home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / comp / research / japan / 339 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-29  |  15.5 KB

  1. Xref: sparky comp.research.japan:339 comp.sys.super:1136
  2. Path: sparky!uunet!gatech!destroyer!ncar!noao!arizona!rick
  3. From: rick@cs.arizona.edu (Rick Schlichting)
  4. Newsgroups: comp.research.japan,comp.sys.super
  5. Subject: Kahaner Report: Supercomputer packaging technologies compared
  6. Message-ID: <28955@optima.cs.arizona.edu>
  7. Date: 29 Dec 92 16:45:32 GMT
  8. Sender: rick@cs.arizona.edu
  9. Followup-To: comp.research.japan
  10. Lines: 303
  11. Approved: rick@cs.arizona.edu
  12.  
  13.  
  14.   [Dr. David Kahaner is a numerical analyst on sabbatical to the 
  15.    Office of Naval Research-Asia (ONR Asia) in Tokyo from NIST.  The 
  16.    following is the professional opinion of David Kahaner and in no 
  17.    way has the blessing of the US Government or any agency of it.  All 
  18.    information is dated and of limited life time.  This disclaimer should 
  19.    be noted on ANY attribution.]
  20.  
  21.   [Copies of previous reports written by Kahaner can be obtained using
  22.    anonymous FTP from host cs.arizona.edu, directory japan/kahaner.reports.]
  23.  
  24. To: Distribution
  25. From: 
  26.  David K. Kahaner
  27.  US Office of Naval Research Asia
  28.  (From outside US):  23-17, 7-chome, Roppongi, Minato-ku, Tokyo 106 Japan
  29.  (From within  US):  Unit 45002, APO AP 96337-0007
  30.   Tel: +81 3 3401-8924, Fax: +81 3 3403-9670
  31.   Email: kahaner@cs.titech.ac.jp
  32. Re: Supercomputer packaging technologies compared.
  33. 29 Dec 1992
  34. This file is named "package.sc"
  35.  
  36. ABSTRACT. Packaging technologies used in current supercomputers in the
  37. US and Japan are compared. (Thorndyke)
  38.  
  39. During the period 4-14 March, 1992, I accompanied Mr. Lloyd M.
  40. Thorndyke, (address below) on a series of visits to Japanese computer
  41. companies in order to learn about the techniques currently in use in
  42. packaging supercomputer multi-chip-modules (MCMs).
  43. Packaging refers to the physical combination of various CPU, memory, and
  44. other VLSIs on one or more "module". Thus, packaging addresses questions
  45. of number of gates, pins, physical size, cooling, manufacturing, costs,
  46. etc.  On the basis of those visits Thorndyke has produced a report, sections
  47. of which are contained below. Since that visit Hitachi and Fujitsu have
  48. introduced new supercomputer models. Some aspects of these were
  49. presented to us, but other material was proprietary and not presented.
  50. Thus the observations below need to be assessed in that light.  Mr.
  51. Thorndyke's current address is the following.
  52.  
  53.     Mr Lloyd M. Thorndyke
  54.     Chief Executive Officer, DataMax, Inc
  55.     2800 East Old Shakopee Road
  56.     Bloomington, Minnesota 55425
  57.      Tel: (612) 853-3041, Fax: (612) 853-4789
  58.  
  59. Mr. Thorndyke was also a Senior Vice President for Technology
  60. Development, and executive manager of the CYBER 200 Supercomputer Family
  61. operations, both at Control Data Corporation. He was a founder and Chief
  62. Executive Officer of the ETA Systems, the supercomputer subsidary of
  63. Control Data [now defunct].
  64.  
  65.               HIGH PERFORMANCE PACKAGING TECHNOLOGIES
  66.  
  67.                         Lloyd M. Thorndyke
  68.  
  69. INTRODUCTION
  70. This report presents results of a visit made to Japan March 4-14, 1992
  71. with the objective of assessing Japanese computer packaging technology.
  72. Thanks are due to the Scientific Supercomputing Subcommittee of the IEEE
  73. Computer Society which helped in making arrangements and contributed to
  74. the success of the trip. it should be noted that the thoughts and
  75. opinions expressed here are solely mine and do not represent views of
  76. the Subcommittee, the Computer Society or the IEEE. Further, no material
  77. in this document is restricted because of nondisclosure agreements.
