Texte de la présentation de Christian JOLY le 14 Octobre 2004.
Trente ans de GCOS7
C’est à la fois un bonheur et un
honneur de pouvoir évoquer ensemble les grands moments du programme
GCOS7.
Vingt minutes allouées pour ce tour d’horizon m’obligeront à des
raccourcis saisissants. J’ai donc pris le parti, à travers cette grande
aventure technique et humaine, de montrer comment la technologie a influencé
nos organisations, notre métier, et notre vie durant ces trente dernières années.
Note: le texte de Christian Joly a été remis en forme pour permettre sa consultation dans un navigateur HTML. Les diapos et les photographies présentées peuvent être observées en cliquant sur les miniatures dans le texte. Elles sont ouvertes dans des fenêtres séparées et doivent être fermées manuellement au gré du lecteur. Les images sont optimisées pour un format d'écran 1024x768.
La Technologie
Les choix technologiques relatifs au
Sous Système central ont toujours fait l’objet de violentes empoignades au
sein de la Compagnie.
Pourquoi?
Parce que, tout simplement, ces choix déterminent: la performance, la fiabilité, le coût des systèmes et par conséquent leur avenir commercial.
Parce qu’il doivent être décidés de façon prématurée par rapport à l’évolution technologique de l’industrie, compte tenu du fait que trois ou quatre ans s’écoulent entre le choix d’une technologie et la première livraison en clientèle du système.
Il faut donc prendre des risques pour être
sur le marché en phase avec la compétition et, surtout, se garder de choisir
une technologie mature à l’époque du choix, mais devenue totalement obsolète
à l’époque de la livraison.
Il importe aussi que, quand une décision est prise au niveau du Comité Exécutif,
l’ensemble de la Compagnie fasse en sorte que la décision prise devienne une
bonne décision.
Les Systèmes
Le P7 a été conçu en version monoprocesseur. Puissance du processeur : 250 Kop/s
P7 a été le premier système de BULL
utilisant exclusivement des circuits intégrés. Cette technologie présentait un faible niveau d’intégration.
Le consensus TTL s’est imposé, les débats ont porté seulement sur le choix de la source d’approvisionnement:
Motorola ou Sylvania.
La technologie mémoire a été la DRAM
avec dans un premier temps des boîtiers puis de 4K
bits ,
une
version 2K bits n’ayant été utilisée que sur les systèmes distribués sur
le marché US.
Le packaging, technique d’assemblage
des différents composants, avait une part importante dans la réalisation du
système du fait de son poids dans la fiabilité et le prix de revient du système.
Les interconnexions électriques étaient
réalisées par :
Le packaging mobilisait des forces de développement
importantes : implanteurs, mécaniciens, thermiciens,…
Il est important de ne pas oublier les
différentes servitudes :
alimentations
poste de maintenance
refroidissement,…
ainsi que le
volume de circuits dédiés uniquement au diagnostic au niveau de la plaque en
cas de panne en clientèle.
L’unité
centrale de P7 comportait 90 plaques de commutation enfichées dans trois
paniers montés dans une ossature en mode page refroidie par air.
La mise au
point des prototypes et des avant-série effectuée par une équipe de spécialistes
dont c’était le métier, s’appuyait sur les outils suivants :
listes de sonnage
bit patterns de test des circuits
imprimés
opérations élémentaires (OPELS)
puis des tests de plus en plus
complexes jusqu’au fameux « GCOS READY » qui indiquait que le
système était prêt à tourner les premiers programmes client.
Les
modifications nécessaires au cours de la mise au point étaient possibles et réalisées
par des coupures de circuit imprimé, des ponts en fils soudés( straps) et des
changement de connexions enroulées sur les fonds de paniers.
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ligne DPS7 Elle est constituée du système LEO et
de sa version compacte LYRA d’une puissance processeur de 1,1 Mip/s et du système
TAURUS de 500 Kop/s.
La
technologie de commutation utilisée a été la CML associée au Micropackaging.
Le choix définitif en a été fait en 1976
lors de la fusion d’HONEYWELL-BULL avec la CII.
