Multiprocessorer. DEL2 TEKNIK Nr november BRANSCHTIDNINGEN FÖR NORDENS ELEKTRONIKER. förändringar

Transkript

1 DEL2 TEKNIK Nr november BRANSCHTIDNINGEN FÖR NORDENS ELEKTRONIKER Ny sektion: Mjukvara Sid 45 Stora INLEDAREN förändringar Den som inte fick nog av multiprocessorer i förra numret kanske kan få det nu. Vi tar en ordentlig titt bakåt och försöker få det att hänga ihop med vad som kan tänkas hända framåt. Och varför är det då så intressant med multiprocessorer just nu? Ämnet har funnits på kartan de senaste tjugo åren, men den stora skillnaden är att det är allvar nu. Det handlar inte längre om akademiska diskussioner och smala tillämpningar. Nu tar faktiskt datorvärlden steget över till multiprocessorer. Och det gäller alla. Effekterna kommer att bli stora. När alla program är multiprocessoranpassade blir det plötsligt mycket lättare att göra stora arkitekturförändringar. Det kanske till och med blir dags att pensionera John von Neuman. Ingen vet egentligen vad som kommer att hända på lite sikt, men de flesta är överens om att förändringarna blir stora, åtminstone på några års sikt. Det viktiga är att det första steget har tagits. Men även om mycket handlar multiprocessorer tar vi upp andra ämnen också. Bland annat tar vi en titt på ordlängder för embeddedprocessorer. När är det vettigt att använda åtta bit och när är det bättre att ta steget till 32. Det här är inte alldeles uppenbart och det finns fortfarande gott om tillämpningar där åtta bit är bättre, även om skillnaden i kiselarea numera är ganska liten. Vi kastar också ett öga på ett nytt intressant sätt att hantera multiprocessorchip. GÖTE FAGERFJÄLL INNEHÅLL: Multiprocessorer SID Ny era SID 25 Två kärnor bättre än en SID 30 8-bitsprocessorn lever än SID 32 API i IP SID 35 Mönsterkort o substrat SID Snittprov avslöjar det innersta SID 36 Kortare utvecklingstid SID 38 Översikt: Leverantörer SID 40 Kemiskt silver bästa lösning? SID 42 Rätt ytfinish för blyfritt SID 44 Carrier Grade Linux ADSL har mognat SID 45 SID 46 Kanske de senaste 15 årens RISC-utveckling och strävan mot extrema enprocessorprestanda bara blir en parantes. När nu programvaran tvingas att ta steget över till multiprocessorteknik inleds en helt ny era, med enklare arkitekturer, annorlunda arkitekturer och framför allt många processorkärnor. Men egentligen borde den eran börjat för femton år sedan. Vi har vant oss vid att mikroprocessorsystem blir snabbare och kraftfullare för varje år. Det är en utveckling som säkerligen kommer att fortsätta. Men vi har också vant oss vid att prestandaökningen sker via ökad klockfrekvens och fler operationer per klockcykel i en enskild mikroprocessorkärna. Det är en utveckling som garanterat inte kommer att fortsätta. För snart 25 år sedan fick den numera avsomnade tidskriften Byte Magazine ett antal ledande företagsledare och tekniker att berätta hur de trodde att datorsystem skulle se ut år I gruppen ingick bland andra Bill Gates. Med facit i hand visade sig de flesta av gissningarna vara grovt felaktiga. Genomgående underskattade man utvecklingen kraftigt på hårdvarusidan. För normala hårddiskstorlekar var felet uppåt en faktor 100 och ingen trodde att klockfrekvenserna för mikroprocessorer skulle komma ens i närheten av 1 GHz. Redan 100 MHz sågs som en hög klockfrekvens. På mjukvarusidan var i stället uppskattningarna alldeles för optimistiska. De flesta trodde att parallellbearbetning skulle vara vardagsmat och att alla operativsystem och applikationer skulle vara multitrådade år TIDIGA FÖRSÖK Hur kom det sig då att gissningarna från 1980 slog såpass fel? För att försöka förklara det är det enklast att gå tillbaka i historien några år. Närmare bestämt till sjuttiotalet. I början av sjuttiotalet var det tekniskt möjligt att producera en enkel mikroprocessor. På många sätt var det en fantastisk landvinning, men de nya mikroprocessorerna innehöll inga nyheter vad gällde datorarkitektur. De utgick alla från John von Neumans idéer från fyrtio- och femtiotalet. Med en von Neuman-maskin gick det att implementera en enkel processor i några tusen transistorer och mer än så fanns inte tillgång till. Några år in på sjuttiotalet hade mikroprocessorutvecklingen tagit fart på allvar. Nya tillverkningsprocesser gav löften om tiotusentals transistorer på ett enda chip och då blev det möjligt att tänka sig antingen mera avancerade arkitekturer eller bredare arkitekturer. Det första och självklara steget var från fyra till åtta bit (redan 1972), men tidigt stod det klart att 16 och 32 bit var fullt möjligt också med en relativt begränsad transistorbudget. Multiprocessorer Deltas har ett avancerat EMC-center i Västerås, liksom i Hörsholm och inleder ny era Them i Danmark. Det effektivaste sättet att komma vidare är att använda många små sammankopplade enheter. Frågan om arkitektur var betydligt knivigare. Det experimenterades friskt, framför prestanda var ganska dåliga och priset högt. litet antal enheter. Problemet var bara att allt på stordatorsidan, och utvecklingen Den 8086-processor som tagits fram som inom objektorierad kod gjorde att många en interimslösning var nästan lika snabb såg en framtid med objektorienterad hårdvara. Parallellprocessorer fanns redan på samtidigt med 432-processorn Kompo- var både och den processor som blev klar stordatorsidan och det verkade Fig sannolikt 7. Föreslagen att snabbare monolitisk och integration billigare. APX432-arkitekturens med grundbyggblock, tillverkning i SiGe-process. GDP-proces- lagras i av en nenterna antenn parallella arkitekturer skulle vara och lösningen aktiva element också på mikroprocessorsidan. Antennen ligger sorn, på ett var dielektriskt i sin första membran version svarta, av en BCB. ESDskyddande system lå- dyrbar Å andra sidan hade minidatortillverkare Kiselsubstratet under tvåkretslösning antennen och etsas ett bort. komplett som blev alldeles för dyrt. dor En så i ett avancerad 70 m konstruktion som APX432 djupt var höglager alldeles för kiselkrävande för sin tids med tillverkningsprocesser positioner som Digital Equipment visat att en det gick att göra mycket med en ganska enkel datorarkitektur. PDP/8 och PDP/11 byggde på ganska enkla processorarkitekturer och stod som föredöme för många mikroprocessortillverkare. Intersil gjorde till och med en CMOS-implementering av tolvbitsdatorn PDP/8 (6100). INTEL SATSADE FEL Den hittills största och mest vågade satsningen gjorde Intel i mitten av sjuttiotalet. Efter framgångarna med den ganska enkla 8080-processorn ville man göra ett stort språng och en grupp i Oregon fick i uppgift att ta fram en processor baserad på de senaste årens forskning inom datorarkitektur. Projektet resulterade efter drygt fem år i processorfamiljen APX432. Arkitekturen var objektorienterad, hade ett totalt stöd för multiprocessing och virtuellt minne och hade ett mycket avancerat inbyggt säkerhetssystem. Arkitekturen tillät att man blandade processormoduler med olika funktion och tanken var att heltalsprocessorer, flyttalsprocessorer, vektorprocessorer och I/O-processorer skulle samsas i samma system. För att inte bussbandbredden skulle ställa till problem användes intelligenta minnessystem och skuradressering. Med matriskopplade bussar skulle det vara möjligt att bygga stora system med massor av processorer och i framtiden skulle många processorkärnor kunna integreras på samma chip. APX432 blev verklighet och såldes i ett TILL CISC Utvecklingen tog i stället minidatorvägen. Arkitekturer som Motorolas gav goda prestanda och krävde ändå inte särskilt mycket kiselarea. Med lite cacheminne gick det att komma runt de ganska långsamma minnsekretsarna och klockfrekvenser över 10 MHz blev möjliga. Intel bet i det sura äpplet och lade ner APX432. Man satsade i stället på den x86- arkitektur som från början bara varit avsedd för industribruk. Klagomålen över processorn 16 bit breda register och 64 kbyte-segment tystnade när man introducerade processorn. Den stod sig väl i förhållande till Motorolas varianter och hade i jämförelse med en kraftigt förbättrad inbyggd MMU. De inbyggda MMU-funktionerna var en viktig fördel i jämförelse med processorerna. Visserligen hade senare varianter som inbyggd MMU, men då hade redan de olika datortillverkarna gjort egna MMU-implementationer. x86 hade från början bara en variant av MMU. MULTIPROCESSORER Nu var förstås inte Motorola och Intel ensamma om att utveckla processorer, men de flesta följde samma recept som de. Det E-nytt SID 47 Mönsterkort och substrat Sid 36-44

2 MIKROPROCESSORER Komponenter Forts sid 28 Multiprocessorer... forts från föregående sida fanns också undantag. Det stora undantaget var brittiska Transputer. Dess processorarkitektur var avsedd för multiprocessorsystem och Transputern blev mycket framgångsrik under en period. Det var lätt att koppla samman många Transputer-processorer och totalprestanda blev aktningsvärda. Men Transputern krävde nya sätt att programmera. Programspråket Occam fick en hel del vänner och under en period såg det ut som om det hela skulle bli en succé. Så kom RISC-processorn och ställde det mesta på huvudet. RISC SKÖT UPP UTVECKLINGEN Få begrepp har så många vanföreställningar som RISC. Men de flesta är nog överens om att effekten av RISC-arkitekturen blev dramatisk. Om det sedan på lång sikt blev till fördel eller nackdel kan möjligen diskuteras. En principiell skillnad mellan CISC-arkitekturen och RISCarkitekturen är att CISC-arkitekturen försöker förenkla för kompilator och programvara, medan RISC-arkitekturen bara Det vanligaste sättet att bygga flerprocessorchip är att låta varje processormodul ha en egen L1-cache, men dela på en gemensam L2-cache. är ute efter maximala prestanda och utan att tveka lastar över komplexitet på kompilator och applikationsprogram. Så länge man totalt sett når en prestandaökning är allt bra. Tekniskt sett handlar det mesta om att fylla en pipeline på bästa sätt. Om man kan dela upp instruktionerna i flera steg och utföra de olika stegen på ett löpande band går det att ha flera instruktioner igång samtidigt. Det här kräver bra cacheminnen, hyggligt många register och ett fast format på instruktionerna så att de passar in i pipeline-arkitekturen. Instruktionerna exekveras utifrån registren och man undviker instruktioner som hämtar data från minnet (bara load/store). Antalet instruktioner blir färre (reduced instruction set), men det är inte en nödvändighet. Med den här pipeline-fokuserade arkitekturen kunde klockfrekvenserna skruvas upp och antalet instruktioner per klockcykel ökas. I och med det försvann återigen behovet av multiprocessorsystem och programvaruföretagen kunde andas ut. Det gick att fortsätta i Det går inte att fortsätta samma prestandaökning med dagens processorarkitektur. samma gamla enprocessorspår som tidigare. X86 BLEV OCKSÅ RISC De nya RISC-processorer som introducerades, från företag som Intergraph, MIPS, AMD, IBM, Sun, Digital Equipment, HP etc, var mycket snabbare än CISC-processorerna från företag som Intel och Motorola. Det fick omedelbart följder för Motorola, som i rask följd tappade alla de kunder som tillverkade arbetsstationer. När också Apple hotade att lämna processorn valde Motorola att byta spår från arkitekturen till en ren RISC-arkitektur. I och för sig fanns redan en sådan i produktion (88 000), men kraven från Apple ledde till ett samarbete mellan IBM, Motorola och Apple, baserad på IBMs Power-arkitektur. PowerPC var född. Intel hade inte lika bråttom och valde en helt annan väg. Visserligen började Microsoft samarbeta med MIPS och Digital Equipment och lanserade med tiden till och med Windows NT för Digitals Alpha-processor. Vi har de vassare halvledarlösningarna! När du behöver... Från... Låt oss visa vad vi kan, kontakta 26 ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004

