DE10102872C2

DE10102872C2 - Computer mit Hochgeschwindigkeitsbus

Info

Publication number: DE10102872C2
Application number: DE2001102872
Authority: DE
Inventors: Thomas Huber; Manfred Moser
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2021-01-24
Also published as: DE10102872A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Computer mit einem Prozessor und einem Arbeitsspeicher, die jeweils mindestens ein Halbleiter bauelement umfassen und über einen Bus miteinander verbunden sind.

Die herkömmliche Architektur eines Computers, insbesondere eines Arbeitsplatzrechners oder Personal Computers, umfaßt einen Prozessor, der die Berechnungsoperationen und die über geordnete Steuerung ausführt, einen Arbeitsspeicher, in dem die momentan verarbeiteten Daten temporär gespeichert werden, sowie weitere periphere Einrichtungen, beispielsweise ein Da tensichtgerät oder einen Bildschirm, welcher durch eine dedi zierte Platine angesteuert wird, oder ein Festplattenlaufwerk zur nichtflüchtigen Speicherung von Daten. Sämtliche an den Prozessor angeschlossenen Funktionseinheiten werden über ei nen Bus angesteuert. Heutige Busse umfassen 16, 32 oder 64 Bit Datenbreite sowie entsprechende Steuersignale, um den Da tenverkehr gemäß einem vorgegebenen Protokoll abzuarbeiten.

Herkömmliche Busse in Computern, insbesondere in Personal Computern, sind aus metallischen Leitungen gebildet, die auf der Platine verlaufen oder zumindest teilweise als metalli sche Kabel geführt werden. Problematisch ist, daß die Daten übertragungsrate über einen aus metallischen Leiterbahnen ge bildeten Bus begrenzt ist. Zur Erhöhung der Datenrate werden daher die Signale parallel übertragen, beispielsweise mit ei ner Breite von 64 Bit. An den Schnittstellen des Busses mit den Halbleiterbauelementen des Prozessors oder des Arbeits speichers werden die vom Bus kommenden elektrischen Signale direkt in den Halbleiterchip eingespeist. So ist eine Leiter bahn auf der Platine mit einem Anschlußstift oder Pin des die integrierte Halbleiterschaltung enthaltenden Gehäuses verbun den. Der Pin wird vom Äußeren ins Innere des Gehäuses geführt und dort über Bonddrähte mit den Anschlußflächen des Halblei terchips, den sogenannten Anschlußpads, verbunden. Ein Ein gangspuffer ist direkt von den über den Bus übertragenen und über Anschlußpin und Bonddraht an das Anschlußpad geführten elektrischen Signalen ansteuerbar. Auch wenn die Schaltungen im integrierten Schaltkreis bei Taktfrequenzen von mehreren hundert Megahertz arbeiten können, ist die Datenübertragungs rate auf dem elektrische Signale führenden Bus technologisch begrenzt. Es ist daher absehbar, daß herkömmliche Bussysteme auf Basis der Übertragung von elektrischen Signalen zukünfti ge Anforderungen an die Datenübertragungsrate nicht mehr er füllen können.

Der Artikel "Rechnerinternes optisches Bussystem mit Licht leiterplatte" von K.-R. Hase aus Elektronik 26 vom 23.12.86, Seiten 81 bis 84 und 86 bis 88 beschreibt die Datenübertra gung über einen optischen Bus. Dabei werden Daten vom Sender per Leuchtdiode in eine optische Platte eingespeist und per Photodiode vom Empfänger gelesen.

Die Druckschrift DE 38 34 335 A1 beschreibt Lichtwellenlei ter, die in einem Substrat integriert sind, um elektronische Bauteile auf optischem Weg zu verbinden.

Die Druckschrift DE 40 06 510 A1 beschreibt einen optischen Plattenstapel zur Signalübertragung zwischen Komponenten ei nes Rechnersystems, bei dem die Busbreite derjenigen der elektronischen Komponenten entspricht. Es handelt sich um ei nen parallelen Bus.

