ЛевМих, ... почему то Вы незаслуженно упустили интересный пласт ЭСЛ (например серия 500).
В том посте я обозрел только
основные семейства "стандартной логики", которая применяется везде (в т.ч., в СУ ракет и КА). А ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика, ECL), НЯЗ, в СУ ракет совершенно ни к чему, а на КА если и применяется, то только в радиоаппаратуре, да и то ограниченно. Более того, я в том посте даже сначала оговорил, что я не упоминаю семейства ЭСЛ, рМОП и пМОП, как имевшие весьма ограниченное применение, но потом убрал это при сокращении. Впрочем, технология ЭСЛ тесно связана и с ракетными делами: ЭСЛ - основа старинных суперЭВМ "Эльбрус" и "Эльбрус-2" отечественных систем ПРО. Так что можно считать, что это не совсем оффтоп в теме "О космосе".
MikVolg, Вы, сами того не зная, дернули меня за одно из самых чувствительных мест. "Вы просите песен - их есть у меня" (С), "щас спою" (С). Дело в том, что к разным цифровым ИС я отношусь не более чем с уважением, а к ЭСЛ - с нежными чувствами, и я потратил несколько кусочков жизни (с конца 70х до середины 90х) на разработку ряда широкодиапазонных программируемых генераторов ВЧ (до 200 МГц) с аналого-цифровыми системами быстродействующей частотной автоподстройки (ЧАП, а не ФАПЧ!), содержащими до нескольких десятков ИС ЭСЛ серии К500.
Нежные чувства - потому, что я всегда предпочитал лично заниматься разработкой не логики (это обычно ремесло, а не Искусство), а изощренных аналоговых схем. А ЭСЛ, в отличие от всех остальных семейств логики, это по существу аналоговые схемы (суммирующие видеоусилители и балансные перемножители, с обратными связями для организации запоминания в триггерах), но работающие в режиме ограничения большого сигнала. И разработка устройств на ЭСЛ, как и разработка изощренных аналоговых устройств, требует весьма комплексного подхода: учет паразитных параметров монтажа, согласование волнового сопротивления линий связи при их длине более нескольких см и т.п. - в общем, единство схемы и конструкции.
Теперь ближе к делу, и надеюсь, что кому-то кроме
MikVolg'а это будет понятно, любопытно и полезно для расширения кругозора. Прошу простить за возможные непринципиальные неточности: пишу в основном по памяти, поскольку концентрированного источника нужной информации я с ходу не нашел, а ответы на частные вопросы слишком глубоко урыты, и их замучаешься искать.
Итак, ЭСЛ - это наиболее быстродействующая логика из всех логических семейств: в первых сериях (в США - 71г) максимальная тактовая частота была 125...200 МГц, а в новейших - 10 ГГц и более. Это быстродействие достигается следующим комплексом мер.
1) Применение весьма высокочастотных транзисторов, с граничной частотой более 1 ГГц, в первых сериях и многие десятки ГГц в новейших.
2) Базовый логический элемент - многовходовый дифференциальный усилитель в режиме переключателя тока (в котором транзисторы всегда ненасыщены), с эмиттерными повторителями на обоих противофазных выходах (см. рис.1). Использование противофазных выходов в качестве прямого и инверсного логических сигналов упрощает реализацию сложных логических функций
3) Малый перепад логических уровней: около 0,8 В в старых сериях и еще меньше в поздних сериях (в т.н. малосигнальной ECL был перепад 0,4 В, а в принципе минимально возможный перепад логических уровней, "несбиваемых" тепловым шумом, - порядка 0,2 В). Это во много раз меньше, чем у других семейств (2...3,5 В у семейств ТТЛ/ТТЛШ и от 3 до 5 В у основных семейств КМОП) и пропорционально уменьшает время перезарядки емкости нагрузки.
4) Мало-мальски длинные линии связи между ИС (при тактовой частоте 200 МГц - это линии длиннее 7...10 см) - полосковые линии, с согласованным волновым сопротивлением 50 Ом.
Более того, в структуре ЭСЛ впервые реализован замечательный принцип т.н. "многоуровневой логики": сложные логические функции (например, "исключающее ИЛИ") реализуются не последовательным соединением более простых "базовых" функций (И-НЕ или ИЛИ-НЕ), как в других семействах, а усложнением базового элемента (вместо дифференциальных усилителей - "двухэтажные" балансные перемножители и т.п.; бывают и "трехэтажные" структуры), при этом задержка сигнала в ЭСЛ возрастает значительно медленнее по мере усложнения функции, чем в других логических семействах. В результате значительно уменьшается отношение предельной частоты элемента к предельной частоте сложной системы.