3

4 MIKROPROCESSORER Komponenter Multiprocessorer... forts från sidan 26 Men kopplingen mellan DOS/ Windows och x86 var så stark att Intel inte behövde vara alltför rädda. I stället kunde man koncentrera sig på att använda RISC-teknologin för att snabba upp x86-processorn. Att det skulle gå så bra slog de flesta med häpnad. Redan 486-processorn har lite RISC-influenser, men från och med Pentium slog fördelarna igenom på allvar. Och sedan man väl lämnat de första strömslukande BiC- MOS-processorerna bakom sig gick utvecklingen spikrakt uppåt. Utvecklingen gick från 90 MHz till svindlande 1 GHz och vidare till 3 GHz. Antalet instruktioner per klockcykel ökade från knappt en i snitt upp till ungefär två. Under de senaste tio åren har prestandaökningen varit fenomenal. EFFEKT OCH AVSTÅND Men nu verkar det vara slut på enkla sätt att öka prestanda och den här gången är det svårt att se några möjligheter att komma runt problemen. Att ta ett lika stort steg igen i en enprocessorarkitektur skulle kräva klockfrekvenser på kanske 200 GHz och det är fullständigt omöjligt med de tillverkningsprocesser som finns eller kan förväntas under den närmaste tioårsperioden. Intel har också meddelat att man inte går över 4 GHz, utan i fortsättningen arbetar med multiprocessorkonfigurationer. Problemen ligger både på processidan och i kostnaden att öka prestanda. På processidan heter problemen effektförbrukning och ledarfördröjning. Effektförbrukningen är det mest uppenbara problemet. Fram till kanske 0,13 µm gick det att kompensera ökade klockfrekvenser och ökad komplexitet med sänkt matningsspänning. Den dominerande effektförbrukningen kom från omslag i transistorer och det gick att hålla ned förbrukningen genom att inte klocka i onödan. Ändå är det kylproblemet som avgör hur snabbt man kan köra. Processorn i en snabb desktopdator måste ligga under ca 70 W och i en arbetsstation klarar man kanske att kyla bort 120 W. Från 90 nm och nedåt kompliceras problemet ytterligare av att den statiska strömförbrukningen, läckströmmen, ökar såpass kraftigt. Det är i och för sig lätt att tillverka transistorer med låg läckström, men de blir långsammare. En riktigt snabb processor, i 4-5 GHz-klassen, kräver snabba transistorer och då är risken stor att chipet förbrukar 70 W bara på grund av läckströmmarna. Även om den inte klockas alls kommer den att förbruka så mycket effekt och om processorn skall göra något som helst arbete fördubblas effektförbrukningen snabbt. Nästa intressanta problem är att ledarfördröjningen på chipet inte minskar, tvärtom ökar den med minskande geometrier. Det innebär att processorerna får allt svårare att nå platser som ligger ett stycke bort på chipet. Det blir till och med svårt att kommunicera snabbt mellan olika delar av processorn. Här är redan problemen stora och de kommer att öka mycket snabbt. ALLTFÖR DYRT Men det verkligt intressanta är att titta på kostnaden för att göra processorerna effektivare. Om man till exempel jämför en processor med en Pentium 4-processor är det ingen tvekan om att prestanda per klockcykel är mer än dubbelt så stor hos Pentium 4-processorn. Men antalet transistorer är å andra sidan 40 gånger större. En kanske rättvisare jämförelse är mellan gamla Pentium och Pentium 4. Då är skillnaden bara tolv gånger. Då går det förstås att köra Pentium 4-processorn i mycket högre klockfrekvens, men alternativet skulle kunna vara att lägga in 12 eller 40 processorkärnor och i stället för 3 GHz köra på kanske 400 MHz, respektive 200 MHz (vi får kompensera för busskollisioner, färre instruktioner per klockcykel Högre klockfrekvenser ger kraftigt ökad effektförbrukning. Kylflänsarna dominerar den här Ithanium-baserade servern från HP. etc). Det intressanta är att vi då skulle minska effektförbrukningen dramatiskt. Vi kan använda långsamma transistorer med låg läckström, vi kan minska matningsspänningen och vi minskar den dynamiska effektförbrukningen. I CMOS ändras ju den dynamiska effektförbrukningen exponentiellt mot klockfrekvensen och en halverad frekvens ger en mycket större minskning i effektförbrukning. GRATIS GRINDAR I halvledarprocesser från 90 nm och nedåt är tillgången till transistorer utomordentligt stor. Intel säger sig till exempel kunna lansera sitt första chip med över 1 miljard transistorer redan nästa år. Begränsningen ligger i stället i effektförbrukningen, inte minst den effektförbrukning som beror på läckström. Man måste också hålla ledarna så korta som möjligt i varje funktionsblock. Det här talar för en arkitektur med många små processorkärnor. En enkel matteövning visar att man till exempel skulle få in 500 processorer i 486-storlek eller processorer i 386-storlek i en krets med en miljard transistorer. Då behöver inte klockfrekvensen vara särskilt hög för att totalprestanda skall bli hisnande. PROGRAMVARAN AVGÖR Det enkla sättet att öka processorprestanda är alltså att integrera många processorkärnor på samma chip. Varför har då utvecklingen mot multiprocessorsystem tagit så lång tid? Orsaken ligger nästan helt och hållet i programvaran. Det är långtifrån trivialt att ta fram operativsystem och applikationsprogramvara för multiprocessorsystem. Så länge det var möjligt att höja klockfrekvensen och dessutom göra mer per klockcykel var det ett mera attraktivt alternativ. Att man sedan går allt längre in i en återvändsgränd har hela tiden setts som ett problem för framtiden. I och för sig har det hela tiden funnits datorer med flera processorer och multiprocessortillämpningar, men det har alltid handlat om specialtillämpningar för till exempel databashantering eller tekniska beräkningar. Våra vanligaste program är fortfarande skrivna för en enda processor och enda sättet att snabba upp ett sådant program är att använda en snabbare processor. Däremot har allt fler operativsystem stöd för flera processorer eller flera trådar i en processor. Windows NT/2000/XP, Linux, OS/X, Solaris och de flesta Unixversioner kan hantera många processorer. Men det här innebär för det mesta bara att det blir lättare och effektivare att köra flera program samtidigt. Virusskydd, utskriftsrutiner och konverteringsarbeten går mera smärtfritt i bakgrunden. Däremot påverkas ännu så länge inte det aktiva programmet, till exempel ordbehandlaren eller det grafiska redigeringsprogrammet. Men det här håller alltså på att ändras och den här gången ser det inte ut att finnas några alternativ. Alla tillverkare av programvara försöker nu bryta upp sina tilllämpningar i små byggblock som går att parallellisera. Det är ett stort och svårt arbete med många möjligheter till obehagliga fel och problem. Men den här gången finns det som sagt inga alternativ. Alla vet att nästa generation datorer kommer att vara baserade på multiprocessorteknik och de program som inte kan dra nytta av det kommer att framstå som hopplöst långsamma i jämförelse med parallelliserade program. Så det som vi väntat på i ett tjugotal år håller nu äntligen på att hända. FÖRST FLER TRÅDAR En övergång till multiprocessorteknik kommer på sikt att innebära en övergång till helt nya arkitekturer, men till att börja med blir det mer av det som vi redan är vana vid. Ett bra exempel på det är den senaste generationen av Pentiumoch Xeon-processorer. De har fortfarande bara en processorkärna, men kan ändå köra två separata trådar och alltså två separata program. I princip har processorn två hanterare för schemaläggning och så fort det finns en ledig plats i processorns pipeline försöker någon av enheterna att fylla den. På det här sättet kan processorns resurser utnyttjas effektivare. Samma sak har de flesta andra processortillverkare gjort. Det mest extrema exemplet är MIPS, som har en teknik med i princip oändligt antal trådar i samma processor. Då kan man till och med använda mekanismen för att ersätta eller förenkla operativsystem i embeddedtillämpningar. Men i praktiken är det knappast intressant att ha mer än några få trådar per processor. Sedan är processorns pipeline full för det mesta och man når inga ytterligare fördelar. Nästa steg är att lägga in fler processorkärnor på samma chip. Intel har redan gjort det med Ithanium-processorn, men mera intressant är att man kommer med Xeon- och Pentium-processorer med flera processorkärnor. Återigen är detta inget nytt. IBM har haft processorer med flera Power-CPUer i flera år och samma väg tar de flesta andra. För embeddedtillämpningar lanserade ARM sin MPCore i våras 28 ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004

5 MIKROPROCESSORER och Freescale har lanserat en PowerPC-processor med dubbla processorkärnor. De närmaste åren kan vi alltså förvänta oss integrerade multiprocessorer med i princip mer av vad vi är vana vid idag. Det är ett relativt enkelt sätt att äta kakan och ha den kvar. Eftersom varje enskild processor är lika snabb som dagens processorer försämras inte prestanda för befintliga tilllämpningar, samtidigt som parallelliserade tillämpningar blir klart snabbare. Om man i stället valde att ha fler, men långsammare processorkärnor skulle de befintliga tilllämpningarna i ett slag bli mycket långsammare. Det är svårt att acceptera i en övergångsperiod. snitt och behöver inte göra lika många arkitekturavvägningar. Men lika viktigt är att processortillverkarna får en mycket större frihet att göra ändringar i processorarkitekturen. Huruvida Ignius kommer att lyckas kan vi lämna därhän. Sannolikt är deras lösning alldeles för intressant för att de stora processortillverkarna skall släppa en sådan godbit. Men principen är intressant och visar en möjlig väg. En av de viktigaste trenderna de senaste åren är den mot standardiserade öppna gränssnitt och ett standardiserat processorgränssnitt på en något så när hög nivå skulle kunna förenkla för många. En trolig utveckling är i alla fall att morgondagens processorkärnor snarare blir enklare än mera komplicerade. I det läget har nog processarkitekturer som Ithanium (IA64) inte mycket att hämta. 64 BIT Och till slut några ord om 64 bit. Det är väl alldeles utmärkt och i en del fall till och med nödvändigt. Dessutom behöver en processorarkitektur med 64 bits bredd inte särskilt många fler transistorer än en vanlig 32-bitsarkitektur. Det visade MIPS och flera andra för många år sedan. Därför spelar det egentligen inte så stor roll vilken bredd man väljer på de individuella processorkärnorna. Det är mycket mera en fråga om programvara än om hårdvara. Eftersom jag började med Intels intressanta, men misslyckade APX432-processor kan det kanske vara lämpligt att sluta med Intels Ithanium-processor. Den var på sin tid tänkt att bli nästa stora arkitektursteg, men verkar väl i ärlighetens namn gå samma väg som APX432. VLIW och extremt avancerade arkitekturer är knappast den väg som utvecklingen tar. I stället blir det återigen x86 som får brygga över tills nästa stora skifte. AMD valde att utvidga x86 till 64 bit (vilket inte är särskilt svårt) och nu tvingas Intel att rätta in sig i ledet. Xeon-processorer med utvidgningar för 64 bit kompletteras med Pentium 4-processorer med samma sak. På kort sikt är det här en ganska stor händelse, men i ärlighetens namn inte särskilt revolutionerande. Det är däremot steget till multiprocessor! GÖTE FAGERFJÄLL SKIFTE PÅ VÄG Men på sikt kommer säkerligen förändringarna att bli mycket större än så. Vinsten med att använda små och enkla processorkärnor är alldeles för stor för att inte tillverkarna skall gå den vägen. När väl tappen är ur tunnan öppnas helt nya möjligheter att öka prestanda genom att använda inte bara två eller fyra, utan kanske hundratals processorkärnor. För den stora förändringen är ju steget från enkelprocessor till multiprocessor. När väl det steget är taget står helt nya möjligheter öppna. Arkitekturdebatten är redan igång och vi kommer de närmaste åren att få se förslag till helt nya processorarkitekturer. De som var med på sjuttio- och åttiotalet kommer förmodligen att känna igen sig bättre än de som vant sig vid RISC-hegemonin de senaste femton åren. Vi kan alltså förvänta oss en mycket intressant period och stora systemskiften. Var det kommer att sluta är omöjligt att säga. Vi vet vilka problem som finns och att dagens processorarkitekturer är olämpliga av en lång rad anledningar. Men om svaren skall hämtas med utgångspunkt i sextiotalets datorforskning eller i helt nya idéer är omöjligt att veta. Intressant kommer det i alla fall att bli. ÖVERGRIPANDE API Ett sätt att ta tag i multiprocessorproblemen kommer från det relativt nystartade företaget Ignius. De har utvecklat ett byggblock som fungerar som ett gränssnitt mellan applikationen och processorkärnorna. Applikationen ser ett enda programgränssnitt (API), trots att det kan finnas ett stort antal processorkärnor av samma eller olika typ. Gränssnittet tar bland annat hand om schemaläggningen av de olika processorkärnorna. Att introducera en mellannivå av det här slaget ger flera intressanta fördelar. Operativsystem och applikationsprogram får ett något så när standardiserat gräns- ELEKTRONIK I NORDEN 18/