Die Druckschrift DE 36 89 583 T2 beschreibt ein optisches Wellenlängenmultiplexvermittlungssystem. Dieses ermöglicht die Übertragung mehrerer optischer Signale über eine optische Ader.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Computer an zugeben, der eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit und Flexibi lität bei der Datenübertragung aufweist. Insbesondere soll bei der Verwendung von Halbleiterbauelementen für Prozessor und Arbeitsspeicher der diese Einrichtungen verbindende Bus eine höhere Datenübertragungsrate bereitstellen können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Computer gelöst, der umfaßt: einen Prozessor, der mindestens ein Halb leiterbauelement umfaßt, einen Arbeitsspeicher, der minde stens ein Halbleiterbauelement umfaßt, eine Peripherieein heit, einen Bus, über den der Prozessor mit dem Arbeitsspei cher und der Peripherieeinheit verbunden ist, eine Steue rungseinrichtung, die mindestens ein Halbleiterbauelement um faßt und über die der Prozessor mit dem Arbeitsspeicher und der Peripherieeinheit verbunden ist, jeweilige optische Adern zur Verbindung der Steuerungseinrichtung mit dem Arbeitsspei cher, dem Prozessor und der Peripherieeinheit, jeweilige elektro-optische Wandler zur Wandlung zwischen optischen Si gnalen und elektrischen Signalen, deren optische Schnittstel len mit den optischen Adern und deren elektrische Schnitt stellen mit den jeweiligen Halbleiterbauelementen verbunden sind.

Beim Computersystem gemäß der Erfindung wird eine optische Ader verwendet, also eine Glasfaser, um Signale über den Bus zu übertragen. Die Datenübertragung längs des Busses erfolgt daher nicht etwa durch elektrische Signale, sondern durch op tische Signale. Die über eine Glasfaser erreichbare Daten übertragungsrate ist aus derzeitiger Sicht nahezu unbegrenzt. Probleme wie bei elektrischen Signalen mittels herkömmlicher Kupfertechnik, wie Anpassung, Impedanz, Reflexion, sind bei Verwendung der Glasfaser als Übertragungsmedium keine die Übertragungsrate beeinflussenden Größen. Hohe Taktraten sind bei der Verwendung von optischen Adern für Bussysteme nicht mit den aus der Technik von Kupferleitungen bekannten Proble men verbunden.

Um optische Signale auf den nur elektrische Signale verarbei tenden integrierten Halbleiterschaltungen des Arbeitsspei chers und des Prozessors zu bringen, sind Wandler erforder lich, die optische Signale in elektrische Signale und umge kehrt je nach Übertragungsrichtung wandeln. Am Ende des Bus ses sowohl auf Seite des Prozessors als auch auf Seite des Arbeitsspeichers sind solche Wandler vorgesehen, um die opti schen Signale des Busses in elektrische Signale zu wandeln, die der jeweiligen integrierten Schaltung zuführbar sind. Die Wandler können im gleichen Gehäuse wie die integrierte Halb leiterschaltung angeordnet werden. Die Wandler sind mit dem Halbleiterchip verbunden, beispielsweise auf diesem angeord net. Mit fortschreitender Integrationstechnik können diese elektro-optischen Wandler auch mit der Halbleiterschaltung monolithisch integriert werden.

Entsprechend heutigen Systemen kann der Arbeitsspeicher meh rere, mindestens zwei Halbleiterspeicherbauelemente umfassen. Die Glasfaser des optischen Busses wird dann bis in die Nähe der Halbleiterspeicher als einzige Ader geführt. Unmittelbar vor den Halbleiterbauelementen wird der Signalweg aufge trennt. Je eine optische Ader wird an die den Halbleiterspei ehern zugeordneten jeweiligen elektro-optischen Wandlern ge führt. Die Aufspaltung der einen Glasfaser auf die mehreren den Halbleiterspeichern zugeordneten Glasfasern erfolgt über einen Demultiplexer bzw. im Fall der umgekehrten Übertra gungsrichtung von den Halbleiterspeichern in Richtung des Prozessors über einen Multiplexer.

