# Архитектура компьютера ## Лекция 5 ## Особенности производства аппаратуры Пенской А.В., 2025 ---- ## План лекции - Особенности производства вычислительной техники - Монтаж радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) - Навесной монтаж - Монтаж на печатную плату - Интегральные схемы. Кремниевое производство - Проблемы аппаратуры - Двухэтапное производство --- ## Особенности производства аппаратного обеспечения Задача производства: превратить документацию в изделие *Disclaimer*: - только о радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) - я не занимаюсь производством и проектированием РЭА - обзор не претендует на полноту - назначение раздела: сформировать поверхностное представление - откуда взялась "производственная документация" — неважно --- ## Монтаж радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) Ключевые тенденции: - рост уровня интеграции - снижение затрат на производство изделия - усложнение производственной цепочки ---- ### Навесной монтаж <div class="row"><div class="col"> Способ монтажа электронных схем, при котором расположенные на изолирующем шасси радиоэлементы соединяются друг с другом проводами или непосредственно выводами. </div><div class="col">  </div></div> ---- <div class="row"><div class="col"> Достоинства: - простота производства - простота подготовки производства - гибкость <br/> (если не "залить компаундом") Недостатки: - сложность автоматизации, дорого в серии - надёжность <br/> (если не "залить компаундом") - плотность ограничена прямотой рук монтажника </div><div class="col"> На макетной плате:  </div></div> ---- ### Монтаж на печатную плату <div class="row"><div class="col"> **Печатная плата** — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Электрическое и механическое соединение компонентов. Различают: - одно- и двухслойные платы, - многослойные платы. </div><div class="col">   </div></div> ---- <div class="row"><div class="col"> ### Виды монтажа компонентов - выводной (в отверстие) - поверхностный - встроенный (будет дальше) </div><div class="col">  <!-- .element: height="200px" --> </div></div>  ---- #### Поверхностный монтаж (SMD) <br/> Surface-mount technology (SMT) <div class="row"><div class="col">  </div><div class="col">  Fan-out Wafer-Level Packaging </div></div> Notes: <https://tech-e.ru/2011_02_4.php> ---- ##### Виды SMD компонентов <div class="row"><div class="col">  </div><div class="col">  Ball Grid Array (BGA) </div></div> ---- ##### Встроенные компоненты   ---- ##### Поверхностный монтаж: Достоинства - автоматизация - плотность размещения компонент - размеры - стоимость в серии ##### Поверхностный монтаж: Недостатки - необходимость подготовки производства - удлинение производственной цепочки - сложность внесения исправлений ##### Поверхностный монтаж: "Гибкость" - джампер (by design) - "перерезать дорожку" - "навесная дорожка" ---- ### Производственная цепочка для поверхностного монтажа  --- ### *Вопрос*: Проблема разбега <br/> в двоированной системе <div class="row"><div class="col">  </div><div class="col"> `P1` и `P2` — идентичные процессоры, с идентичным ПО, с единым тактовым сигналом. `comparator` — сравнивает результат работы `P1` и `P2` и, в случае ошибки, — аварийная перезагрузка. Почему процессоры могут регулярно выдавать разные значения? </div></div> ---- Что не так с этой платой?  Выравнивание длины линий на плате. <!-- .element: class="fragment" --> --- ## Интегральные схемы. <br/> Кремниевое производство  <!-- .element: height="320px" -->  <!