6 MIKROPROCESSORER Komponenter Två kärnor är bättre än en Ett antal ledande mikroprocessortillverkare har lanserat mikroprocessorer med två kärnor. Douglas Hamilton, applikationsingenjör vid Freescale Semiconductor i Skottland, beskriver här fördelarna med att ha flera kärnor på ett chip. Framför allt går det att hålla ner effektförbrukningen. Flerprocessorarkitekturer är numera vanligt förekommande i beräkningsintensiva applikationer som servar. Men nu har inbyggnadsmarknaden fått ett större inflytande på utvecklingen av nästa generation processorer med två kärnor och påverkar då hur dessa nya processorer konstrueras. Multiprocessorsystem för servar är vanligtvis konstruerade för symmetrisk multiprocessing (SMP), där samma operativsystemkärna används av alla processorer. Inom inbyggnadsmarknaden är det ofta ett önskemål att ha skilda operativsystem för varje processor. Det kan även vara skilda typer av operativsystem. Ett exempel är Linux i kombination med ett realtidsoperativsystem. LÄCKSTRÖMMEN ÖKAR Tills nyligen har man bara varit tvungen att ta hänsyn till den ström som går åt för att slå av eller på en grind i kretsen, den dynamiska effektförbrukningen. En ny parameter att ta hänsyn till är läckströmmen, även kallad statisk effektförbrukning. Den orsakas av de elektroner som passerar en transistor när den är inaktiv. Läckströmmen har två källor. Den första är tunneleffekter i oxidskiktet som separerar styret (gate) från transistorns kanal. Den andra är den svaga ström som går från styret till emittern innan Prestanda i förhållande till effektförbrukning för olika procesorkonfigurationer. transistorn slås på till ledande tillstånd. Ju lägre spänningen är på styret vid avslaget läge, desto lägre är den läckande strömmen. Tyvärr medför en sänkning av spänningen att transistorn tar längre tid på sig att reagera, vilket resulterar i en lägre klockfrekvens för kretsen. De fördelar som en lägre spänning använd i 90 nm-kretsar ger vägs upp av den statiska strömförbrukningen, då läckströmmarna ökar markant vid mindre geometrier. Läckströmmen är två till tre gånger högre i en 90 nm-process jämfört med en 130 nm-process vid samma spänning. Detta på grund av att avståndet mellan transistorns styre, kollektor och emitter är mindre. Faktum är att den statiska effektförbrukningen kan stå för mer än hälften av den totala strömförbrukningen i en 90nmkrets. En hel del tricks används för att minska den statiska förbrukningen. Exempelvis kan man avstämma styrets spänning inom olika block beroende på de olika frekvenskrav som finns inom en komponent. Det går inte att överse att om man vill fördubbla frekvensen på en processor så krävs snabbare transistorer som kräver högre Det finns stora fördelar i att gå från en diskret dubbelprocessorlösning med yttre systemlogik till en integrerad lösning. spänningar. Detta medför märkbart högre effektförbrukning. Högre frekvens medför även djupare rörledningar (pipelines) i processorn vilket ökar komplexitetsgraden och fördröjningar då rörledningen måste tömmas vid oförutsedda hopp i programexekveringen. Detta kan påverka prestanda märkbart. Längre rörledningar betyder även längre fördröjningar vid avbrottshantering. Det är även så att en säkerhetsmarginal byggs in runt klockflankerna i en processor för att säkerställa korrekt funktion. Det betyder att då frekvensen ökar finns det en mindre använd tid inom en klockperiod. Detta på grund av att säkerhetsmarginalen är nästan konstant. Resultatet blir att användning av snabbare klockor gör att man närmar sig gränsen för vad kislet klarar av då tidsfönstret blir mycket mindre. TVÅ KÄRNOR Tvåkärneprocessorer ger möjligheten att höja prestanda i effektkänsliga konstruktioner till ungefär samma nivå som en singelprocessor vid högre klockfrekvens. Genom att använda en lägre kockfrekvens kan man reducera grindspänningarna vilket i sin tur drar ner läckningen. En annan effekt av att processorkärnorna blir allt snabbare är att den externa systemlogiken blir allt mer prestandabegränsande. Det går inte att öka hastigheten på kretskortet i samma grad som i processorn. Externa bussar måste vara jämförelsevis långsammare än bussar på kisel. Denna skillnad mellan interna och externa bussar har tillsammans med fördröjningen mellan kretsar blivit allt synligare i de nyare mikroprocessorerna. Det är viktigt att inte falla i samma fälla som många av dagens CPUer har fallit i. Det vill säga att man bara koncentrerar sig på kärnan i processorn, men svälter ut den genom att inte ha tätt kopplade periferikretsar och interface. MINNET ÄR FLASKHALS Minnessystem har historiskt varit en flaskhals i snabba processorsystem. Nyare typer av minnen som DDR2 kan ge överföringshastigheter på upp till 667 MHz. Det är en stor snabbhetsökning jämfört med de Synkrona DRAM (SDR) på 133Mhz som var förhärskande för två till tre år sedan. Men tyvärr har processorernas hastighet ökat i än högre grad under den här tiden, vilket gör att minnesfördröjningen blir en viktig faktor att beakta. Tills nyligen har det mesta av systemlogiken, inkluderande minneskontrollenheten, placerats utanför själva processorn, i så kallade norr- och sydbryggor. Effekten blir då att externa bussar måste köra på en signifikant lägre frekvens än processorn, vilket ökar fördröjningen mellan mikroprocessorn och minneskontrollkretsen. Genom att placera minneskontrollenheten på samma kisel som processorn kan man minska fördröjningen till en tredjedel eller fjärdedel. En annan idé som ökar prestanda är att ha två minneskontrollenheter, en för varje kärna. I stället för att fördubbla frekvensen breddas vägen in till processorerna. Genom att dela upp minnet mellan de två minneskontrollenheterna i mindre delar, t ex 32 byte i taget, går det att radikalt minska fördröjningarna då det går att fördubbla antalet öppna sidor i minnessystemet. Å andra sidan kan det vara av godo att ha helt oberoende minneskontrollenheter för de olika CPUerna i ett system som inte är symmetriskt. Detta för att minska påverkan mellan de två kärnorna. Bandbredden blir då fördubblad i ett tvåkärnesystem. Minnen på en mikroprocessorkrets kan kosta mycket i form av utrymme och effektförbrukning. Olika konstruktionstrix kan användas för att minska den dynamiska effektförbrukningen, men ett cache-system bidrar till den statiska förbrukningen. Å andra sidan, att fördubbla en andranivåcache (L2) kan ge en prestandaökning på 1,3 till 2 gånger. Detta är självfallet mycket applikationsberoende. Mycket beror på hur kod och data passar i L2-cachen. Programsystem som passar bra i en L2-cache kan få ännu högre prestanda om cache-minnet kan klockas med samma klocka som CPU-kärnan. Höjningen av den statiska effektförbrukningen blir ca 1 W, vilket kan anses vara 30 ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004

7 MIKROPROCESSORER Forts nästa sida överkomligt med tanke på den prestandaökning det ger. Med stora, snabba L2-cachar på processorkretsen försvinner fördelen med externa cache-minnen. Om en extern L3-cache ska göra någon större nytta bör den vara mellan åtta och sexton gånger större än L2-cachen. Ett så stort system kostar för mycket i form av kiselyta för tag-minnen, pinnåtgång, effekt och pris för att kunna motiveras. I O BEGRÄNSAR Minnet är inte den enda bandbreddsbegränsande faktorn i dagens processorer. Man måste även beakta hur data passerar in och ut ur kretsen. Inom kommunikationsmarknaden behövs höghastighetssystem son Gigabit Ethernet och seriell RapidIO. Detta inte bara för att koppla kretsar till varandra utan de används även på bakplanet i större system. Det kan noteras att minst 500 Mbyte/s går åt till DMAöverföringar mellan minnen och interface för att brygga mellan Gigabit Ethernet och seriell RapidIO: 125 Mbyte/s behövs mellan Ethernet och minne, 125MByte/s från minne till RapidIO, 125 MByte/s från RapidIO till minne samt 125 Mbyte/s från minne till Ethernet. För att hålla fyra Gigabit Ethernet-kanaler i trafik går det åt minst 2 Gbyte/s minnesbandbredd. Genom att integrera dessa snabba interface på tvåkärneprocessorer kan man länka dem tätare och på så sätt få en effektivare dataöverföring. Exempelvis kan man låta en Gigabit Ethernet-enhet göra en tidig klassificering av paketen i full hastighet, där olika typer av ramar fördelas på olika buffertar. Header-information kan t ex sändas direkt upp i cachesystemet för att kunna nås snabbare av en av processorkärnorna. Denna metod avlastar kärnan genom att en rörledning med databehandling skapas mellan interfacet och kärnan. CACHECOHERENS Det finns ytterligare fördelar med att integrera två kärnor. Multiprocessorsystem är inget nytt koncept, men hittills har system med diskreta processorer använt samma minne i en cache-koherent uppbyggnad där processorerna lyssnar på varandras accesser på bussen, sk bus snooping. Om den lyssnande processorn ser en access till ett minnesblock som den har en nyare version av i sin cache måste den skriva ut blocket till minnet innan den andra processorn kan läsa det nya blocket. Detta medför ett antal bussaccesser över den externa bussen som minskar den tillgängliga bandbredden. Genom att integrera flera kärnor på samma krets kan dessa dataaccesser snabbas upp ca tre till fyra gånger. Det innebär en betydligt mindre belastning på en intern buss än vid en lösning med diskreta processorer. SMP ELLER OLIKA OS SMP-system är ett viktigt användningsområde för tvåkärneprocessorer. Det är enkelt att överföra en konstruktion med två diskreta kretsar och associerad systemlogik till en enda integrerad krets. En vanlig missuppfattning är att tvåprocessorskretsar är begränsade till SMP-system. Som tidigare nämnts ökar flexibiliteten med integreringen av minneskontroller och periferikretsar. Mikroprocessorarkitekterna lägger även in nya funktioner för att stöda inte bara distribuerade processorsystem med samma operativsystem utan tillåter även system där CPUerna har olika OS. Ett typiskt exempel är en dataplanapplikation där varje kärna hanterar en riktning på dataflödet. Detta kräver en addressöversättning på låg nivå, då båda CPUernas operativsystem måste tro att de är placerade på fysisk adress noll, även om det är bara tekniskt möjligt för ett OS att vara placerat där. Denna, till synes lilla, kon- 917_LSI_Trimble_EIN 11/10/04 5:49 pm Page 1 struktionsfiness ökar flexibiliteten i hög grad. Det är heller inte ovanligt att ha två processorer i ett kommunikationssystem där en processor hanterar kontrollfunktionerna medan den andra sköter dataplanet. I detta fall kan det vara så att det är optimalt att använda olika operativsystem för kontroll- respektive dataplan. Detta driver operativsystemleverantörer till samarbete med varandra genom att använda standardiserade metoder för att sända meddelanden mellan de olika operativsystemen. Självfallet behöver även samarbeta om resursutnyttjandet av periferikretsarna. Även om det alltid har funnits en önskan om att balansera prestanda och effektförbrukning så har frekvensökning av mikroprocessorer tidigare gett den prestanda som önskats. Men i dagens effektkänsliga inbyggnadstillämpningar och med de läckströmmar som 90 nm-teknologin introducerar krävs nytänkande. Balansen mellan prestanda och effekt kan vidmakthållas genom att koncentrera sig på parallellism genom att använda flera CPUer i stället för att bygga än snabbare diskreta CPUer. Intelligent ELEKTRONIK I NORDEN 18/