Wie in heutigen Architekturen für Personal Computer üblich, ist ein sogenannter Chipsatz vorhanden, der die Bussteuerung übernimmt. Die Bauelemente des Chipsatzes sind über einen Frontside-Bus mit dem Prozessor verbunden. Der Chipsatz über nimmt dann sämtliche Steuerungsfunktionen aus Sicht des Pro zessors hin zum Arbeitsspeicher bzw. den peripheren Funkti onseinheiten. Vom Chipsatz zweigt der Bus zum Arbeitsspeicher hin ab. Außerdem zweigen vom Chipsatz die jeweiligen Busse zum Festplattenlaufwerk oder zur Bildschirmplatine ab. An die Busse können auch andere Platinen, welche spezielle Funktio nen übernehmen, angeschlossen werden.

Auch die an den Chipsatz angeschlossenen Busse verwenden op tische Adern als Übertragungsmedium. Daher sind für jeden an geschlossenen Bus elektro-optische Wandler erforderlich, die die optischen Signale des jeweiligen Busses in elektrische Signale wandeln, die vom Halbleiterchipsatz verarbeitet wer den können.

Die Halbleiterspeicher können wie herkömmlich synchron zu ei nem Taktsignal arbeitende Halbleiterspeicher mit nichtflüch tigen Speicherzellen sein, sogenannte SDRAMs (Synchronous Dy namic Random Access Memories). Prinzipiell kann jede Art von Halbleiterspeichern für den Arbeitsspeicher verwendet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt die Architektur eines Rechners, dessen Bussy stem Glasfaserübertragungsstrecken aufweist. Ein Prozessor oder CPU 10 besteht aus einem Halbleiterbauelement, bei spielsweise einem Siliziumchip, der Transistoren und andere integrierbare Bauelemente aufweist, um Schaltungen zu erzeu gen, die die Funktionalität einer CPU bewirken. Ein Arbeits speicher 40 umfaßt im dargestellten Beispiel sechs Halblei terspeicher 41, 42, 43, 44, 45, 46. Jeder der Halbleiterspei cher ist identisch aufgebaut. So weist der Halbleiterspeicher 41 einen Siliziumchip 48 auf, in dem ein Speicherzellenfeld und entsprechende Ansteuerungslogik angeordnet sind. Der Halbleiterspeicher ist beispielsweise, aber nicht notwendi gerweise, vom Typ SDRAM. Im Falle eines SDRAM erfolgen sämt liche Datenein-/Datenausgaben synchron zu einem Taktsignal. Die Datenübertragung zwischen der CPU 10 und den Halbleiter speichern 41, . . ., 46 des Arbeitsspeichers 40 wird über ein Bussystem 30 abgewickelt. Das Bussystem 30 verwendet als Übertragungsmedium optische Adern, hier Glasfasern.

An die CPU 10 ist der Frontside-Bus 36 angeschlossen. Er ver bindet die CPU 10 mit einer Bussteuerungseinrichtung 20. Die Bussteuerungseinrichtung 20, ein sogenannter Chipsatz, umfaßt ein oder mehrere Halbleiterchips, die die Buszugriffe der CPU 10 abarbeiten. Im Ausführungsbeispiel sind drei unterschied liche Bussysteme 31, 32, 33 vorgesehen, die über den Chipsatz 20 vermittels des Frontside-Busses 36 an die CPU 10 ange schlossen sind. Ein erster Bus 33 dient zum Anschluß des Ar beitsspeichers 40. Ein zweiter Bus 32 dient zum Anschluß von Graphikeinrichtungen, beispielsweise eines Graphikbildschirms samt entsprechender Ansteuerungslogik. Ein dritter Bus 31, beispielsweise gemäß PCI- oder ISA-Standard, schließt eine Festplatte an das System an.