L’alternative était : soit la
technologie ECL 10K/100K, boîtiers standard de l’industrie de l’époque,
soit la technologie propriétaire CML/Micropackaging avec chips nus sur
substrats céramiques.
En revanche, l’ensemble
HONEYWELL-BULL-NEC.faisait sens pour se lancer dans un choix technologique
propriétaire utilisée également dans les grands systèmes DPS8 développés
par HONEYWELL. Par ailleurs, NEC nous apportait, grâce à sa division
semi-conducteurs, l’approvisionnement
des circuits intégrés CML déjà fournis à NTT
Pour résumer très succinctement, le
couple CML/Micropackaging présentait les atouts suivants :
Gain en volume d’un facteur 10
Accroissement de puissance d’un facteur 3
Meilleur refroidissement des jonctions par la suppression du boîtier
très mauvais conducteur thermique et de surcroît très coûteux
Interface privilégiée avec le fournisseur
Très haut niveau d’automatisation en partant de la tranche de
silicium (wafer)
Les circuits
SSI/MSI se présentaient sur un ruban de 35mm
Le premier
niveau de connexion était un substrat en céramique de 2 pouces par 2 pouces,
utilisant des connexions en films épais (encre sérigraphiée), permettant de
regrouper de 1000 à 1500 portes
logiques. Il préfigure le début de petits VLSI.
La plaque
circuit imprimé SP32, 8 couches d’interconnexion, pouvait recevoir jusqu’à
9 substrats.
Elle était
enfichée dans un fond de panier (back panel) de 16 couches par l’intermédiaire
d’un connecteur BULL, à ruban, qui assurait une impédance contrôlée entre
les différents circuits.
La mémoire
vive utilisait des boîtiers DRAM de 64 K bits montés sur des cartes SP25 logées
dans un panier mémoire.
La mise au
point reprenait les techniques utilisées pour le L64 enrichies de tests
capacitifs et de bits patterns spécifiques pour les substrats équipés.
Les substrats
contenaient en outre, dans leur version mise au point, des couches supplémentaires
et des plots utilisables pour la
modification (couches de réparation).
Un concept de
cartes à fenêtres a été développé pour l’observation des signaux
logiques aux bornes des chips et pour permettre les modifications par straps et
coupures.
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64/60 sous-système central et console
Level 64
La technologie de commutation choisie a été la TTL, un standard de l’industrie.
Lithographie d’une puce TTL
Lithographie agrandi d’une puce TTL (1968)
Différents types de boîtiers TTL dits
« Dual In Line packages » (DIL) ;
14, 16, … 24, 48 plots.
Certains boîtiers ont été ouverts pour montrer la puce TTL à l’intérieur. (L64 1974)
détail d’une plaque SP10 équipée, montrant les boîtiers TTL Dual In Line (DIL).
d'abord de 1K bits
Lithographie grossie d’un chip DRAM 1Kbit ( 1974)
Intérieur du boîtier d'un chip DRAM 1Kbit(1974)
Plaque mémoire SP10 du système L64, équipée de chips DRAM de 1 Kbit. (1974)
Lithographie agrandie d’un chip DRAM 4Kbit (L64 1976)
Intérieur du boîtier DIL DRAM 4K bit (L64 1976)
Plaque mémoire SP10 du système L64, équipée de chips DRAM de 4 Kbit. (1976)
En bleu : Connecteur SC1 à lyres 88 plots
En rouge : Connecteur 24 plots pour Internal External Cabling
Au fond: Bande d’usinage en continu des contacts/ Lyres en bronze phosphoreux.
Nota : La réalisation de l’outil de découpe a permis à un maître outilleur de Bull Anjou de se voir décerner en 1967
le titre de meilleur ouvrier de France.
Circuit imprimé nu SP10 du système L64 (1974)
Plaque SP10 équipée de boîtiers « Dual In Line » (DIL) TTL, avec un connecteur de raccordement au fond de panier
et des connecteurs en face avant pour les liaisons dites « Internal External Cabling »
(IEC)
Plaque SP10 de la mémoire de contrôle du système L64, équipée de boîtiers DIL PROM.