8 MIKROPROCESSORER Komponenter Långt kvar innan 8-bitsprocessorn är död Fig 1. Arkitekturen hos MC68HC908. När 32-bits mikroprocessorer nu säljs för mindre än 10 dollar, finns det då verkligen kvar någon livskraft i 8-bitsprocessorer som kan kosta så mycket som 7 dollar? Rickard Parker på Future Electronics Europe menar att det i många fall helt säkert är så. Fig 2. Blockdiagram över MPC852T. Om 16- och 32-bits mikroprocessorer kan kosta mindre än 10 dollar, och priset t o m på 64-bitsprocessorer fortsätter att sjunka, finns det då några fördelar med att använda en vanlig 8-bitsprocessor som kan kosta ungefär lika mycket? Svaret är att det beror på. Om slutprodukten verkligen blir bättre av förbättrade prestanda, mer flexibla periferifunktioner, SDRAM-stöd och möjlighet att använda dubbelbearbetning, då kommer en 32-bitsprocessor utan tvivel att konkurrera ut en 8-bitsprocessor. Varför skulle man kompromissa för en så liten prisskillnad? Även om 32-bitsprocessorer kommer att ge oss bättre prestanda sker detta dock på bekostnad av att konstruktionen och tillverkningen blir mer komplexa. 32-bitsprocessorer uppnår sina högre prestanda tack vare avse- värt mer komplexa kärnor och systemarkitekturer, och väsentligt högre bussfrekvenser. De levereras också alltid i BGA-kapslar, vars tätt placerade bollar gör layouten betydligt krångligare. Denna artikel argumenterar för att det fortfarande finns mycket liv kvar i 8-bits mikroprocessorer, särskilt när de används som Två kärnor... forts från föregående sida konstruktion är en annan faktor. Genom att integrera flera minneskontroller på kretsen minskas fördröjningar och bandbredden ökar radikalt. De är de historiskt sett de mest begränsande flakhalsarna i multiprocessorsystem, men finns även i mikroprocessorer i stort. Den bussbandbredd som är tillgänglig för kommunikation mellan processorer var även en flaskhals i SMP-system. Tvåkärneprocessorer ger en tredubbling av tillgänglig bussfrekvens för interaktion mellan processorerna. Intelligenta konstruktionstrix tillåter även nutida och kommande systemkrav på flexibla multi-os-system och komplex programvara. Integrerade tvåkärneprocessorer blir ett seriöst alternativ för inbyggnadssystem med krav på låg strömkonsumtion. DOUGLAS HAMILTON, APPLIKATIONSINGENJÖR VID FREESCALE SEMICONDUCTOR I EAST KILBRIDE, SKOTTLAND Artikeln är bearbetad av Lennart Svensson, applikationsingenjör vid freescale i solna. 32 ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004

9 MIKROPROCESSORER Forts nästa sida ett enkelt, kostnadskänsligt och generellt logiskt element just så som är fallet i t ex generella styrapplikationer. Artikeln visar också när en 32-bits processor är ett bättre alternativ. För att exemplifiera dessa påståenden används representativa kretsar från Freescale Semiconductor, t ex 8-bitsprocessorn MC68HC908AB32 och 32-bitsprocessorn MPC852T, liksom PIC18F6621 från Microchip. EN DIREKT JÄMFÖRELSE Freescales 8-bits MC68HC908 (se fig 1) har idag ett listpris på upp till 8,75 dollar, beroende på vilka minnes- och periferioptioner som specificeras. 32-bitsprocessorn MPC852T (se fig 2) kostar omkring 9 dollar, medan PIC18F6621 (se fig 3) ligger kring 7 dollar. Den största skillnaden ligger i arkitekturen hos de olika processorernas kärnor. 32-bits MPC852T är mer komplex (se fig 4), men erbjuder mycket högre maximal bussbandbredd tack vare högre arbetsfrekvens och bredare bussar. För 8-bitsprocessorn ovan är denna frekvens 8 MHz (även om det går att hitta 8-bitsprocessorer som har upp till 75 MHz busshastighet). Hos 32-bitsprocessorn arbetar kärnan med upp till 100 MHz, eller 66 MHz om kärna och buss arbetar med samma frekvens. PIC18F6621 arbetar med upp till 40 MHz, beroende på vilken version man väljer. Dessutom är PowerPC en RISC-arkitektur. Det innebär att instruktionerna i denna 32-bitsprocessor är enklare och normalt kan exekveras under en enda klockcykel. PIPELINING OCH CACHNING Traditionella 8-bitsprocessorer arbetar i en ren Von Neumannarkitektur, där instruktioner och data hämtas från bussen rent sekventiellt och därefter bearbetas. I MPC852 och andra 32-bitsprocessorer finns det många vägar att öka effektiviteten hos kärnan. De två mest effektiva metoderna är pipelining och cachning. Med pipelining kan flera nya instruktioner hämtas från minnet, samtidigt som kärnan håller på att bearbeta en instruktion. Detta minskar latenstiderna för minnesläsning och de ofrånkomliga fördröjningarna p g a minnets accesstid. Det är dock viktigt att påpeka att PIC-processorer i själva verket är av typ Harvard- RISC, och att både HC08 och PIC använder pipelining i viss utsträckning. I MPC852T kan upp till fyra instruktioner finnas samtidigt i instruktionskön. Icke avgrenande instruktion som når köns slut sänds till en av exekveringsenheterna med en optimal hastighet av en instruktion per klockcykel. Avgrenande instruktioner sänds till en branch-execution-enhet som förutsäger varifrån nästa instruktion skall hämtas. (Denna funktion finns dock varken i Freescales 8-bitsprocessor eller i Microchip-processorn.) Cachning används i de flesta 32-bits arkitekturer. Här lagras kod och/eller data i ett speciellt cacheminne som har mycket kort accesstid. Om systemet innehåller en DMA-maskin kan denna skriva till minnet samtidigt som koden i cachen exekveras. Förutsatt att denna procedur inte skriver över kod eller data i cachen, kommer systemet att arbeta mycket mer effektivt. I vissa ColdFire-processorer finns det en gemensam cache, medan andra processorer har en Harvard-arkitektur med separata cachar för data och instruktioner. MPC852T har både instruktions- och datacachar, och dessa är uppbyggda som 2-vägs associativa med ett djup på 4 K. Om koden inte finns i cachen hämtas ny kod in i skurar om 16 byte. Den algoritm som används för ersättning av cachens innehåll är LRU (Least Recently Used), vilket innebär att det som legat oanvänt längst tid skrivs över först. 8-bitsprocessorer har vanligen inget cacheminne. Detta kan visserligen ge lägre arbetsprestanda, men det gör avbuggningen och initialiseringen enklare. Cachar har den fördelen att de ger mycket snabb exekvering när små mängder kod behöver användas om och omigen. MPC852T har, i likhet med de övriga medlemmarna i Power- QUICC-familjen, även en CPM (Communications Processing Module). Denna gör att en viss del av kommunikationsbearbetningen kan utföras utan att huvud-cpun behöver medverka. Kärnprocessorn kan då koncentrera sig på nyttigare jobb som TCP/IP-bearbetning, mjukvarusäkerhet och andra funktioner på högre nivå. Om dessa skulle implementeras med en enkärnig processor hade det krävts en mer kraftfull processor. Även Ethernet och dataöverföring via serieportar (som HDLC och UART) hanteras av CPM-enheten, som använder en DMA-maskin för att lagra data i minnet. Huvudprocessorn kan då användas för att bearbeta dessa data. Extra kraft i kärnan ger flera fördelar. Den första är att ELEKTRONIK I NORDEN 18/