  78.  
  79. SUMMARY
  80. The trip was highlighted by visits to the three major Japanese
  81. supercomputer companies; Fujitsu, Hitachi and Nippon Electric (NEC). As
  82. a result of these visits, I came away impressed by their packaging
  83. engineering and manufacturing capabilities. Originally, supercomputer
  84. packaging was more art than science and even today retains much of that
  85. aura. While considerable packaging engineering effort has been applied
  86. in the US, I do not believe that we have achieved the same overall level
  87. of competence I saw in Japan. While I have not had the chance to visit
  88. an equivalent IBM facility, I would expect to find similar capabilities
  89. there. The most important point is that one can find one advanced
  90. US facility, but I found three in Japan!
  91.  
  92. SUPERCOMPUTER VERTICAL INTEGRATION
  93. The three Japanese supercomputer companies are vertically integrated
  94. enterprises, manufacturing and integrating all components from circuits
  95. through systems. From the economic view, they are primarily merchant
  96. semiconductor suppliers and, secondarily, suppliers to their
  97. supercomputer divisions. Their dependence on the semiconductor business
  98. forces them to buy the latest lithography and fabrication equipment or
  99. face the loss of customers and market share.
  100.  
  101. The vertical Japanese structure is in sharp contrast with the US
  102. supercomputer companies in which there has been only a small involvement
  103. of the US companies in semiconductor design and fabrication. The
  104. experiences from these involvements have, for the most part, been
  105. negative. The costs of continually buying new equipment, in the face of
  106. little or no outside revenue, prevents small companies from remaining at
  107. the cutting edge of technology. Thus, such companies buying
  108. semiconductor equipment quickly find that their equipment is becoming
  109. obsolescent and falling behind in performance.  Those companies buying
  110. from merchant suppliers find that they are generally a partial
  111. generation behind the industry because of the delays in going from
  112. research to production relationship with their vendors.
  113.  
  114. I believe that the vertically integrated Japanese companies will survive
  115. in the supercomputer market. I also believe that the survival of the
  116. small US traditional supercomputer companies and their counterparts
  117. building massively parallel systems  depends upon the development of
  118. vertical cooperation agreements with the advanced semiconductor
  119. suppliers. Such agreements could make small companies more competitive
  120. by providing early access to research devices as is the case with
  121. vertically integrated companies. This action will require leadership,
  122. vision and conviction that cooperation is the key to survival.
  123.  
  124. JAPANESE MEMORY/LOGIC CIRCUITS
  125. Table 1 below is a tabulation of some characteristics of combined memory
  126. and logic chips used by the Japanese in their supercomputers. Where
  127. applicable, corresponding entries have been made for the Cray Research
  128. C-90. In reviewing the chip performance, it is interesting to note that
  129. the three Japanese chips have the same gate switch times of 70
  130. picoseconds (ps).  Fujitsu had originally announced a speed of 80 ps,
  131. but improved that to 70 ps when NEC announced 70 ps. It has been
  132. suggested by some in the US that this is proof that the Japanese
  133. cooperate with each other. I don't concur with that view, but rather
  134. believe that because they all use the latest production technology and
  135. lithography equipment, their devices will logically have the same
  136. performance levels. The argument is reinforced by the 70 ps speed of the
  137. Cray Research C-90.
  138.  
  139. --------------------------------------------------------------------------
  140.               Table 1.  MEMORY/LOGIC CIRCUIT CHARACTERISTICS
  141.  
  142.     Mfr.                 Fujitsu       Hitachi       NEC     Cray   Res.
  143.     Model                VP 2600  G-8 & C3800        SX-3        C-90
  144.  
  145.  Cache Memory
  146.   Cap.(Kb)/Speed(Ns)    64/1.6        64/1.6      40/1.6
  147.   Logic Gates  (K)         3.5         2.0          7.0
  148.  
  149.   Cap.(Kb)/Speed(Ns)        -         36/2.0        -
  150.   Logic Gates  (K)                     4.0
  151.  
  152.  Main and/or             lMb/35Ns     512Kb/5.ONs  256Kb/2ONs
  153.   Extended Memory
  154.     (Cap./Speed)                        4Mb/80
  155.  