Jeder der Busse 36, 33, 32, 31 umfaßt eine Glasfaser. Auf der Glasfaser werden die vom Bus zu übertragenden Signale als op tische Signale mit aus Anwendungssicht nahezu unbegrenzter Datenübertragungskapazität übertragen. Es reicht daher eine einzige optische Ader, um sämtliche Signale seriell auf dem jeweiligen Bus übertragen zu können.

Die Halbleiterbauelemente der CPU 10, des Chipsatzes 20 sowie der Halbleiterspeicherbausteine des Arbeitsspeichers 40 ver arbeiten elektrische Signale. Zur Umsetzung der optischen Si gnale des Bussystems auf elektrische Signale, die von den Halbleiterschaltungen zu verarbeiten sind, weist der Computer elektro-optische Wandler auf. Die elektro-optischen Wandler sind technisch ausgereift und bekannt. Sie setzen bei der Übertragung von Signalen vom Bus zum Halbleiterchip optische Signale in elektrische Signale um und bei der umgekehrten Übertragung vom Halbleiterchip zum Bussystem elektrische Si gnale in optische Signale. Ein elektro-optischer Wandler 11 befindet sich am auf der Seite der CPU gelegenen Ende des Frontside-Busses 36, ein entsprechender Wandler 21 am chipsatzseitigen Ende des Frontside-Busses 36. Der Graphikbus 32 ist über den Wandler 24 an den Chipsatz angeschlossen, der PCI- oder ISA-Bus ist über den Wandler 22 an den Chipsatz an geschlossen. Die Glasfaser 33 des zum Arbeitsspeicher 40 füh renden Busses ist über den Wandler 23 an den Chipsatz ange schlossen. Sämtliche Halbleiterspeicherbausteine weisen einen elektro-optischen Wandler auf, beispielsweise der Speicher 41 den Wandler 47. Der Wandler ist zweckmäßigerweise im Gehäuse des jeweiligen Halbleiterspeicherbausteins angeordnet. Bei spielsweise ist die elektrische Schnittstelle des Wandlers auf dem Halbleiterchip angeordnet und mit den Anschlußpads des Halbleiterchips verbunden. Idealerweise ist der elektro optische Wandler monolithisch auf dem jeweiligen Chip inte griert. Die Glasfaser kann dann direkt an die optische Schnittstelle des elektro-optischen Wandlers angeschlossen werden.

Über den optischen Übertragungskanal können Daten mit hoher Datenrate übertragen werden. Probleme der Anpassung, Impedanz und Reflexionen sind prinzipiell auch für höchste Datenraten gelöst. Der Übertragungsweg ist vollständig galvanisch ge trennt. Eine Erhöhung der Datenrate erfordert daher keine ge sonderte Dimensionierung etwaiger Anpassungsschaltungen, wie dies bei Kupferleitungsbussen der Fallist. Die Datenübertra gung über eine optische Ader erfolgt beispielsweise seriell. Ein geeignetes Übertragungsprotokoll, welches konform mit dem ISO/OSI-Schichtenmodell ist, ermöglicht die serielle Übertra gung von hohen Datenraten.

Der Arbeitsspeicher 40 umfaßt mehrere einzelne Halbleiter speicher, auf die beispielsweise parallel zuzugreifen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Halbleiterspei cher 41, 42, 43, 44, 45, 46 vorgesehen, eine höhere oder niedrigere Anzahl ist ebenso möglich. Die Signalstrecke, wel che über die Glasfaser 33 vom Chipsatz 20 an die Speicherbau steine des Arbeitsspeichers 40 herangeführt wird, wird durch einen Demultiplexer 34 in je eine nachgeschaltete Glasfaser strecke aufgespaltet, die an die jeweiligen elektro-optischen Wandler der Halbleiterspeicher anschließt. Beispielsweise wird der Halbleiterspeicherbaustein 41 von der Glasfaser 35 versorgt, die am Demultiplexer 34 ansetzt, der Halbleitersei cherbaustein 42 von der Glasfaser 37 etc. Entsprechendes gilt für die weiteren Halbleiterspeicherbausteine. Für den Signal weg von den Halbleiterspeicherbausteinen zum Chipsatz 20 weist die Einrichtung 34 die Funktionalität eines Multiple xers auf, der sämtliche von den Halbleiterspeicherbausteinen über die jeweiligen einzelnen optischen Adern herangeführten Signale gemultiplext auf die einzige Glasfaser 33 zusammen faßt und an den Chipsatz 20 überträgt. Die Ausführung eines Multiplexers/Demultiplexers 34 an sich ist bekannt.