10 MIKROPROCESSORER Komponenter Långt kvar... forts från föregående sida Fig 3. Microchip PIC18F6621. eftersom inkommande data kan bearbetas snabbare, kan också hastigheten hos periferienheterna vara väsentligt högre än om man använder en 8-bitsprocessor. MPC852T kan t ex hantera både 100BaseT och 10BaseT samtidigt, och även sköta UARTarna. Om detta skulle implementeras med 8-bitsprocessorer skulle hela TCP/IP-hanteringen antingen behöva utföras av en hårdvaruaccelerator eller fördelas över flera mikroprocessorer. Tack vare den extra hastigheten kan dessa periferienheter ha större variation i funktionerna. 32-bitsprocessorer klarar av att hantera 10/100baseT Ethernet, 2 Mbit/s seriella dataströmmar, CAN-controllers och applikationer av TDM-typ. Baksidan är att dessa funktioner är mycket mer komplexa att programmera. Så även om periferienheterna vid en första anblick verkar ha mycket gemensamt finns det stora skillnader i filosofin bakom dem, och i sättet som de implementeras på. Detta påverkar komplexiteten hos kretsarna. Ett exempel: Manualen till MPC866/852 beskriver vilka steg som krävs för att sätta upp en SCC som en UART. Här ingår att skriva till 19 specifika register och ett antal parameter-ram. UARTen i t ex PIC18F6621 kan däremot konfigureras med hjälp av fem register. När vi ser på denna jämförelse måste vi emellertid förstå skillnaderna i filosofin bakom periferienheterna. På MPC852T kan UARTarna ha flera ringbuffertar associerade, de har möjligheter till DMA direkt till minnet och är i stort sett självständiga från huvud-cpun. Detta passar väl in för den huvuduppgift som dessa periferienheter har att flytta stora mängder data med mycket hög hastighet, utan att krama musten ur processorn. UARTen i PIC är däremot optimerad för låga datahastigheter. Den är avbrottsstyrd och kräver en hel del ingripanden av CPUn. Båda dessa periferienheter uppfyller väl de uppgifter som de konstruerats för. 32-bitsmaskinen har konstruerats för dataintensiv eller snabb linjär kodexekvering, medan 8-bitsmaskinen är optimerad för realtidsapplikationer ute i verkliga livet, där kretsarna ständigt måste reagera på stimuli från den omgivande världen. MINNE 32-bitsprocessorer (som MXL) har vanligen inbyggda SDRAMcontrollers. Men MPC852T använder en User Programmable Machine och implementerar med Så lång tid tar avbrotten Figurerna är hämtade ur användarhandboken till Motorola/Freescale MPC866, som även gäller för MPC852T. Vid tidpunkten A skickas den undantagna (excepting) instruktionen iväg och börjar exekveras. Tidigare ivägskickade instruktioner fortsätter genom pipelinen. Vid B har exception-instruktionen exekverats och nått CQ0; tidigare instruktioner har exekverats färdigt utan att generera några exceptions. Exceptionen identifieras, och mellan B och D (3 till 10 cykler) återkallas effekterna av alla instruktioner efter den som genererade avbrottet, och instruktionerna tas bort. Om instruktionen inte hade genererat någon exception, hade den dragits in. Vid C hämtar kärnan de första instruktionerna från exception-hanteraren, om denna är extern. Detta tar 5 cykler om den finns i instruktionscachen och no-show -läge används. Vid D har alla tillstånd återställts. Under intervallet mellan D och E sparar maskinen kontextinformation i registren SRR0 och SRR1, avaktiverar exceptions, placerar maskinen i privilegierat läge och hämtar instruktioner från exception-hanteraren. Intervallet mellan D och E kräver minst en klockcykel. Tiden mellan C och E bestäms av minnessystemet och den tid det tar att hämta den första instruktionen från exception-hanteraren. För att helt avsluta återställandet av kön krävs åtminstone två klockcykler. Vid E har MSR och instruktionspekaren till exekveringsprocessen sparats, och kontrollen har överlämnats till exception-hanteringsrutinen. Instruktioner från exception-hanteraren som hämtats hem kan då sändas vidare. Fig 5. Exception-latens. Fig 4. Kärnans arkitektur hos PowerPC MPC852T. hjälp av den en minnesstyrkrets för dynamiska RAM, däribland SDRAM. 8-bitsprocessorer tenderar att stödja direktaccess enbart till det inre minnet, eftersom de flesta har konstruerats utan någon extern adress- och databuss. Anledningen är att 32- bitsprocessorer kräver avsevärt mycket mer minne p g a deras utökade setupkomplexitet. Vanligen bootar man bara upp från flashminne, och överför sedan kod till SDRAM och arbetar mot detta. Fördelen är att man kan utnyttja SDRAM-minnets möjligheter till skurvis överföring, och flytta kod till cacheminnet för att på så vis snabba upp kodexekveringen. Nackdelen är att det är ineffektivt att exekvera kod som ligger i flashminne. 8-bitsprocessorer tenderar att ha inbyggda flash- och EE- PROM-minnen. Det är värt att notera att 32-bitsprocessorer vanligen kräver externt flashminne, och med den högre grad av initialisering som krävs erfordras det också mer flashminne. Detta ökar systemkostnaderna vad gäller komponentantal, kortutrymme och komplexitet. Freescale ColdFire MCF5282 är en 32-bitsprocessor som faktiskt har inbyggt flashminne. Den har 512 Kbyte flash, vilket skall jämföras med normalt upp till 64 eller 128 kbyte hos 8-bitsprocessorerna. Detta medför dock att listpriset är väsentligt högre (för närvarande omkring 17 dollar). Vid en grov uppskattning av pris/ prestanda-förhållandet, eller av priset per bit flashminne, verkar det vara en mycket mer kostnadseffektiv krets, även om de högre system- och resurskraven minskar skillnaden. STÖD FÖR OPERATIVSYSTEM Användandet av en MMU (Memory Management Unit) öppnar upp möjligheten att använda ett seriöst operativsystem som Linux eller ecos. Linux har porterats till icke MMU-baserade arkitekturer som Freescale ColdFire V2 Core, men normalt är Linux inriktat mot processorer med MMU. Linux ger en enorm förbättring vid utveckling av applikationer, och öppnar dörren till en värld av tredjeparts opensource-applikationer som kan hjälpa till att förkorta time-to-market. Men Linux är ett komplicerat operativsystem 34 ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004

11 MIKROPROCESSORER som det krävs tid för att förstå. Linux är också minneshungrigt. Det är knappast någon idé att försöka att köra ett komplext OS utan att ha tillgång till prisbilligt SDRAM. En 8-bits mikroprocessor kräver normalt inte något komplext OS eftersom man inte behöver funktionaliteten hos komplexa drivrutiner, och inte heller någon schemaläggning. Ett operativsystem som Linux kan också påverka hur effektivt processorn arbetar, eftersom det inte har tagits fram som något realtids-os och därför kan påverka sådant som avbrottslatenser. En av de viktigaste aspekterna på en realtidstillämpning är hur den svarar på ett externt stimulus kallat avbrott (interrupt). 8-bitsprocessorer har ett ganska väl definierat och enkelt svar på externa avbrott: de lagrar registrens innehåll till minne, läser av i vektortabellen från vilken adress de skall starta en Interrupt Service Routine, och går slutligen till den adressen för att påbörja exekveringen av instruktionerna. Det är värt att notera att PIC-arkitekturer har en fast avbrottslatens på 3 instruktionscykler d v s under alla omständigheter kommer processorn alltid att gå in i ISR efter tre cykler. 32-bitsprocessorer måste också gå till en Interrupt Service Routine, vars adress de finner i en vektortabell. Vad som händer innan de kommer dit skiljer sig åt för olika processorer. Låt oss återigen se på MPC852T. PowerPC-kärnan har flera exekveringsenheter som kan exekvera instruktioner som matas in från en instruktionskö (Instruction Queue). Resultaten lagras därefter i korrekt avslutningsordning i en avslutningskö (Completetion Queue). När ett externt avbrott inträffar fortsätter programexekveringen tills alla tidigare instruktioner i avslutningskön avverkats. Detta API för multiprocessorsystem System med flera processorkärnor blir allt vanligare, både i konventionella datorsammanhang och i embeddedsystem. I embeddedsystem handlar det dessutom ofta om olika typer av processorkärnor, framför allt RISC-kärnor och DSP-kärnor. Det ger många fördelar, men när det blir dags att utveckla programmen visar sig också problemen. Oftast tvingas man att partitionera upp systemet på ett mycket - Diagrammet i fig 5 visar hur det i en 32-bitsprocessor kan uppstå en väsentlig latens från det att ett externt avbrott kommer in tills dess att ISR-rutinen påbörjas. (Figurerna har hämtats ur an- vändarhandboken till Motorola/ Freescale MPC866, men gäller lika bra för MPC852T.) Om allt detta har någon påtaglig effekt på processorns prestanda beror på minneshastigheten och klockfrekvensen. Om en 32-bitsprocessor har snabb klocka och snabbt minne kan latensen vara kortare än hos en 8-bitsprocessor med långsam klocka och långsamt minne. En varning måste dock ges: Bara det att man har en snabb 32-bitsprocessor betyder inte att den säkert kommer att reagera snabbare på avbrott. 32-bitsprocessorer är inte bara 8-bitsprocessor med en bredare databuss. De är arkitektoniskt mer komplexa, vilket betyder att det kräver en högre grad av initialisering. Detta resulterar i större mängder kod och än mer komplexitet. Mer användbara periferienheter medför också ökad grad av initialisering och mer komplexa drivrutiner. tidigt stadium och behandla systemet som fristående delar, säger Dan Chester, en av grundarna av Ignios Ltd. Det blir svårt att modifiera och svårt att uppgradera. Ändå blir arbetet komplicerat. Ignios har i stället utvecklat ett abstraktionslager som skall ligga mellan processorkärnorna och operativsystemet/tillämpningen. Den som utvecklar en krets med flera processorkärnor lägger till IP-blocket System Weaver, som hamnar som sedan blir programmerarens gränssnitt. System Weaver tar hand om schemaläggningen och skapar ett standardiserat programgränssnitt, API. kan ta åtskilliga klockcykler. Från denna punkt är reaktionstiden på avbrottet mellan 3 och 10 cykler. Under tiden hämtar kärnan de första instruktionerna från avbrottshanteraren. Detta kan som snabbast ske på 5 cykler, under förutsättning att instruktionen finns i instruktionscachen och att processorn arbetar i no-show-läge. Man kan förvänta sig en mycket längre latens om instruktionen måste hämtas från huvudminnet, som normalt är SDRAM. Statusinformationen måste fortfarande sparas på liknande sätt som i 8-bitsprocessorerna, men allt sker i de båda registren SRR0 och SRR1. Externt flashminne och behovet av SDRAM ökar också den totala kostnaden och komplexiteten hos 32-bits processorsystem, och till detta bidrar även den oundvikligt högre effektförbrukningen hos 32-bitsprocessorer. 32-bitsprocessorer ger dock mycket högre prestanda än 8bitsprocessorer, men till priset av ökade kostnader på systemnivå och mycket högre komplexitet. Om höga prestanda verkligen behövs, och speciellt om 100 Mbit Ethernet är ett krav, kommer en 32-bitsprocessor att ge nödvändiga prestanda och ge en kostnadseffektiv lösning. Totalt sett spelar inte kostnaden för själva processorn någon större roll. Det viktiga är applikationen och vilka resurser som krävs. Uppfattningen att 8-bits mikroprocessorer skulle vara dödsdömda och irrelevanta är en stor myt., ELEKTRONIK I NORDEN 18/