  156.  Spec.  Logic  Chips      15K/70ps      12K/70ps     1OK/70ps    1OK/70ps
  157.     (Gates/Speed)         1.2K/60ps     25K/60ps     2OK/70ps
  158.  
  159.  Die Size (Cm)            13.Oxl3.0     8.3x8.3      13.3xl3.3    9.5x9.5
  160.  
  161.  Chip  Carrier  (CM)       17xl7         lOx1O       18.5xl8.5       ?
  162.  
  163.  Chip Power (Watts)           30            21           33          20
  164.  
  165.  Pins/Carrier                460           528          485         308
  166.  
  167. --------------------------------------------------------------------------
  168.  
  169. JAPANESE PACKAGING TECHNOLOGY CHARACTERISTICS
  170.  
  171. Table 2 below is a tabulation of the packaging characteristics of the
  172. same four systems shown in Table 1.  All are based on the use of
  173. multichip module (MCM) technology.
  174.  
  175. ---------------------------------------------------------------------------
  176.           Table 2.  CHARACTERISTICS OF MULTI-CHIP MODULES (MCM)
  177.  
  178.                        Fujitsu       Hitachi        NEC      Cray  Res.
  179.  
  180.  MCM Size (Cm)         24.5x24.5    10.6xlO.6      22.5x22.5    35x5O
  181.  
  182.  MCM Material           Ceramic       Mullite        Ceramic    Printed
  183.                           Glass      (Ceramic)         and       Circuit
  184.                         Composite                   Polyimide      Board
  185.  
  186.  Dielectric K               5.7            5.9           3.5        2.9
  187.  
  188.  Chips/MCM                144             36          100           60
  189.  
  190.  Pins/MCM              8,640          2,521        11,540       1,750 [1]
  191.  
  192.  MCM Impedance             65             56                        60
  193.  
  194.  Thermal Impedance          0.6            1.8           0.7        1.8
  195.    (*C/Watt)
  196.  
  197.   K Gates/MCM           2,160          432/900        2,000         600
  198.  
  199.   Cooling           Conduction         Helium      Conduction    Conduction
  200.    Path               to  Fluid       to   Fluid      to Fluid      to Fluid
  201.  
  202.   First Delivery       VP-2000         C-3800          SX-3          C-90
  203.                         2Q89             4Q92          4Q88          4Q91
  204.  
  205.                 Notes:  [1]  Plus  inter-MCM   connections
  206.  
  207. ----------------------------------------------------------------------------
  208.  
  209. OBSERVATIONS ON PACKAGING APPROACH
  210. As I weigh the different packaging approaches, I have come to the
  211. conclusion that the Hitachi packaging is better optimized for chip
  212. density growth. Since the Hitachi MCM is only one-fourth the size of
  213. Fujitsu's and NEC'S, it has the largest growth potential in terms of
  214. gates per chip before its capacity becomes too large. Also, I believe
  215. this smaller and simpler MCM should be less costly to build. Viewed
  216. another way when considering the next generation, large MCMs contain too
  217. many gates for a product line building block. if such is the case, a new
  218. MCM design and tooling will be required to down-size the MCM for
  219. applications such as a modestly parallel system. In that event Hitachi
  220. will be ready with the next generation package, while others will face a
  221. new development.
  222.  
  223. In a broad view of the Japanese packaging approach, a strong commonality
  224. exists. One of the Japanese executive remarked that all the Japanese
  225. packaging was now similar. The Cray Research C-90 packaging does not
  226. match the Japanese in several key respects:
  227.  
  228.  (1) Gate density per unit area,
  229.  (2) Gates per MCM pin, and
  230.  (3) Compactness. The Cray MCM is four times larger for the
  231.       same number of gates.
  232.  (4) Tooling costs. The printed circuit boards are relatively 
  233.       inexpensive to tool.
  234.  
  235. For the Japanese to move to what I call practical parallelism (16-256)
  236. processors, they need to develop significant packaging innovations to
  237. allow a basic building block to emerge. Such aspects as cooling overhead
  238. and "hot module replacement" (no downtime during maintenance) could
  239. eliminate the current large NEC and Fujitsu MCMS.  This supports my
  240. opinion that the small Hitachi MCM is an excellent candidate for the
  241. next generation building block.
