсатор либо убирается, либо переносится на другой номинал питания. - Выполняется проверка выполнения правил проектирования (DRC). Выполнение точной топологической трассировки Пример точной топологической трассировки

14 Результаты - Выбрана квадратная матрица выводов и назначены выводы микросхемы с учетом топологии вычислительного модуля. -Составлен детальный план секторов на слоях коммутационной платы и созданы соответствующие плоскости металлизации для шин питания и земли. -Проведено планирование периферии кристалла, выполнена трассировка уходом и топологическая трассировка. -Проведен анализ трассировки уходом, топологической трассировки, динамики токов потребления, корректности реализации шин питания и земли.

15