12 MÖNSTERKORT OCH SUBSTRAT Konstruktion/Systemkomponenter INLEDAREN Blyfri framtid? Mönsterkortets betydelse för slutprodukten tycks på inget sätt minska. Komplexiteten ökar och inför det kommande blyförbudet juni 2006 har det tillkommit frågor som : Vilken blyfria ytbehandling ger optimal tillförlitlighet och kvalitet? Två artiklar i mönsterkorttemat tar upp den frågeställningen. Men uppenbarligen finns inget rakt och enkelt svar på frågan. Så även om praktiskt taget alla mönsterkorttillverkare med självaktning hävdar att de kan leverera blyfria mönsterkort, är det inte säkert att dessa kort passar för just din produkt eller din produktionsprocess. Faktum är att under det dryga år som finns kvar till blyförbudet finns det knappast någon annan utväg än att göra praktiska prov och analysera resultaten från dessa. Den här sidan av det kommande blyförbudet är emellertid endast förnamnet på problemet. Att bara avgöra om en produkt verkligen är blyfri kommer att ställa till stora problem. Inte minst gäller det för produkter som tillverkas utanför Europa. Här finns både möjligheter och risker för mer eller mindre kreativa överträdelser av blyförbudet. Man skall visserligen inte i onödan måla Belsebud på väggen. Men det gäller att vara på sin vakt, även om det kan bli nog så svårt. Vi kommer att fortsätta att fördjupa oss i blyförbudets inverkan på elektronikproduktionen och ser fram emot synpunkter från alla er som skall se till att det genomförs och efterlevs. THORE RÖSNES Snittprov avslöjar mönsterkortets innersta Alla som bekantat sig med IPC eller Perfag vet att mönsterkort kan kvalitetskontrolleras på en mängd olika punkter. Snittprov är den mest vedertagna metoden för att kontrollera tillverkningsprocessen och är ofta det enda sättet att upptäcka och mäta vissa detaljer inuti ett mönsterkort, skriver här Esbjörn Johansson. Han har tidigare varit teknisk chef hos en mönsterkorttillverkare och har skrivit en bok om mönsterkort. För mönsterkorttillverkare är snittprov ett utmärkt verktyg för att övervaka och analysera fel i tillverkningsprocesserna, men också för att utvärdera nya metoder, processer, material osv. För användare av mönsterkort är snittprov ett utmärkt sätt att utvärdera kvaliteten hos en ny potentiell kortleverantör, eller för att göra felanalys om det skulle uppstå problem. Vissa detaljer som framträder i ett snittprov kan ge en antydan om att något inte står rätt till vid mönsterkortproduktionen och att mönsterkortet riskerar att falla utanför specifikationen. Mönsterkort som ingår i kritiska applikationer inom t ex medicinteknik, flyg- och rymdelektronik, genomgår frekvent snittprovstagning, vanligen ett prov ur varje batch. Men även mönsterkort som används inom mer konventionella områden bör periodvis utsättas för noggrannare granskning genom snittprov, som mönsterkorttillverkaren normalt kan tillhandahålla på begäran. Vid utvärdering av en ny leverantör eller vid svårare kvalitetsproblem kan det annars vara lämpligt att anlita en oberoende tredjepart som gör ett snittprov och utför en neutral bedömning. Optisk inspektion, röntgen, mekanisk mätning och lödbarhetsprov i all ära, men för att se Foto Jan Zettergren Fig 1. Exempel på koppartjocklek i ett pläterat hål. Fig 3. Lödmask över en ledare. Notera även glasfiberarmeringen i laminatet. Fig 5. Anslutning mellan ett innerlager och kopparplätering i hålvägg. Fig 7. Tydlig kavitet i hålväggen orsakad av urrivning vid borrning. Fig 2. Exempel på hur tunn varmförtenning blir över hålkragens skarpa kant, < 1 µm. Fig 4. En hålighet i kopparpläteringen som inte upptäckts vid eltest. Fig 6. En hålighet i pläteringen har stängt inne vätska, vilket orsakat en utgasning vid lödning. Fig 8. Innerlagren ligger förskjutna. En typisk registreringsavvikelse. små och kritiska detaljer inne i mönsterkort är det snittprov som gäller. Nedan följer ett representativt urval av vad man kan se i ett snittprov: Skikttjocklekar (se fig 1, 2 och 3) Pläteringsdefekter (se fig 4) Etsningskvalitet Defekter i basmaterialet Koppar som lossnat från basmaterialet Innerlageranslutningar (se fig 5) Utgasningar (se fig 6) Delaminering och blåsor Borrdefekter (se fig 7) Registreringsavvikelser (se fig 8) Inneslutningar (luftbubblor, skräp osv) Undersökning av ett snittprov utförs normalt i ett metallurgiskt, optiskt mikroskop, under hög förstoring: ggr (eller i vissa fall i ett svepelektronmikroskop). Genom att variera påsikts- och bakgrundsbelysning kan olika nyanser hos provet framträda beroende vad man vill titta närmare på. Skärpedjupet är mycket litet vilket gör att minsta dammkorn, repa eller luftbubbla lätt kan misstolkas för ett otränat öga. Mikroskopets fokus måste flyttas fram och åter för att hitta rätt plan för att utesluta optiska synvillor och falska fel. För att tolka ett snittprov och upptäcka eventuella avvikelser krävs med andra ord ett tränat öga och goda kunskaper i mönsterkortproduktion. Bedömning av kvalitetsavvikelser och i vilken grad de är acceptabla, kan göras genom att jämföra med en lämplig standard, t ex IPC eller Perfag. Ren felsökning kräver än mer djupgående kunskaper om processen bakom mönsterkorttillverkning. Ett fel som erfarenhetsmässigt härrör från en viss delprocess kan hos en annan mönsterkortstillverkare ha uppstått i ett helt annat processteg. Även mycket små förändringar i tillverkningsprocessen kan ge till synes långsökta effekter långt senare i produktionskedjan. Det beror på den komplexa produktionen med en kombination av mekanisk bearbetning, pressning, fotolitografi, kemiska processer, lackning och härdning. Dessutom har vi det faktum att ett mönsterkort består av flera materialkombinationer som strävar åt olika håll vid termiska förändringar. Felsökning i mönsterkort kan följaktligen bli ett avancerat detektivarbete och där är snittprov ett svårslaget felsökningsverktyg. INGJUTNING, SLIPNING OCH POLERING När man ska ta fram ett snittprov pratar man ofta om att göra en ingjutning. I praktiken är det ett omfattande hantverk där man börjar med att såga ur en eller flera bitar ur mönsterkortet, ibland i olika riktningar för att kunna upptäcka avvikelser som beror på hur mönsterkortämnet färdats i processanläggningarna. Provbitarna gjuts in i plast och 36 ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004

13 MÖNSTERKORT OCH SUBSTRAT Fig 9. Exempel på ett ingjutet snittprov i klar akrylplast, slipad och polerad. Fig 10. Ofta tas snittprov i mitten av ett pläterat hål, för att få med så mycket information som möjligt. Fig 11. Etsat prov där gränsen mellan innerlagerkoppar och pläterad koppar kan skönjas. Notera även det kornigare tenn-bly-skiktet. efter härdning följer en omfattande slipnings- och poleringsprocess, se fig 9. Normalt tas snittprov i mitten av ett pläterat hål (se fig 19) eftersom just hål är extra kritiska rent processtekniskt för mönsterkorttillverkaren. Termisk och mekanisk stress vid lödning gör också hålpläteringen och anslutningar till innerlager extra utsatta. För att provocera fram ett visst fel före snittprov, kan mönsterkortprovet också utsättas för t ex mekanisk stress, temperaturcykling och högspänning. Här en kort beskrivning av hur ett snittprov vanligtvis prepareras: 1) Provbiten sågas ut med lämpligen en diamantklinga så att provet inte utsätts för onödig mekanisk påfrestning och därmed risk för oönskade defekter. Provbiten är ofta inte större än några cm 2. 2) Provbiten precisionsågas, alternativt grovslipas, för att komma närmare önskat analysområde. 3) Provbiten rengörs och torkas, för att sedan gjutas in med en lämplig plastmassa i en form. Ingjutningen är ett kritiskt moment eftersom fel typ av plastmassa kan förstöra provet och en felaktig blandning kan ge luftbubblor. Efter härdning plockas det ingjutna provet ur formen. 4) Det ingjutna provet grovslipas i en våtslipmaskin med ett speciellt slippapper med en kornstorlek på t ex ) Våtslipningen fortsätter med stegvis minskade kornstorlek, t ex 240, 600, 800, 1200 osv. Slipningsproceduren är ett hantverk som bygger på att komma så nära önskat analysområde som möjligt, samtidigt som provet ska bli vinkelrätt. Ofta vill man också komma så nära det pläterade hålets centrum som möjligt för att få tillräckligt noggrann mätning av kopparplätering och andra skikt. Under slipningen avgörs också provets kvalitet, en repa på några få µm kan störa analysen. För att få minimalt med sliprepor och inte riskera urrivningar och falska fel är det därför viktigt med ett fräscht slippapper, god vattentillförsel, tryck och rätt sliphastighet. 6) Beroende på vad man vill se på snittprovet och med vilken precision, kan man fortsätta med polering av provet. Det finns dock slippapper med korn 4000 som ger relativt hög ytfinish. Väljer man att fortsätta med polering kan det göras med t ex diamantpasta med gradvis minskande kornstorlek (5 µm, 3 µm och 1 µm). Man måste också tillföra någon form av vätska för att fördela diamantpastan och minska friktionen. Polering görs med olika polerdukar för varje kornstorlek och snittprovytan måste rengöras mellan varje cykel. Slutresultatet blir en högblank yta. Slipnings- och poleringsprocessen kan utföras i en automatisk maskin, men ofta görs den manuellt för att få rätt känsla och uppnå önskat resultat. Som du förstår handlar det om en tidskrävande procedur att framställa ett högkvalitativt snittprov. Belöningen kommer dock med att man kan genomföra en ofta mycket omfattande analys på µm-nivå. Genom att utsätta snittprovets yta för en lätt mikroetsning kan man också göra gränserna tydligare mellan olika metaller och framförallt lyfta fram gränserna mellan den mjukare baskopparn och den pläterade kopparn. Se fig 11. Exemplen i artikeln har baserats på genompläterade hål, men givetvis går det också att ta snittprov på blinda och dolda hål samt mikrovior. Mikrovior kräver förstås extra hög noggrannhet vid preparering. Med ungefär samma teknik som snittprovstagning går det också att analysera mönsterkort på ytan genom att planslipa lager för lager i tunna skikt. ATT TOLKA SNITTPROV Det händer säkert att dina mönsterkortleverantörer skickar över ett snittprov eller en testrapport med färgbilder. Ett bra sätt att lära sig tolka snittprovbilder är att studera någon standard närmare, t ex IPC eller Perfag. IPC har förutom standarder även en del utbildningsmaterial. En inkörsport till mönsterkortteknik överhuvudtaget är Boken Mönsterkort- från CAD till kort som beskriver hur mönsterkorttillverkning går till med ett stort antal illustrationer. Djupare teknikdykningar inom mönsterkort kan man annars göra i någon av McGraw-Hills böcker, t ex Printed Circuits Handbook. ESBJÖRN JOHANSSON Länkar till litteratur och standarder: Alla sorters mönsterkort med fokus på högt teknikinnehåll. Order- och prognoshantering. Snabba, säkra och korrekta leveranser genom effektiv, välbeprövad logistik. Möjlighet till rådgivning redan från konstruktionsstadiet för funktionella lösningar och kostnadseffektiv produktion. Produktion och mönsterkort anpassade till särskilt höga miljökrav. AGETO AB, Tumstocksvägen 11 A, Täby. Tel ELEKTRONIK I NORDEN 18/