Например, тактовая частота центрального процессора (ЦП) большой ЭВМ типа ЕС-1040 (одна из "старших" моделей семейства ЕС ЭВМ "Ряд 1" - клона семейства IBM-360) - всего 5 МГц, при том, что этот ЦП сделан на ИС ТТЛШ серии К531 с предельной тактовой частотой 50...80 МГц (ЦП ЕС ЭВМ - это шкаф!). А тактовая частота ЦП ЭВМ типа ЕС-1050 ("младшая" модель семейства ЕС ЭВМ "Ряд 2" - клона семейства IBM-370), сделанной на ИС ЭСЛ серии К500 (предельная тактовая частота 200...250 МГц), - это уже 50 МГц, причем это снижение частоты по сравнению с предельной тактовой частотой ИС ЭСЛ почти наполовину обусловлено задержкой сигнала в межплатных линиях связи в пределах функционального ядра ЦП.
Но за все надо платить, и плата за быстродействие ЭСЛ следующая.
1) Большая статическая потребляемая мощность (хотя энергия переключения - даже меньше, чем у ТТЛШ или КМОП).
2) Несовместимость с другими семействами логики по логическим уровням, а в классических сериях ЭСЛ - и по напряжению питания (см. ниже). Для связи "быстрых" узлов на ИС ЭСЛ с более медленными узлами с ИС ТТЛШ нужны специальные ИС - т.н. преобразователи уровня.
3) Узкий рабочий диапазон температур: официально в лучшем случае от -10.до +70...75 град даже у серий с ВП. Это вызвано сильной зависимостью логических уровней и порога переключения от температуры кристалла ИС.
4) Сложность конструктивной реализации схем с ИС ЭСЛ: нужны многослойные платы, согласованные полосковые линии связи, 3 номинала питания.
По этим причинам ЭСЛ применяется только там, где иначе нельзя решить задачу.
И наконец конкретная история основных серий ЭСЛ в США и в СССР. Все началось с патента 55г, содержащего идею схемы базового элемента ЭСЛ. Но реально только в 71г фирма Motorola (ее бывшее полупроводниковое подразделение теперь называется ON Semiconductor) выпустила серию ИС ЭСЛ МС10000 (она же МС10К, она же просто ECL), а практически одновременно в СССР выпустили давно забытую серию ЭСЛ К137 (и чуть позже ее улучшенную модификацию К138).
Но серия МС10К оказалась "прикладистее", и в СССР тут же ее повторили: сначала (в начале 70х) в виде военной серии "100", в планарных позолоченных корпусах с 16 ногами (см. рис.2), в обеспечение суперЭВМ "Эльбрус" для ПРО, а немного позже (середина 70х) - в виде серии К500, в пласмассовых корпусах DIP-16, в обеспечение ЕС ЭВМ "Ряд-2".
Основные электрические параметры серий 100 и К500 следующие.
- Напряжение питания -5,2 В (отрицательное!).
- Типовая задержка на вентиль 2 нс ( у некоторых типов - немного меньше).
- Максимальная тактовая частота 200 МГц у ИС малой интеграции (у некоторых типов даже 250 МГц) и не менее 100 МГц у самых сложных синхронных ИС средней интеграции (синхронные 4-разрядные счетчики 100ИЕ136, 100ИЕ137 и т.п.).
В 81г та же Motorola выпустила ЭСЛ 2го поколения - серию МС100000 (она же МС100К, она же ECL II), с бОльшим быстродействием и бОльшей интеграцией (счетчики - 8-разрядные, и т.п.) Вскоре в СССР повторили эту серию в виде серий 1500 (с ВП) и К1500, в планарных позолоченных корпусах с 24 ногами, в обеспечение суперЭВМ "Эльбрус-2" для 2го поколения ПРО.
Основные электрические параметры серий 1500 и К1500 следующие.
- Напряжение питания -4,5 В (отрицательное!).
- Типовая задержка на вентиль 0,7 нс.
- Максимальная тактовая частота 500 МГц у ИС умеренной интеграции.
Любопытно, что один из основных официальных параметров ИС этих серий - частота собственного резонанса индуктивности вывода с входной емкостью вентиля (НЯП, не менее 700 МГц).