-- .element: height="320px" --> [источник 1](https://habr.com/ru/company/intel/blog/110234/) | [источник 2](https://www.slideshare.net/priyankabisarya/priyanka-edited2?next_slideshow=33881038) ---- ### Кремниевый песок Начало производственной цепочки  ---- ### Выращиваем монокристалл кремния (буля) <div class="row"><div class="col">  </div><div class="col">  </div></div> ---- ### Производим подложку будущих чипов (Wafer) <div class="row"><div class="col">  </div><div class="col">  </div></div> ---- ### Фотолитография и "море" транзисторов <div class="row"><div class="col"> "свет-шаблон-фоторезист" - На кремниевую подложку наносят материал для рисунка. - Наносится фоторезист. - Экспонирование через фотошаблон. - Удаление отработанного фоторезиста. </div><div class="col">  </div></div> ---- ### Interconnect  ---- ### Структура чипа в разрезе  ---- ### Извлечение будущих чипов  ---- ### Корпус и контакты <div class="row"><div class="col">  </div><div class="col">  </div></div> --- ### Современный степпер <br/> (засветка фотошаблона) <div class="row"><div class="col"> [источник](https://habr.com/ru/company/dcmiran/blog/490682/)   </div><div class="col"> <div>  ~ 180 тонн, ~ двухэтажный автобус </div> <!-- .element: class="fragment" --> </div></div> ---- "Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 000 капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров, как показано на [видео](https://www.youtube.com/watch?v=aR-4AH6n_w8&list=PLLROOWd6snSJjAHlf9YvdjSF7DGxMDJsD&index=1&ab_channel=ASML)."  <!-- .element: height="250px" --> ---- ### О надёжности кремниевого производства - Разные частоты процессоров - Core Single, Core Duo, Core Quad... - Intel Pentium Celeron --- ## Реальный мир это плохо  ---- ### Производство <div class="row"><div class="col"> 1. Логистика 2. Склады 3. Специалисты 4. Производственная цепочка 5. Тестирование 6. Упаковка 7. Дистрибуция 8. Гарантийный ремонт </div><div class="col">  </div></div> ---- ### Эксплуатация - Амортизация. Выход оборудования из строя. - Необходимость физического доступа. - Особенности среды эксплуатации. - Долгосрочные эффекты (см. следующие слайды). ---- #### Оловянные нитевидные кристаллы <br/> в электронной технике  <!-- .element: height="230px" -->  <!-- .element: height="230px" -->  <!-- .element: height="230px" -->  <!-- .element: height="230px" -->  <!-- .element: height="230px" --> [источник](https://alex-avr2.livejournal.com/211190.html) ---- ### Поддержка #### Отладка и Восстановление  <!-- .element: height="280px" -->  <!-- .element: height="280px" -->  <!-- .element: height="280px" -->  <!-- .element: height="280px" --> ---- ### Обновление: сложность изменений <div class="row"><div class="col"> 1. Чем совершеннее технология, тем сложнее внести изменения. - Навесной монтаж: перерезал один провод, припаял другой. - Непредусмотренное изменение в процессоре <br/> $\rightarrow$ перепроектирование <br/> $\rightarrow$ перепроизводство <br/> $\rightarrow$ перепоставка. 2. Физический контакт. - дорого; - не всегда возможно; - [Почему управление одним реле с помощью ARM-процессора — это нормально?](https://alex-avr2.livejournal.com/177508.html) </div><div class="col">  *Примечание*: речь о применении "патча", а не о его разработке. </div></div> ---- ### Почему сложность изменений <br/> это иногда хорошо? <div class="row"><div class="col"> 1. Безопасность. - Вирус не может проникнуть в то, что нельзя инфицировать. - Запрет на запись в память делает её частью аппаратуры. - Ошибки в аппаратуре (см. доклады про делитель в Intel, "надёжный" умный замок). 2. Культура разработки. Средства и технологии верификации (в том числе формальные). ```text - Как вам удалось написать код без ошибок?   - спросил программист. - А что, можно было делать ошибки?   - ответил электронщик. ``` </div><div class="col">  </div></div> ---- #### Обслуживание стареющей аппаратуры 1. Срок службы. Деградация надёжности. Стоимость обслуживания. 1. Ремонт требует запасных компонентов. - Дорогое хранение. - Конечный запас. 