Il bus è un canale di comunicazione tra diversi componenti elettronici. In sostanza è un collegamento fisico di due o n fili elettrici, che permette il passaggio della corrente elettrica e quindi il trasferimento dei dati, tra un componente attivo generatore (transistor o mosfet ) ad un altro componente attivo o passivo, che costituisce il carico utilizzatore.
I collegamenti elettrici esistono anche dove non si vedono, esempio all’interno dei chips. (Ovviamente, se un componente VLSI (Very-Large Scale Integration) deve comunicare con oggetti elettrici di marche differenti, il bus è standardizzato sia livello fisico sia nel protocollo).
Non esiste un collegamento elettrico ideale.
Modellando l’interconnessione fisica, come in realtà è, cioè una cascata di quadripoli (contenenti induttanze, capacità e resistenze) e applicando la teoria dei circuiti osserviamo che le componenti d’alta frequenza del segnale sono attenuate.
Una pista di rame di un circuito stampato o una qualsiasi connessione elettrica per la presenza di componenti reattivi parassiti, si comporta come fosse un filtro, non voluto, di tipo passa-basso.
La frequenza di taglio di tale filtro, determina la larghezza di banda, del bus di collegamento ed è intuitivo che è funzione sia dei parametri elettrici del filo (resistenza, induttanza, capacità per lunghezza specifica) che dalla lunghezza del collegamento.
Per aumentare la larghezza di banda occorre ridurre la lunghezza del filo.
All’interno della CPU le lunghezze fisiche delle interconnessioni hanno ordini di grandezza di micron quindi hanno frequenze di taglio elevatissime e comunque superiori ai componenti attivi (mosfet )1
I nuovi chip hanno centinaia di pin da interconnettere fra loro o verso i connettori dell’unità esterne. La densità di fili sul circuito stampato è talmente alta che si deve ricorrere a mother board multistrato (fino a 12 strati )e con piste sottilissime,very fine line, con forte riduzione delle capacità parassite. Le centimetriche lunghezze di questo tipo di piste hanno larghezze di banda tali da non modificare sostanzialmente la forma dei segnali digitali.
Per quale motivo allora per pochi centimetri di piste di rame non è possibile usare bus con frequenze d’interconnessione di un GHz o oltre ?
La teoria dei circuiti ha dei limiti, non si occupa della propagazione, delle onde elettromagnetiche. Essa non spiega quando e perché passa corrente in un circuito aperto, quando un filo diventa una linea di trasmissione o un’antenna.
La teoria di portata più generale che consente di studiare e descrivere correttamente tutti i fenomeni elettrici (compresi quello studiabili con la teoria dei circuiti) è la teoria di Maxwell 2.
Le equazioni di Maxwell sono equazioni differenziali e per descrivere anche un semplice filo, hanno un numero infinito di soluzioni e quindi richiedono pertanto che le condizioni iniziali siano ben specificate per ottenere le soluzioni relative ad un determinato problema. Esse sono note e manipolate manualmente, per semplici ed in pratica solo didattici esempi circuitali 3.
In una risposta, adottai il metodo sperimentale per dimostrare i fenomeni della riflessione che avvengono quando la lunghezza d’onda, in questo caso del bus, è paragonabile alla lunghezza geometrica delle piste.
Scrissi: Quando un collegamento elettrico ha dimensioni geometriche comparabili 4con la lunghezza d’onda dei segnali, non è più possibile ritenerlo né bipolo né doppio bipolo, ma rientra nella disciplina delle linee di trasmissione perché diventa determinante il tempo di propagazione del segnale.
Si legga pure la risposta di Benvenuti anche a riguardo alle onde stazionarie parziali
All’interno della CPU non abbiamo i problemi d’onde stazionarie causate dalle riflessioni per non adattamento. Le frequenze in gioco sono lontanissime dai valori di lunghezze d’onda paragonabili alle micrometriche distanze di collegamento tra i mosfet (il limite di frequenza è determinato dai componenti attivi).
Mentre alla frequenza esempio, di 2 GHz, si ha una lunghezza d’onda sulla pista di rame della mother board tra i 7 e 10 cm.(dipende dalle costante dielettrica del substrato). Le piste per evitare riflessioni devono essere adattate.
Per funzionare correttamente il circuito stampato deve essere progettato con metodologie e tecnologie tipiche delle microonde.
I fili dei buses diventano linee di trasmissione. Le piste devono avere un’impedenza costante e definita (microstrip-stripline). La larghezza della pista deve essere calcolata in base alla costante dielettrica del supporto che deve essere stabile in temperatura e avere basse perdite alle alte frequenze.