  242.  
  243. One offsetting factor that could encourage the continued development of
  244. large MCMs would be the inclusion of memory with logic, rather than two
  245. separate packages. However, unless memory densities are improved, this
  246. approach does not seem to provide enough memory, even for a relatively
  247. small cache.
  248.  
  249. In a meeting with Kyocera, I was told that the Japanese supercomputer
  250. companies overtook US companies in supercomputer packaging five years
  251. ago and that now the lead is insurmountable. I tend to agree, but for a
  252. different reason. The newer technologies require increasingly greater
  253. capital and tooling funding to enter production.  However, most US
  254. supercomputer companies are relatively small, have low volumes and
  255. limited capital money. These facts argue that the US companies can't
  256. afford to retool technologies like the larger Japanese companies who can
  257. spread the costs over a range of computers.  The US companies are in
  258. danger of being driven from the market because of the high costs of a
  259. broad product line and the multi-billion-dollar revenues required to
  260. fund the R&D and tooling.  The only US companies that can compete in
  261. such a broad market is IBM, and possibly Cray Research, although IBM is
  262. not active in the traditional supercomputer market at this time, and
  263. Cray Research does not currently have a broad product line containing
  264. standard building block modules. The salvation for the rest of industry
  265. is participation in vertical cooperation ventures with other computer
  266. companies to share the prohibitive development and tooling costs.
  267.  
  268. One of the inescapable facts in supercomputer technology is that higher
  269. performance circuits generate greater heat. In addition, supercomputers
  270. demand larger amounts of faster memory, again at the expense of heat
  271. generation. The ability to remove heat efficiently and supply power may
  272. become the limiting factor as the gates per chip density increases. I
  273. believe the Fujitsu and NEC modules are the best production modules in
  274. terms of handling increased power per chip.  These modules can cool
  275. about 30 watts per chip, but based on their thermal impedance, they
  276. could handle chips in the 80 watt range.  Considerable growth is
  277. available from their MCMS, but the large logical size may prevent
  278. broader usage as noted previously.
  279.  
  280. In order to achieve a dense, high performance package, the ratio of
  281. silicon to MCM area must be high. The chip leads canot be fanned out as
  282. was done in the past, but must be brought under the chip. This is
  283. accomplished by pin grid arrays (Fujitsu), flip chips (IBM) or flip TAB
  284. (NEC). These designs shorten the interchip leads and may allow one to
  285. live with slower MCM transmission times if the costs are reasonable.
  286. However, any of these methods must address the impedance changes from
  287. the driving gate to the receiving gate as the different transmission
  288. media deteriorate the signal quality at the receiving end. The poorer
  289. the mismatch, the longer the receiving end must wait for a quality
  290. signal, affecting performance. A slower media with good impedance
  291. matching from driver to receiver may be faster overall than a fast media
  292. with poor impedance control. The C-90 MCM uses the TAB with conventional
  293. fan-out and has a lower gate density per unit area. Although this design
  294. will suffer somewhat in performance, the low dielectric of the board at
  295. 2.9 will provide some compensation.
  296.  
  297. The propagation delays of the PCBs and MCMs vary by a factor of about
  298. 2.5 from worst to best. The ETA Systems ETA-10 G-10 glass-epoxy PCB had
  299. a measured delay of 168 ps per inch (PSPI), while coax cable is 96 PSPI
  300. and the ceramic used in some MCMs is estimated around 210 PSPI. As the
  301. size of the MCM is reduced, the total time delay, even with the slow
  302. ceramic becomes tolerable, especially when the cost and commonality are
  303. considered. Also, as Hitachi has done, critical signals can be
  304. transmitted via coax within the MCM rather than using the ceramic MCM
  305. wiring.
  306.  
  307. In reviewing the Japanese trends, I agree that they have converged on
  308. similar technical approaches that are tooling-intensive and volume
  309. sensitive. The NEC use of high performance polyimide signal layers on
  310. the ceramic MCMs is required because of the size of the MCM, although I
  311. believe this increases the MCM material and scrap costs.
  312.  
  313. ----------------------------END OF REPORT--------------------------------
  314.  
  315.  
  316.