1. Воспроизведение: - Вытеснение устаревшей элементной базы. - Устаревшую элементную базу дорого производить. - Низкий спрос. Штучное производство. - Барахолки. 1. Вывод из эксплуатации сопутствующего оборудования: - CD-ROM в компьютерах не устанавливается. - 2.5 дискеты больше не производят. ---- ### Варианты замены устаревшей аппаратуры <div class="row"><div class="col"> 1. Перепроектирование на новой элементной базе. 2. Модульная организация. Стандартные интерфейсы. Имитация старых систем. 3. Виртуализация. 4. Проблема пользовательского опыта: компьютер 80-ых позволяет внести запись в БД, пока современный только загружается. </div><div class="col">  Парадокс Тесея. </div></div> --- ## Дизайн-центр ЛМТ  <!-- .element: height="250px" -->  <!-- .element: height="250px" -->  <!-- .element: height="250px" -->  <!-- .element: height="250px" -->  <!-- .element: height="250px" -->  <!-- .element: height="250px" --> Экскурсия --- Как решаем проблему? ---- ## 2-этапное производство 1. Производство "универсальной" компьютерной системы (Hardware). 2. Настройка прикладного поведения (Software). <div class="row"><div class="col">  Platform-Based Design </div><div class="col"> Уточнения для схемы: - $\uparrow$ схема конфигурации или язык описания прикл. поведения. - $\updownarrow$ экземпляр сконфигурированной компьютерной системы. - $\downarrow$ экземпляр "универсальной" компьютерной системы. </div></div> Количество этапов в современном компьютере почти произвольно. ---- ## Как обеспечить 2-этапное производство? Возможности "конфигурирования" определены заранее: - заложенные при проектировании, - незадокументированные (нецелевое использование, дыра в безопасности). Метод "конфигурирования" зависит от стадии жизненного цикла. --- ### Сборка. Комплектация  <!-- .element: height="180px" -->  <!-- .element: height="180px" -->  <!-- .element: height="180px" -->  <!-- .element: height="180px" --> 1. Джамперы 1. Платы расширения: - предоставление специализированных вычислителей под конкретные задачи, - расширение портов ввода/вывода, включая обработку данных, - вынесение произвольных элементов аппаратуры во внешний модуль (Dendy, память программ и графическая память). 1. Макетные платы (см. поверхностный монтаж) ---- ### Реконфигурация. Коммутация  <!-- .element: height="220px" -->  <!-- .element: height="220px" --> <dl> <dt> Реконфигурируемые (адаптивные) архитектуры </dt> <dd> архитектуры, обеспечивающие более быстрые и эффективные вычисления за счет перепрограммируемых интегральных схем для обработки данных и задач управления. Коммутация выч. узлов выполняется после производства. </dd> </dl> - программируемые логические интегр. схемы (ПЛИС, FPGA), - крупногранулярные реконфигурируемые массивы (CGRA), - выстраивание людей для расчёта таблиц. ---- ### Программирование. Настройки. Пользовательское программирование - Данные (программы) определяют то, какой прикладной процесс будет разворачиваться. - Количество уровней исполнения/интерпретации данных ограничено только целесообразностью.  <!-- .element: height="340px" -->  <!-- .element: height="340px" --> ---- ### Вершина или дно конфигурирования? <div class="row"><div class="col"> Было: 1. Вы пришли за машиной. 1. Вы выбрали комплектацию без подогрева/с подогревом сидений. 1. Вы заплатили за машину (с учётом наличия/отсутствия подогрева). 1. Вы эксплуатируете машину. 1. Если передумали — поставщик может установить подогрев. </div><div class="col"> Стало: 1. Вы пришли за машиной. 1. Вы заплатили за машину без подогрева (но он установлен!). 1. Вы эксплуатируете машину. 1. Вы можете его включить по подписке (месяц или навсегда). **Зачем?**  <!-- .element: height="200px" --> </div></div> Notes: снижение затрат на логистику, универсализация производства, гибкость для потребителя.