Материнские платы, являющиеся важнейшими компонентами современных компьютеров и работающие на высоких частотах, требуют особых условий производства, обеспечиваемых на специальных заводах
Евгений Рудометов
Эра электронных вычислительных машин насчитывает всего несколько десятков лет. За столь короткое по историческим меркам время сменилось уже несколько поколений компьютерных устройств. Представленные в первые годы ламповыми монстрами они быстро набирали вычислительную мощь за счет совершенствования элементной базы и архитектуры. Но настоящий прорыв наступил только после полупроводниковой революции, обеспечившей появление сравнительно сложных микросхем, например таких как микропроцессоры. Именно это позволило создать настольные компьютеры.
Первые модели состояли из огромного числа разных элементов, расположенных на сравнительно большом числе плат, соединенных кабелями. Это негативно отражалось не только на надежности, но и на себестоимости компьютеров. Решая эти проблемы, конструкторы постепенно пришли к варианту, предусматривающему одну большую плату к которой подключается относительно несложные карты расширения, а также ряд внешних компонентов компьютера. Такая плата, ставшая центральным, объединяющим элементом, получила специальное наименование: материнская плата.
Центральный компонент
В настоящее время материнские платы являются наиболее важной и, пожалуй, наиболее сложной частью современного компьютера. Эти платы несут на себе большинство полупроводниковых элементов, реализующих основные контроллеры большинства внутренних и внешних интерфейсов. В дополнение к этому, материнские платы являются своеобразными центрами, осуществлящими электрические и логические связи с остальными компонентами. К таким компонентам относятся центральные процессоры, модули оперативной памяти, видеоадаптеры, жесткие диски, а также периферийные устройства.
Для осуществления связи с компьютерными компонентами и периферийными устройствами в архитектуру материнских плат интегрированы соответствующие разъемы и специальные электронные цепи.
Проблемы архитектуры
Работа интегрированных в архитектуру современных материнских плат элементов, как и перечисленных важнейших компонентов, осуществляется на очень высоких частотах.
Это обеспечивает высокую производительность, однако накладывает и особые, довольно жесткие требование на архитектуру материнских плат. Прежде всего это относится к топологии расположения электронных элементов и их многочисленных соединений. Особо затейливые рисунки соединений в области видеоадаптера, модулей памяти и процессорной шины (Рис. 1).
Рис. 1. Пример рисунка соединительных линий на материнской плате
Используемые в архитектуре элементы и линии их соединения образуют чрезвычайно сложную систему, обладающую специфическими электромагнитными параметрами, трудно поддающимися точному анализу.
К сожалению, элементы рисунка обладают взаимными емкостями и индуктивностями. Данные паразитные емкости и индуктивности в совокупности с активными составляющими полных сопротивлений проводников играют негативную роль (Рис. 2). Они искажают формы высокочастных импульсных сигналов, передаваемых по этим проводникам от элементов к элементам.
Рис. 2. Взаимное влияние соединительных линий
Значения частот этих сигналов в ряде случаев достигают сегодня многих сотен мегагерц. Чтобы в этом убедиться достаточно вспомнить о частотах шин процессора, оперативной памяти, видеоадаптера.
На высоких частотах каждая микросхема, каждая ее ножка, каждый миллиметр соединяющих эти микросхемы проводников излучают в окружающее пространство радиоволны. В результате образуются высокочастотные помехи и наводки, влияющие на работу близко расположенных элементов. А еще теряется мощность сигналов, их уровни уменьшаются, форма искажается. Остается отметить, что материнская плата является многослойной, что означает, что проводники расположены в несколько слоев, расположенных в толще платы. Но это означает, что на емкостные и индуктивные параметры влияет еще и состав стеклопластика, из которого состоит материнская плата (Рис. 3). А этот состав может иметь некоторые флуктуации (случайные отклонения от среднего значения физических величин), что может оказать дополнительное влияние на прохождение сигналов и параметры цепей материнских плат.
Рис. 3. Взаимное влияние соединительных линий с учетом материала платы
В случае сильных искажений, усиливаемых внешними помехами, компьютерным подсистемам приходится повторять передачу информации, что самым негативным образом влияет на общую производительность компьютера.
Минимизировать указанные негативные факторы и добиться устойчивой и производительной работы компьютеров благодаря высокому качеству исполнения материнских плат. Некоторые особенности их производства приведены в следующих частях данной статьи.
>> Часть 2