14 MÖNSTERKORT OCH SUBSTRAT Effektivt grupparbete ger kortare utvecklingstid Dagens EDA-verktyg har markant förbättrats för att hantera konflikter och samtidigt synkronisera och kontrollera data. Samtidig konstruktion, concurrent engineering, innebar tidigare en manuell process som var svår att hantera. Med dagens program kan denna process automatiseras och ett team kan idag samtidigt konstruera kretskortet, det logiska schemat eller en kombination av dessa. Larry Vargas på Mentor Graphics har skrivit artikeln. Det logiska schemats individuella arbetspunkter skapas och varje konstruktör inleder sin utveckling av konstruktionen. När tillräckligt med data finns för att inleda den fysiska konstruktionen (PCB) synkroniseras de individuella arbetspunkterna till mastern. Nu startar utvecklingen av kretskortet som, återigen ifall det finns resurser tillgängliga, kan uppdelas i ett antal områden. Nu kan både schemakonstruktörer och layoutkonstruktörer jobba samtidigt i sina respektive områden. Under processen sker uppdateringar och ändringar, och den kritiska punkten är att synkroniseringen sker på rätt sätt. Alla inblandade bör därför spara sina individuella arbetspunkter. För kretskortskonstruktörerna innebär detta att de sammanfogar sina partitioner till masterdesignen med join -kommandot, varefter schemadatabasen synkroniseras med PCB-databasen. Därefter kan konstruktionen åter delas upp för fortsatt individuellt arbete. Företagen pressas till att producera mer men med färre resurser. Och det är viktigt att nya och innovativa produkter snabbt lanseras på marknaden innan den eroderas av konkurrenterna. För att adressera den utmaningar, står företagens konstruktionsavdelningar inför det faktum att flera konstruktörer måste jobba samtidigt på att ta fram en produkt, alternativt jobba ihop mer effektivt i ett projekt. Detta är en bra strategi, men hur stöds den av dagens konstruktionsverktyg? Hur kan till exempel verktygen hantera data som samtidigt skall var tillgängliga för flera konstruktörer? EDA-verktygen (Electronic Design Automation) bör därför idag stödja konflikthantering och samtidigt kunna synkronisera och kontrollera data. Förr i tiden innebar samtidig konstruktion en manuell process som var svårt att hantera och som dessutom var mycket känslig för felkällor. Mycket tid gick åt för att försöka återskapa utgångspunkten efter att man hade misslyckats med att t ex synkronisera de olika delmomenten i konstruktionen. Dagens program har markant förbättrats för att kunna automatisera denna process. Generellt kan man idag samtidigt konstruera kretskortet, det logiska schemat eller en kombination av dessa. Alternativt kan man tillämpa blockbaserad konstruktion, vilket möjliggör individuell konstruktion av submoduler som sedan återanvänds i toppnivå-designen. Båda dessa sätt har både för- och nackdelar. Metoden kan tillämpas på två sätt: Den första är den klassiska återanvändningsmetoden som bygger på att man från en existerande design återanvänder hela eller delar av denna i den nya produkten. Beroende på skillnader mellan originalet och den nya konstruktionen kan vissa problem uppstå. Skillnaderna kan t ex bestå i hur lageruppbyggnaden på kretskortet ser ut, och därmed har konstruktionsreglerna ändrats, eller att teknologin har ändrats med tanke på nya komponenter. I den andra blockbaserade metoden är dessa problem nästan obefintliga i och med att alla blockmoduler använder sig av samma mall (lagerstruktur, design regler, bibliotek). Modulerna är konstruerade individuellt och oberoende av varandra och när dessa sedan kopplas samman i en hierarkisk struktur sker detta oftast utan problem. FÖRDELAR I och med att modulerna är konstruerade individuellt och parallellt kan utvecklingstiden drastiskt förkortas. Risken för att en större konstruktionsändring skall påverka submodulerna är också minimal. Experter på olika områden såsom RF-, digital och analog konstruktion kan koncentrera sig på sina kompetensområden och när varje modul är klar kan denna resurs snabbt förflyttas till ett annat projekt. NACKDELAR På grund av att submodulerna är konstruerade individuellt kan det uppstå problem med signaler som har ett inbördes beroende. Likaså kan problem uppstå vid olika typer av regler för specifika nät såsom ledarbredd, isolering etc. Uppenbart är att det måste försiggå en fortlöpande intern kommunikation mellan de olika konstruktörerna för att undgå problem senare i processen. LOGIKKONSTRUKTION Samtidig logik- eller schemakonstruktion har utövats under många år i industrin. Oftast var dessa metoder internt utvecklade och specifikt anpassade till vissa verktyg och programvaror. Utgångspunkten var en hierarkisk design. Idag finns det kommersiella verktyg att tillgå. Board Architect programmet från Mentor Graphics har exempelvis en elegant lösning genom något som kallas design viewpoints eller arbetspunkter. Dessa arbetspunkter är olika vyer av en gemensam databas. Om fyra konstruktörer arbetar samtidigt på ett schema finns sex arbetspunkter, fyra individuella (logikkonstruktion), och en master samt ytterligare en för kretskortskonstruktören (pcbarbetspunkt). De fyra konstruktörerna arbetar individuellt på sina egna arbetspunkter och synkroniserar ändringarna till mastern, vilken i sin tur synkroniseras med kretskortet. Under utvecklingens gång kommer det att ske ändringar och uppdateringar som kräver att dessa arbetspunkter uppdateras enligt förutbestämda regler. Detta hanteras i programvaran av en konfigurationsfil, som i händelse av en konflikt, avgör vilken arbetspunkt som har företräde och därefter uppdaterar övriga arbetspunkter. I praktiken sker alltså uppdateringar från t ex kretskortskonstruktören, som ändrat referensnummer på ett antal motstånd, och då kommer logikkonstruktörerna att se dessa ändringar i sina individuella arbetspunkter. Programvaran innehåller också funktionalitet för att äga ett schema. Detta innebär att ingen annan har rättigheter att göra ändringar (andra kan fortfarande se schemat) innan ägaren så tilllåter. Detta möjliggör samtidig konstruktion även på icke hierarkiska konstruktioner. Den största fördelen är naturligtvis att man nu samtidigt konstruerar det logiska schemat och den fysiska layouten (pcb) vilket leder till en förkortad utvecklingstid. KORTDESIGN Precis som vid samtidig logisk konstruktion har företag själva byggt interna anpassningar och program för kretskortsdelen som på ett hjälpligt sätt har underlättat samtidig konstruktion av kretskortet. Dessa metoder har oftast visat sig vara tidskrävande och mer av typen klippa och klistra i databasen vilket innebär en hel del tilläggsarbete. Mentor Graphics har här en produkt TeamPCB med vilken en layout kan partitioneras i flera delar. Tag exemplet med fyra konstruktörer som nu jobbar med samma layout. Och i detta fall partitioneras designen i fyra delar. Dessa delar eller områden på kortet kan definieras individuellt och även baseras per lager. Man kan se de andra layout-konstruktörernas områden och även se vilka ändringar som skett där, men man kan bara editera inom sitt eget område. Signaler som löper mellan dessa reserverade områden kan styras med hjälp av så kallade guide pins. Och när alla individuella områden är klara, finns det i programmet ett kommando join, som sammanfogar alla reserverade områden till huvuddesignen. På liknande sätt finns ett split -kommando för att dela upp områden. Återigen spar detta tid eftersom flera konstruktörer kan arbeta samtidigt med samma konstruktion och det är framförallt värdefullt om ett projekt ligger efter i projektplanen. Även här kan experter jobba på sina specialområden såsom RF-, digital- och analoglayout. En annan fördel med TeamPCB är att även konstruktionsteam som geografiskt sitter på olika ställen kan arbeta med dessa partitioner. Denna metod kunde tidigare bara anpassas på blockbaserade konstruktioner. Idag finns det nya 38 ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004

15 MÖNSTERKORT OCH SUBSTRAT lösningar som förbättrar denna process. Genom de lösningar som beskrivits ovan kan man nu definiera en process som är överlägsen de tidigare sätten att angripa dessa problem. I dessa scenarion jobbar man således simultant med både schema och layout. Det logiska schemats individuella arbetspunkter skapas och varje konstruktör inleder arbetet med sin del av konstruktionen. När det finns tillräckligt med data för att inleda den fysiska kortdesignen (PCB) synkroniseras de individuella arbetspunkterna till mastern. Nu startar utvecklingen av kretskortet, som återigen ifall det finns resurser tillgängliga, kan uppdelas i ett antal områden. Därmed kan både schemakonstruktörerna och layoutkonstruktörerna jobba samtidigt i sina respektive områden. Under processen kommer uppdateringar och ändringar att äga rum, den kritiska punkten här är att synkroniseringen sker på rätt sätt. Alla inblandade bör spara sina individuella arbetspunkter. För kretskortskonstruktörerna innebär detta att de sammanfogar sina partitioner till masterdesignen med join-kommandot. Därmed synkroniseras schemadatabasen med PCB-databasen. Efter detta kan designen åter delas upp för fortsatt individuellt arbete, se fig 2. Om man också använder sig av reuse blocks ökas naturligtvis komplexiteten, men ifall blocket som skall återanvändas är mer eller mindre statiskt och kommer från ett bibliotek, bör inte detta ge några problem. Är blocket däremot under utveckling samtidigt som projektet fortlöper bör uppdateringar från reuse blocket ske väl koordinerat. Kommunikation är sålunda en central punkt för att informera de inblandade om eventuella uppdateringar och synkroniseringar, och framförallt när dessa kommer att ske. Målet med concurrent engineering är ju att så mycket som möjligt korta den totala utvecklingstiden. Och i jämförelse med den traditionella seriella processen ser man en klar möjlighet för tidsbesparing. Konstruktionsprogrammen har utvecklats avsevärt och erbjuder nu en väl strukturerad process som säkrar att utdata i slutändan är korrekt. Integrering av designteamen, bra intern kommunikation, och en väl strukturerad process är en viktig grund till framgång. LARRY VARGAS, MENTOR GRAPHICS ÖVERSÄTTNING: HARRI HELLSTRÖM ELEKTRONIK I NORDEN 18/

16 MÖNSTERKORT OCH SUBSTRAT Test&Mät/Produktion Här är Nordens mönsterkortleverantörer. Denna och alla våra andra översikter finns på vår hemsida w ww.elektronikinorden.com. Klicka på Produktdataser. Nordens mönsterkortleverantörer ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004

17 MÖNSTERKORT OCH SUBSTRAT ELEKTRONIK I NORDEN 18/

18 MÖNSTERKORT OCH SUBSTRAT Test&Mät/Produktion Principiella snittbilder av de vanligast förekommande blyfria ytbehandlingarna (A) Kemiskt tenn, (B) ENIG (electroless Ni/Au), och (C) Kemiskt silver, (D) Lödförbindningen mellan kort och BGA-anslutning. Här har man använt ENIG som ytbehandling. Tack vare lödmasken ytbehandlas enbart lödpaddarna. (Källa: Würth Elektronik) Är kemiskt silver bästa lösningen? Fig 1. Bland alternativen för ytbehandling har Würth valt kemiskt silver av flera skäl: Det ger god lödbarheten, silver ingår vanligtvis även i den blyfria lodpastan ochg kemiskt silver inverkar inte på interfacet på lödställena. Nackdelar, som silvermigration, atmosfärisk påverkan eller att det skulle vara en instabil process, gäller inte längre. (Källa: Würth Elektronik) Övergången till en blyfri process innebär inte bara att man måste använda blyfria lod, utan det innebär också om blyfria komponenter, och inte minst blyfria mönsterkort. Det duger alltså inte längre med hot-airlevelling med SnPb (tenn och bly) eller någon annan ytbehandling som innehåller bly. Det finns flera olika blyfria processer att välja mellan, se fig 1, som alla har sina för- och nackdelar. Den tyska mönsterkorttillverkaren Würth Elektronik framhåller att lödytor med kemiskt silver (immersion silver) ger ett gott resultat. Dels är lödbarheten mycket god och silver ingår även i merparten av de blyfria loden. Dessutom fungerar kemiskt silver bra tillsammans med SnPb-lod, så länge man nu får/vill använda det. SILVERMIGRATION INGET PROBLEM Det finns historiskt vissa nackdelar med silver, t ex risken för silvermigration och att ytan oxideras, samt att det varit en instabild ytbehandlingsprocess. Det gäller emellertid inte den moderna process, Alphalevel, som Würth använder sig av. Vid den kemiska silverprocessen handlar det om en utskiftning av kopparjonerna på mönsterkortets lödpaddar som därmed täcks av silverlösningen. Processen med kemiskt silver har, som alla andra kemiskt applicerade lödningsytor, den stora fördelen att ytan blir mycket slät och likformig och därför passar bra för moderna FPkomponenter (Fine Pitch). Ytterligare en fördel är att processen reglerar sig själv, det vill 42 ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004

