Глава 6. Коммутационные элементы многоуровневых конструкций устройств эвм и методы расчета их параметров

6.1. Характеристика основных положений по конструкции

Понятие “многоуровневая конструкция” устройства (или средства) ВТ с точки зрения терминологии является в некотором смысле новым и отражает, главным образом, наличие в своем составе ряда конструктивных и компоновочных уровней. По существу, все конструкции электронных устройств ВТ (кроме ИС малой степени интеграции) являются многоуровневыми по своей структуре и компоновке. Наличие ряда компоновочных уровней в конструкции является спецификой расчета ее параметров, при котором характеристики последующего (более высокого) уровня компоновки и конструкции зависят от аналогичных характеристик предыдущих уровней. Эта зависимость наглядно отражена в приведенных выше видах системных соотношений, отражающих сквозную принципиальную взаимосвязь компоновочных параметров в логической схеме устройства (или, что то же самое, взаимосвязь схемных параметров в конструкции этого устройства) по всем уровням компоновки.

Вместе с тем, многоуровневая конструкция любого устройства на каждом конструктивном уровне содержит в своей основе специальный коммутационный элемент, предназначенный, главным образом, для размещения всех его электрических межсоединений (логических связей и цепей). Такие коммутационные элементы в зависимости от назначения и ранга уровня существенно отличаются друг от друга, как по своей конструкции, так и по технологии их изготовления. Однако методика расчета их основных параметров является единой.

К основным коммутационным элементам многоуровневых конструкций устройств относятся: базовые матричные кристаллы БИС и СБИС, многоуровневые (многослойные) подложки многокристальных модулей (МКМ), а также многослойные печатные платы (МПП) функциональных узлов, блоков и устройств в целом. Ниже изложены основные правила общей методики расчета ряда наиболее важных параметров конструкций таких коммутационных элементов.

6.2. Методика расчета средней длины связи

Данной методикой устанавливается правило расчета средней длины связи в конструкции коммутационного элемента устройства на любом i‑м уровне его компоновки, учитывающая оптимизацию процессов трассировки соединений и размещения элементов. Такая методика разработана и приведена в работе [17]. Особенность этой методики заключается в том, что изначально средняя длина неоптимизированной связи (l’_свi) в конструкции коммутационного элемента определяется простой формулой, имеющей вид:

, (6.1)

где L_xi, L_yi – линейные размеры трассировочной зоны в конструкции коммутационного элемента по осям X и Y соответственно.

Формула (6.1) отражает особенность используемой при выводе исходной компоновочной модели логической схемы, в которой все элементы схемы равномерно расположены на коммутационном основании и связаны друг с другом простыми однозвенными цепями по принципу “каждый с каждым”. Это означает, что при любом размещении элементов в такой модели средняя длина связи остается неизменной.

В реальных конструкциях коммутационных элементов имеют место существенные отличия от исходной модели. Они характеризуются тем, что в реальных логических схемах наравне с однозвенными присутствует большое количество многозвенных (многосвязных) цепей и не каждый элемент схемы соединен друг с другом. Это существенно влияет на величину средней длины связи, т.к. в результате нарушения используемых в исходной модели условий появляется возможность оптимизировать как трассировку многозвенных цепей, так и размещения элементов с целью сокращения длин связей и цепей, повышения их “быстродействия” и технологической реализуемости в конструкциях коммутационных элементов на каждом из уровней компоновки устройства.

Согласно методике расчета средней длины оптимизированной связи (l_свi) фактор оптимизации процессов трассировки цепей и размещения элементов (по отношению к l’_свi исходной модели) учитывается специальным коэффициентом оптимизации K_оптi, который определяется как:

. (6.2)

Здесь:

K_тi – коэффициент оптимизации трассировки соединений в конструкции коммутационного элемента на i‑м уровне компоновки, значение которого определяется выражением:

; (6.3)

K_рi – коэффициент оптимизации размещения элементов в конструкции коммутационного элемента на i‑м уровне компоновки, значение которого определяется выражением:

, (6.4)

где:

M_si – общее число типовых посадочных мест под схемные элементы в конструкции коммутационного основания на i‑м уровне компоновки с учетом условия: M_si > M_i;

k – коэффициент, характеризующий уровень (или качество) оптимизации размещения элементов (имеется в виду уровень оптимизации размещения по отношению к исходной модели, где K_рi = 1).

Значение коэффициента k в принципе может изменяться в широком диапазоне значений, а именно, от k = 0, при котором оптимизация размещения элементов полностью отсутствует, до k = 1/2, когда имеет место идеальная оптимизация размещения, при которой средняя длина связи практически равна шагу размещения элементов. Однако, применительно к существующим программным средствам размещения (независимо от уровня компоновки устройства) значение коэффициента k рекомендуется принимать равным k = 1/3.

Таким образом, в общем случае правило расчета оптимизированной средней длины связи в коммутационном элементе многоуровневой конструкции устройства на любом i‑м уровне компоновки с учетом факторов оптимизации представляется выражением:

, (6.5)

где , (6.6)

Применительно к частному случаю конструкции коммутационного элемента, характеризующегося симметричной трассировочной зоной (т.е. L_xi = L_yi = L_i) и единым шагом размещения элементов “а_i” в направлении X и Y (т.е. a_xi = a_yi = a_i), средняя длина связи определяется как:

, (6.7)

Выражение (6.7) наиболее целесообразно использовать при исследовании влияния степени интеграции и шага размещения логических и функциональных элементов (ЛЭ и ФЭ) на длины связей и цепей и их быстродействие в кристаллах современных БИС и СБИС, рассматривая это влияние как один из главных факторов воздействия на уровень микроэлектронной технологии.