Maquette montrant, en coupe, l’assemblage SP10. du système L64 (1974)
« Card Cage » SP10 montrant le mixage de cartes SP10 simple et double format. (1968)
Il m’est impossible, compte tenu du temps, de détailler les
forces et les faiblesses du couple CML/Micropackaging par rapport au couple ECL/Boîtiers
sur circuit imprimé.
Différents types de wafer silicium CML ( 2,5 à 3,5 pouces de diamètre).
Tranche de silicium avec puces CML (Wafer). Les puces absentes ont été prélevées sur ruban TAB
Trois rubans TAB 35 mm montrant différents types d’araignées (ILB).
Ruban kapton 35mm avec « araignée » en cuivre étamé pour le montage des puces CML en micropackaging.
Soudures Ruban TAB / Chips CML. (Inner Lead Bonds ILB).
Puce CML montée sur l’« araignée » d’un ruban Kapton (Tape Automated Bonding TAB)
Couche d’interconnexion sérigraphiée sur un substrat céramique de 2 pouces x 2 pouces
Vue, coté soudure chips, d’un substrat céramique micropackaging montrant en transparence les différentes couches d’interconnexions
sérigraphiées.
Plots sérigraphiés sur substrat micropackaging pour la soudure des puces CML. (OLB)
Puce CML montée sur un substrat céramique sérigraphié. Les soudures entre puce et substrat sont les OLB (Outer Lead Bonds)
Puces CML soudées sur substrat sérigraphié.
Substrat micropackaging complètement équipé avant soudure sur plaque SP32.
Carte SP32 micropackaging équipée de 9 substrats.
Fond de panier nu SP32, réalisé en 16 couches d’interconnexion avec
la technique des vias inter couches « enterrés », avant équipement des connecteurs SC2 à ruban.
Maquette d’armoire montrant la cohabitation des packagings SP10 et SP32. (1978)
Détail d’équipement d’un connecteur à ruban SC2 sur un circuit fond de panier SP32
Fond de panier SP 32 équipé de ses connecteurs à ruban SC2.
Carte mémoire SP25 du système TAURUS, équipée de chips DRAM 64 Kbit.
Circuit imprimé nu servant à réaliser les plaques à fenêtres pour la mise au point des prototypes des systèmes utilisant le SP32.
Carte SPS2 micropackaging , dite « à fenêtres » utilisée pour la mise au point des prototypes Taurus et LEO.
Les interconnexions substrats sont réalisées en fils émaillés et les fenêtres laissent apparaître les puces
pour permettre la pose de sondes d’oscilloscopes.(1980)
Le DPS-7000 Ares
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vue générale du système Ares en version biprocesseur avec trois unités de disques. (1985) |
Le premier maillon de la ligne DPS7000
fut le système ARES d’une puissance processeur de 1 Mip/s.
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L’évolution technologique nous imposait pratiquement d’entrer dans l’intimité du silicium, c'est-à-dire de se donner les moyens de concevoir des chips à haut niveau d’intégration.
Le choix technologique était donc celui du choix du process qui allait devenir le futur standard de l’industrie !
A l’époque, en 1983, le débat se
situait entre le NMOS et le CMOS.
Le NMOS était plus mature, mais le CMOS plus prometteur. Le CMOS fut choisi.
Un second choix très difficile fut celui de la méthodologie de développement : Maquettage « Hardware » ou simulation « Software » ?
La simulation « Software» fut choisie. Nous en reparlerons tout à l’heure avec le Développement Assisté.