Die Erfindung ermöglicht einen Hochgeschwindigkeitsbus in Computersystemen unter Verwendung von Glasfasern, ohne daß mit zunehmender Datenübertragungsrate Probleme bei Anpassung oder Reflexionen auftreten würden.

Bezugszeichenliste

10

CPU

20

Chipsatz

40

Arbeitsspeicher

48

,

49

Halbleiterspeicher

31

,

32

,

33

,

35

,

36

,

37

Glasfasern

11

,

21

,

22

,

23

,

24

,

47

elektro-optische Wandler

Claims

1. Computer, umfassend:
einen Prozessor (10), der mindestens ein Halbleiterbauele ment umfaßt;
einen Arbeitsspeicher (40), der mindestens ein Halbleiter bauelement (41) umfaßt;
eine Peripherieeinheit;
einen Bus (36, 33), über den der Prozessor (10) mit dem Arbeitsspeicher und der Peripherieeinheit verbunden ist;
eine Steuerungseinrichtung (20), die mindestens ein Halb leiterbauelement (20) umfaßt und über die der Prozessor (10) mit dem Arbeitsspeicher (40) und der Peripherieein heit verbunden ist;
jeweilige optische Adern (36, 33, 31, 32) zur Verbindung der Steuerungseinrichtung (20) mit dem Arbeitsspeicher (40), dem Prozessor (10) und der Peripherieeinheit;
jeweilige elektro-optische Wandler (11, 20, 21, 23, 47) zur Wandlung zwischen optischen Signalen und elektrischen Signalen, deren optische Schnittstellen mit den optischen Adern und deren elektrische Schnittstellen mit den jewei ligen Halbleiterbauelementen (10, 20, 41) verbunden sind.

2. Computer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsspeicher (40) mindestens zwei Halbleiterbauelemen te (41, 42, 43, 44, 45, 46) umfaßt, daß ein Demultiplexer (34) zur Verteilung von optischen Signalen von einer ersten optischen Ader (33) auf jeweilige den Halbleiterbauelementen (41, 42) des Arbeitsspeichers (40) zugeordneten zweiten opti schen Adern (35, 37) vorgesehen ist, daß ein Multiplexer (34) zur Kopplung von optischen Signalen von den zweiten optischen Adern (35, 37) zu der ersten optischen Ader (33) vorgesehen ist und daß die erste optische Ader (33) mit der Steuerungs einheit (10) gekoppelt ist.

3. Computer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Peripherieeinheit eine Graphikeinheit zur Ansteuerung ei ner Anzeigeeinrichtung ist.

4. Computer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Peripherieeinheit ein Festplattenlaufwerk ist.

5. Computer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (41) des Arbeitsspeichers ein Halb leiterspeicher ist, insbesondere ein Halbleiterspeicher mit dynamischen Speicherzellen, dessen Datenein- und Datenausgabe taktsynchron durchführbar sind.

6. Computer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-optischen Wandler (11, 21, 22, 23, 24, 47) im Ge häuse des jeweiligen Halbleiterbauelements (10, 20, 41) ange ordnet sind.

7. Computer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-optischen Wandler (11, 21, 22, 23, 24, 47) auf dem Halbleiterplättchen des jeweiligen Halbleiterbauelements (10, 20, 41) angeordnet sind.

8. Computer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-optischen Wandler (11, 21, 22, 23, 24, 47) auf dem Halbleiterplättchen des jeweiligen Halbleiterbauelements (10, 20, 41) monolithisch integriert sind.