19 MÖNSTERKORT OCH SUBSTRAT säga att den stannar upp så snart alla lödpaddar är komplett täckta (skiktytan är 0,15-0,25 µm). Processen är sålunda mycket enkel och ger en konsistent skikttjocklek. GOD LÖDBARHET Alpalevel-processen utmärker sig genom en framstående lödbarhet, också efter många lödningsprocesser i kombination med såväl blyfria som blyhaltiga lod. Vid upprepade lödningsprocesser måste dessa dock, för att bibehålla den goda lödbarheten, ske inom loppet av 14 dagar. Tillförlitligheten hos lödförbindelser med kemiskt silver är lika bra som hos kort med andra typer av ytbehandling. Undersökningar som gjorts vid Frauenhoferinstitut i München (ZVE) indikerar t o m en högre tillförlitlighet vid temperaturväxlingstester än vad man kan räkna med hos andra blyfria ytbehandlingar. Alphalevel innehåller en organisk inhibitor som skyddar silvret från att oxidera vilket bibehåller lödbarheten vid lagring. Den garanterade lagringsbarheten är sex månader, vilket är jämförbart med det som gäller för andra kemiska ytor. Tack vare processens kompabilitet med både blyhaltiga och Ny leverantör PCB Connect AB heter ett nytt företag som har specialiserat sig på försäljning av mönsterkort. Grundarna, Jonas Petterson, Lars Nilsson och Cristian Andersson har lång erfarenhet av mönsterkort. Det var när deras förra arbetsgivare, NCAB Sweden AB, ändrade inriktning mot större kunder som idén föddes till att starta en egen verksamhet för att fånga upp små och medelstora kunder. Mönsterkorttillverkarna finns i Kina, Taiwan och övriga Asien samt i Europa. Leveranstiden från asiatiska mönsterkorttillverkare är 10 dagar. Från europeiska kan kunden få sina kort på 3-5 dagar, säger Lars Nilsson. De flesta leveranser avser 4-lagerskort, men man har möjlighet att sälja mönsterkort med upp till 40 lager! De flesta kort är FR4- laminat men även speciallaminat, baserade på exempelvis teflon, förekommer. GUNNAR LILLIESKÖLD blyfria lod är Alphalevel också intressant som ytbehandling fram till dess att blyförbudet träder i kraft den 1 juni 2006, eftersom inga ändringar av mönsterkortet lödpaddar behöver göras vid omställningen till blyfritt. Enligt Würth är Alphalevel dessutom billigare jämfört med andra blyfria alternativ. Såsom framgår av den efterföljande artikeln är det dock alldeles för tidigt att säga vilken typ av ytbehandling som ger det optimala resultatet i just din applikation och produktionsprocess. Det enda riktiga är att prova sig fram i den egna processen. Det räcker då knappast med att montera några enstaka kort och tro att man är redo för blyfri produktion. Och dagen D är faktiskt inte så långt borta. THORE RÖSNES (Artikeln är baserat på material från Würth Elektronik) Som framgår av mikroskopbilderna ger silverprocessen en jämn yta med god planhet. (Källa: Würth Elektronik) Lars Nilsson, marknadsföring, Jonas Petterson, vd, och Christian Andersson, säljare på PC Connect AB. ELEKTRONIK I NORDEN 18/

20 MÖNSTERKORT OCH SUBSTRAT Test&Mät/Produktion På IMAPS-Nordics årliga konferens presenterades Claus Wurtz Nielsen, från Nokia Mobile Phones R&D i Danmark, en undersökning som kommer att ge eko i elektronikvärlden. I hans föredrag The evolution of surface finishes in mobile phone applications framkom följande: I valet av ytfinnish ger OSP (Organic Solderability Preservative) bättre tillförlitlighet än ENIG (Electroless Nickel Gold) på lödytor. På ytor där man har tryckkontakter, som tangentbord eller fjädrande kontakter mot mönsterkortytor, har man både av tillförlighetsskäl Välj rätt ytbehandling för blyfria mönsterkort Claus Wurts Nielsen delade upp ytfinish på mönsterkort i två grupper: En grupp är kort där lödbarheten skulle bevaras (lagring före lödning) var ett kriterium, ett annat var planhet hos lödytorna och ett tredje styrkan hos lödfogarna dvs tillförlitligheten. De alternativ som finns är HASL (Hot Air Solder Leveling), kemiskt tenn (Immersion Tin) Ni/Au (ENIG), kemiskt silver (Immersion Silver) och OSP. Kemiskt tenn och silver är relativt nya och tveksamma ur tillförlitlighetssynpunkt. HASL är inte lämplig för kapslar med liten bendelning, medan ENIG ger stora problem genom att vissa lödytor blir porösa och därmed får låg tillförlitlighet (black pad). Det gäller speciellt för kapslar med många anslutningar, typ BGA/CSP. Bäst är alltså OSP! Den andra typen av ytfinish gäller tillämpningar som tangentbords- och fjäderkontakter, vilka kräver motståndskraft mot nötning, motståndskraft mot korrosion och acceptabel kontaktresistans. Här är alternativen elektropläterat Ni/Au, Ni/Au (ENIG), kemisk silver, polymer koltryck och lodpasta (för Sn/Sn-kontakter). LEDANDE INOM ESD-SKYDD Info om produkter & utbildningar på vår websida Tel fax Fig 1. Ur mekanisk synpunkt är lödfogarna mellan mönsterkort och BGA/CSP-kapslar stumma och utsätts därför, främst vid fallprov, för stora påfrestningar. Fig 4. Förbättrad ENIG (Högt P) efter saltdimmetest. Som synes kraftig korrosion! M O B I LT E L E F O N M I L J Ö Miljön för mobiltelefoner är faktisk ganska svår samtidigt som tillförlitlighetskravet har ökat i takt med att telefonerna har fått fler funktioner utöver själva telefonfunktionen såsom kamera, video, internetmöjligheter etc. Och i takt med att priset på sådana telefoner ökat har också kravet på tillförlitligheten ökat. Den miljö som mobiltelefonerna skall klara är till exempel upprepade fall mot ett hårt underlag från 1,5 meters höjd. Och det ställer stora krav på den mekaniska hållfastheten hos lödfogarna. Vidare måste telefonerna fungera i hög luftfuktighet samt i svettig omgivning och i korrosiva atmosfärer. YTFINISH UR M I L J Ö S Y N P U N K T Ur mekanisk synpunkt är lödfogarna mellan mönsterkort och BGA/CSP-kapslar (Ball Grid Array, Chip Scale Packages) stumma och utsätts därför, främst vid fallprov, för stora påfrestningar. Se fig 1. Analyser av felaktiga lödfogar efter falltestet avslöjade att man fick en spricka just mellan Cupadden och gränsytan mot lödkulan vilket framgår av fig 2. Den typ av spricka som uppstår mellan Cu-pad med NiAu (ENIG) ytfinish beror på att den typ av intermetall som uppstår mellan Sn (i lodet) och Ni på padden. Denna intermetall är tunnare och sprödare än den intermetall som uppstår mellan Sn (i lodet) och Cu på padden om ytfinishen är OSP. Därför är lödpunkter med OSP som ytfinish tillförlitligare än med Au/Ni (ENIG)som ytfinish. Det bör framhållas att detta inte beror på att Au fanns på padden och kostnadsskäl för vissa produkter börjat använda tryckt, polymert kol. Det kommer dock att ta tid för mönsterkortindustrin att ställa om sin produktion från ENIG till OSP, med tryckta, polymera kolskikt. Omställningen kommer att ta 1-2 år och den innebär investeringar i ny utrustning, tryckare, ugnar, upplärning i ny teknik etc. Rapporten refereras här av Hans Danielsson, som är konsult och bl a arbetar med tillförlitlighetsfrågor. Fig 2. Spricka mellan lödkula och Cu-pad. Fig 5. Koltryckt pad efter saltdimmetest. Då saltet tvättas bort syns ingen påverkan. från början eftersom Au-skiktet är för tunt (40-60 nanometer) för att ge upphov till guldsprödhet i lödfogen. BLACK PAD Denna typ av defekt visar sig som att vissa ENIG-paddar ser mörka ut. Analys visar att dessa paddar är mer porösa till sin natur liksom att paddarna uppvisar sprickor. Dessa sprickor kan exponera Ni mot den omgivande luften vilket leder till att lödbarheten mot denna pad blir dålig med låg mekanisk hållfasthet som resultat. En Black Pad visas i fig 3. Man är fortfarande inte klar över vad som medför Black Pads, vilka mycket sällan uppstår på ett fåtal paddar i en mönsterkortbatch. Vad man har kunnat konstatera är att fenomenet uppstår oftare runt BGA/CSP-paddar på mönsterkortet. Även om Black Pad -fenomenet uppstår med en frekvens av säg 1 ppm ( ), är detta mycket kännbart ur massproduktionssynpunkt. Fig 7. Kolbelagd tangentbordspad efter kombinerad nötnings-och korrosionstest. Fig 3. Black Pad. Fig 6. ENIG tangenbordspad efter kombinerad nötnings- och korrosionstest. Antag till exempel att en komplex mobiltelefon har 1000 paddar och produceras i mängden 100 miljoner per år. Detta medför då att mönsterkort per år har en Black Pad vilket definitivt är allvarligt. Därför säger Nielsen i sin sammanfattning: Soldering on ENIG is not recommended in general and should be banned for BGA component types. ENIG JÄMFÖRT MED KOLTRYCK Man utförde saltdimmetest (2 veckor) och resultatet enligt fig 4 och 5 talar för sig självt. Observera att man här testade en förbättrad ENIG-process ( mainly High P ). Vanlig ENIG-process var ännu sämre ur korrosionssynpunkt. Som framgår av fig 4 finns kraftig korrosion på den förbättrade ENIG-ytan efter saltdimmetest, medan fig 5 visar att kolpadden är helt opåverkad efter saltdimmetesten (saltet som har fällts ut tvättas bort). Resultatet av det kombinerade testet, som visas i tab 1, är ett speciellt Nokia-test (icke standardiserat) för att provocera fram felorsaker. Testet simulerar flera års användning av en mobiltelefon. Efter tangentanslag konstaterades en resistansökning i ENIG-enheten och efter tangentanslag uppstod det första felet i ENIG-enheten. Analysen, se fig 6, pekade på både nötning och korrosion. Kolpaddarna däremot visade godkänt resultat och var helt opåverkade, vilket framgår av fig 7. POLYMERT KOL Processflödet för polymert kol framgår av fig 8. Nielsen framhöll här att IR-härdning gav det bästa resultatet. Kontaktresistansen definierades som övergångsresistansen mellan fjäderkontakten mot kol + resistansen i kollagret + övergångsresistans mot kopparytan. En total kontaktresistans som överstiger 10 ohm omedelbart efter härdning bör dock inte accepteras utan visar på inadekvat avoxidering av kopparytan. Kolpasta från alla leverantörer gav inte godkänt resultat. Ett enkelt och bra test är att testa pastan efter härdning i 48 timmar i 85 C vid 85 procents relativ luftfuktighet (RH). Kravet efter detta test är att kontaktresistans skall vara lägre än 10 ohm. Kolpastans ursprungliga ytresistans bör ligga mellan ohm/kvadrat. Nackdelen med kolkontakterna är att man måste kunna leva med en (initial) kontaktresistans som understiger 10 ohm. I vissa fall kan man dock acceptera avsevärt högre resistanser. Vad gör man då om man måste ha en yta med mycket låg kontaktresistans? De alternativ som finns är följande: Selektiv elektroplätering med Au >0,8 µm. Det fordrar att de kontakter som skall elektropläteras är sammankopplade vilket dels är dyrt, dels kan ge problem med EMC (Electromagnetic Compatibilitty) eftersom de ledarstumpar som ofta blir kvar efter avklippning kan ställa till med problem. Selektiv ENIG av förbättrad typ. P3 (Pick and Place Pads) Detta innebär att man elektrolytiskt pläterar en Cu-plåt/folie med Ni och Au, stansar ut lämplig form och placerar ut plåtarna med Pick and Place i lodpasta, på samma sätt som övriga komponenter. Detta är enligt Nielsen lönsamt jämfört med selektiv ENIG om färre än 10 styck P3-enheter skall monteras per mönsterkort. HANS DANIELSSON, MIKROELEKTRONIK KONSULT AB hans.danielsson@mbox301. swipnet.se 44 ELEKTRONIK I NORDEN 18/2004