Avec ces deux choix fondamentaux, nous sommes entrés dans le cercle vertueux :
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Carte unité centrale du système ARES. Les 10 VLSI composent le processeur et le cache, la mémoire de commande est implantée sur une carte fille équipée de boîtiers DIL |
Perspective de la carte unité centrale du système ARES montrant les connecteurs de raccordement au bus système. |
C’est ainsi que pour ARES:
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Wafer silicium, 3 pouces de diamètre, VLSI CMOS ARES, lithographie 2 microns, dans son écrin de transport antistatique |
VLSI CMOS ARES , 2 micron monté sur son ruban de test. |
VLSI CMOS, lithographie 2 microns, (ARES), monté sur son cadre de test usine. (1985) |
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1er plan : connecteur pour VLSI CMOS ARES, monté sur Pin Grid Array (PGA). 2ème Plan : VLSI CMOS ARES monté sur PGA avec radiateur de refroidissement |
Le DPS-7000 Auriga 1
Pour AURIGA1 en 1990:
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VLSI CMOS 1,6 micron AURIGA1 monté sur son cadre de test (1990) |
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VLSI AURIGA2 , lithographie 0,5 micron. Puce de 15 mm x15 mm contenant le processeur et le cache de premier Niveau. Nota : 1er processeur sur une seule puce dans l’histoire de BULL |
Le DPS-7000 Artemis 2
Pour ARTEMIS2 en 1996:
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Le projet DIANE avec le DPS7/XTA
Le processeur est le chip Intel
« XEON »,
Le packaging et la construction sont du type standard PC
Il n’y a plus de dispute chez BULL
pour les choix technologiques matériel puisque tout est standard de
l’industrie.
La parole est dorénavant aux architectes systèmes et aux développeurs de
logiciels, tout en maintenant la capacité de dialogue avec les fournisseurs de
micro-processeurs.
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Le Développement Assisté par ordinateur : le DA.
La qualité du travail sortant des mains
d’un artiste ou d’un artisan ou d’un ouvrier dépend à la fois de son
habilité et de la qualité de ses outils.
Avec les technologies modernes ce constat reste valable.
L’outil conserve son rôle primordial,
à cela près, qu’il a changé de nature et de destination.
L’outil a changé sa nature matérielle pour devenir « logiciel »
et constitué le développement assisté par ordinateur.
En même temps, l’outil a perdu son rôle d’aide individuelle pour devenir
collectif et communiquant. Il a adjoint à sa fonction de réalisateur celle de
coordinateur d’équipe.
Le DA, durant l’épopée GCOS7, a
toujours été un auxiliaire précieux dans la maîtrise de la complexité.
Au fur et à mesure de l’évolution vers l’intégration, les investissements
en outils et en compétences DA ont été de plus en plus importants.
Dans l’histoire technologique de GCOS7, on pourrait définir deux étapes majeures caractérisées par le fait que la technologie utilisée, permet ou ne permet pas les modifications de la logique sur machine.
La période 1974-1987 permettait les modifications sur machine en cours de mise au point.
Dés 1987, on entre dans l’ère du VLSI, la modification sur machine n’est plus possible. On ne peut pas accéder aux circuits enfouis dans le silicium : le metteur au point est aveugle !
De 1974 à 1987, c’est l’époque du prototypage, de la mise au point de la logique sur machine et de l’assistance progressive du logiciel au développement.
L’implantation du P7, plaques et fonds
de paniers, a été entièrement réalisée manuellement.
Je me souviens avoir recruté plus de cent personnes, de tous horizons, pour
faire face à toutes les tâches d’implantation.
Pour la gamme DPS7, l’implantation et le tracé des plaques et des substrats , les séquences de test ainsi que le contrôle automatique des règles technologiques ont été entièrement automatisées.
A partir de 1987, la technologie utilisée
ne permet plus les modifications sur machine.
La logique du processeur est entièrement « fondue » dans le
silicium.
Nous sommes condamnés au zéro défaut !
Dans le cas contraire, l’impact sur le budget alloué ainsi que sur le
planning serait insupportable.
Il n’y a plus de prototypage possible : la machine doit marcher du
premier coup !
Le pari était considérable, le risque immense… mais contrôlé.
Chaque ingénieur logicien avait son
terminal connecté au DPS8 biprocesseur qui le mettait en relation avec tous ses
autres collègues et assurait une simulation globale.
Les jobs de simulation étaient lancés la nuit, depuis des Minitels installés
aux domiciles des développeurs. Chaque ingénieur développait ainsi son VLSI
dans un environnement virtuel convivial.