В середине 80х в СССР появились и полузаказные БИС ЭСЛ - несколько вариантов базовых матричных кристаллов (БМК) серии 1520 (с ВП), содержащих наборы из многих сотен вентилей с заказными межсоединениями и с параметрами вентилей как у серии 1500. Тогда же появился микропроцессорный комплект БИС ЭСЛ серии 1800. А в самом конце 80х в Вильнюсе была выпущена странная серия ИС ЭСЛ КС1590 (см.
http://www.155la3.ru/k1590.htm), но я с ней не знаком. На этом история развития ЭСЛ в СССР закончилась. Во всяком случае, в основном разделе современного "Перечня" ИС, разрешенных для применения в ВТ, нет
никаких ИС ЭСЛ, а все старые серии ИС ЭСЛ с ВП (100, 500, 1500, 1520) - в разделе разрешенных к применению "после востановления производства" ("Светлана").
А та же Motorola в конце 80х выпустила серию "малосигнальной" ЭСЛ 3го поколения - серию MECL III, с тактовыми частотами порядка 1 ГГц и выше. В это же время стали выпускаться ИС ЭСЛ с таким же напряжением питания, как у стандартной логики (+5В или +3,3В). Позже развитие ИС ЭСЛ замедлилось (ибо дошло до предела, обусловленного неизбежными паразитными параметрами топологии), и последние разработки ЭСЛ, НЯЗ, это только делители частоты для цифровых синтезаторов частоты с ФАПЧ, с максимальной входной частотой порядка 10 ГГц.
ЗЫ. Кстати, про ЕС ЭВМ.
Типовая конструкция процессорного шкафа была трехэтажная.
1) Средний этаж шкафа (высотой около 1,2 м) содержал три т.н. "рамы" - центральную и 2 откидные (как дверцы). Каждая рама содержит 6 квадратных " панелей". Панель - это открытый каркас с многослойной кросс-платой, в 40 розеток которой в 2 ряда вставлены 40 шт. т.н. ТЭЗ (типовые элементы замены) - печатные платы 140*150 мм с микросхемами и вилками. А поскольку многослойной кросс-платы обычно оказывалось недостаточно для тысяч межплатных соединений, то поверх этой кросс-платы - еще многие сотни проводов, подключенных к хвостовикам контактов розеток методом накрутки (хвостовики - квадратного сечения, с острыми ребрами, накрутка - спец. инструментом, надежность такой накрутки - выше, чем у пайки).
В ЕС ЭВМ "Ряд-1" разъемы ТЭЗ - двухрядные (64 контакта), а платы ТЭЗ - двухсторонние, и на них по 36 ИС ТТЛ. В ЕС ЭВМ "Ряд 2" разъемы - трехрядные (135 контактов), а платы ТЭЗ - 8-слойные, и на них по 60 ИС ЭСЛ и ТТЛШ. Итого максимально может быть более 25 тыс. ИС в шкафу "Ряд 1" и более 40 тыс. ИС в шкафу "Ряд-2".
2) В нижнем этаже шкафа (до 1 м от пола) - множество блоков питания, с общей мощностью в несколько кВт. В "Ряд 2" - 3 номинала питания (+5В для ТТЛШ, -5,2 В для ЭСЛ и -2В для согласующих нагрузок линий связи), с общей мощностью под 10 кВт.
3) Верхний этаж ("чердак") шкафа - блок мощных вытяжных вентиляторов, которые вытягивают все эти многие киловатты под потолок зала, в централизованную систему кондиционирования.
ЭВМ "старших" моделей ЕС в целом - это большой зал с полом из металлических плит ("сигнальное заземление"), под которым тьма кабелей, и с мощной системой кондиционирования под потолком. В этом зале - десятки шкафов, тумб и пультов операторов. Шкафы - это ЦП, сопроцессоры, периферийные процессоры, полупроводниковые ОЗУ и накопители с магнитными лентами. Тумбы - это накопители с жесткими дисками (12 дюймов!) и другие разные полезные устройства. И тут же несколько инженеров и техников, которые оперативно устраняют отказы (в основном - поиск и замена отказавшего ТЭЗ) и периодически проводят профилактику.
А рядом с этим "машинным залом" - несколько комнат для пользователей: в ординаре - с алфавитно-цифровыми дисплеями, широкими матричными принтерами и перфораторами для набивки и считывания перфолент, а в исключительных местах (я лично не видел, а только слышал легенды) - с графическими терминалами и плоттерами. Только так и жили до середины 80х, когда в СССР стали появляться примитивные ПЭВМ с графикой (ДВК-3 и ДВК-4 от МЭП, ЕС-1841 и ЕС-1842 от МПСС) и, в самом конце 80х, - IBM PC-AT.
Иллюстрации.
1. Принципиальная схема типичного логического элемента ЭСЛ (4ИЛИ/4ИЛИ-НЕ)
2. Типичная ИС ЭСЛ серии 100 (шаг выводов 1,25 мм)