Проектирование корпуса микропроцессора «Эльбрус – 2S»

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

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.

Маршрут проектирования

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).

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-ku
E2S

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

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

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.

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.

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

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

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

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.