L’economica vetronite del circuito stampato deve essere sostituita con costosi laminati ceramici (film sottile) o di teflon (duroid) che attualmente sono a singolo strato per semplici e pochi collegamenti. Le linee strips-line sono radianti,devono essere schermate e lontane dalle altre linee del bus. Ogni buffer d’ingresso deve avere un’impedenza di carico uguale al valore dell’impedenza caratteristica della linea.
Se poi, consideriamo le centinaia di fili che dovrebbero diventare linee di trasmissione, ed il numero di strati della mother board si capisce che è improponibile il progetto del nuovo substrato per bus ad alta velocità sia per costi che dimensioni , oltre che diventerebbe parte integrante della funzione elettrica . La tecnologia del circuito stampato si è evoluta come supporto “stupido” relegando solo ai chip le prestazioni elettriche del sistema.
Termino con una precisazione. Se fosse stato semplice aumentare la velocità dei dispositivi CMOS sia l’Europa sia l’Asia avrebbero avuto sempre il top di VLSI-ASIC.
Dal 1974 ,quando vidi i primi integrati CMOS a frequenza massima di 1 MHZ, per avere un ASIC (Application Specific Integrated Circuits) con più alto numero di transistor equivalenti dell’ultima generazione ho sempre dovuto e devo acquistare ancora componenti progettati in USA.
Per ridurre il numero di VLSI, di un sistema, e quindi ridurre i costi si è sempre aumentato il numero di transistor, riducendo le dimensioni (l’incremento di superficie dell’area di silicio è modesta) come conseguenza si è ottenuto l’aumento di frequenza e quindi di velocità .
Aumentando la frequenza aumentano i consumi con legge quadratica. Il prodotto numero elementi attivi e frequenza è arrivato ad un limite termico .(Attualmente oltre il 95% dei transistor ,di una CPU,lavora a frequenza di bus ,100-300Mhz,solo una piccola percentuale di transistor equivalenti è attiva a 3-4 Ghz).
Con questa tecnologia ,o si aumenta l’area del silicio oppure per aumentare la velocità occorre ridurre il numero di Mosfet ,aumentando in controtendenza il numero di chip.
Trasmettere, invece,frequenze elevate su linee di trasmissione siamo capaci da decenni 5, solo che costa.
NOTE
1) L’integrazione prodotta dalla microelettronica (ora stiamo entrando nell’era della nanoelettronica) dove la complessità dei circuiti è aumentata continuamente in base alla legge di Moore, non ha solo ridotto notevolmente le distanze del collegamento da transistor a transistor, ma l’incremento di numero di mosfet ad altissima velocità ha compattato interi sub-sistemi che erano sparsi in “scatole” diverse con lunghe interconnessioni fisiche.
2) Le oltre 900 pagine dei due volumi del “A Treatise on Electricity and Magnetism “di Maxwell apparso in prima edizione nel 1873 fornisce una spiegazione teorica per tutti i fenomeni e strutture elettriche. Moltissime leggi elettriche, prima di questo trattato, erano empiriche o copiate dalla termodinamica come la legge di ohm. (Posseggo la terza edizione del 1904,dove all’ultimo capitolo,compaiono, per la prima volta, le note equazioni nella forma che conosciamo. Il lavoro, che fu criticato da puristi matematici,di renderle decisamente più leggibili ed utilizzabili è merito di Heaviside.)
Tramite il motore di ricerca interno ,su vialattea,si trovano decine di risposte riguardo le equazioni di Maxwell. Ecco casualmente le prime due: http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=2231num=2231 http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8197
3) Lo studio elettrico di circuiti a costanti distribuite richiede l’uso di potenti e costosissimi programmi di simulazione. Se capiterà, vedremo in una prossima occasione dell’importanza della verifica di misure, con la realizzazione di prototipi, di ciò che si è simulato,per capire la notevole differenza di costi del SW d’analisi elettromagnetica.
4) Per quanto possa sembrare approssimato l’esperienza insegna che un circuto elettronico o una struttura elettrica non rientrano nello studio delle linee di trasmissione quando la lunghezza fisica sia < 1/10 di lambda,λ. Dimensioni geometriche comparabili si deve indendere che le dimensioni fisiche sono > 1/10 λ.
5) La linea di trasmissione che non ha limiti di frequenza è il vuoto assoluto esso presenta ad un onda piana una resistenza caratteristica di 377 ohm. E’ su questo principio che si basa la connessione elettrica (fino ad un centinaio di GHz) della guida d’onda e della fibra ottica (fino a centinaia di THz) tra sorgenti elettriche e ottiche e ricevitori elettrici e ottici.