Ainsi avant toute fabrication de VLSI et toute réalisation physique du système, les concepteurs étaient surs que le système d’exploitation tournait correctement, que les règles technologiques ainsi que les exigences du fondeur relatives à son process étaient respectées.
Naturellement tous les supports nécessaires à la fabrication étaient générés automatiquement par ordinateur:
Le pari a été gagné sur ARES et, bien
évidemment la méthode a été reprise et améliorée pour les systèmes
suivants : AURIGA1, AURIGA2, ARTEMIS…
Elle a contribué à construire ce cercle vertueux dont je vous parlais précédemment.
BULL s’était dotée dés 1987 d’un savoir-faire que INTEL n’a atteint que vers la fin des années 90 !
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L’industrialisation.
Je vais aborder maintenant, rapidement,
les grandes phases de l’évolution de notre outil de fabrication: l’établissement
industriel d’Angers.
Il est évident que les choix technologiques faits en amont ont profondément
changé les moyens et les savoir-faire d’Angers ;
En résumé, on peut dire que GCOS7 a fait passer Angers d’une culture deuxième
source à une culture première source.
Les processus industriels mis en oeuvre
par l’établissement d’Angers pour la fabrication des autres systèmes
commercialisés par BULL permettaient de fabriquer la gamme L64 dans de bonnes
conditions.
Il est à noter qu’Angers avait la charge de fabriquer et de tester tous les
sous-ensembles constitutifs du système :
La ligne DPS7 a nécessité la mise en place de nouveaux processus industriels spécifiques au choix du couple CML/Micropackaging.
Il a fallu construire une unité spéciale dans l’usine dédiée à la fabrication des substrats micropack.
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Vue générale de l’atelier micropackaging de l’ Etablissement Industriel d’Angers(1981). |
Machines à transférer les puces CML du ruban TAB vers les supports diapositives utilisés sur les machines de report OLB. |
Vue générale de l’atelier micropackaging de l’Établissement Industriel d’Angers(1981). Montages des puces CML sur cadre diapositives. |
Vue générale de l’atelier micropackaging de l’ Etablissement Industriel d’Angers(1981). Test visuel sous binoculaire des diapos / puces CML. |
L’usine a fait ses premières incursions dans l’intimité des wafers silicium.
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Bobine de ruban TAB 35mm équipée de chips CML et sa boîte métallique de manutention. NB: Les spires portant les chips sont isolées les unes des autres grâce à un ruban plastique « interposer ». |
Machine à tester les puces CML montées sur diapositives. |
Banc de test des puces CML montées sur substrat |
La maîtrise de la fabrication d’interconnexions par film épais (Sérigraphie).
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A gauche : Cliché photographique pour fabrication des écrans à sérigraphier les substrats micropackaging. A droite : Ecran de sérigraphie en toile métallique très fine, utilisé sur les machines à sérigraphier. |
Machine à sérigraphier les substrats céramiques SP32. Atelier micropackaging de BULL Angers (1981) |
Fours automatiques servant à la cuisson des encres sérigraphiées sur les substrats céramiques. |
Vue générale de l’atelier micropackaging de l’ Etablissement Industriel d’Angers(1981). Fabrication des écrans de sérigraphie. |
La soudure à plat par re-fusion (reflow soldering) qui préfigurait la future technique CMS (Composants Montés en Surface).
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Puce CML soudée sur ses plots OLB du substrat sérigraphié. |
Il a fallu développer des compétences nouvelles pour dialoguer avec les fabricants de circuits intégrés (interface wafer).
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Puces CML sur wafer silicium. |
Cette étape, qui a été difficile, a bien préparé l’usine à l’étape suivante : ARES.
Avec la gamme DPS7000, les VLSI ont remplacé le premier niveau de connexion réalisé par les substrats micropack.
L’usine a capitalisé sur les process industriels et logistiques développés dans le cadre du DPS7.
Par contre, l’usine a du acquérir la
maîtrise de l’encapsulation des chips VLSI ainsi que le report à plat des
composants sur les circuits imprimés par la technique CMS.
Avec ARES, le programme Qualité a été scrupuleusement appliqué.
Les relations entre les équipes d’études et la fabrication ont été
excellentes sous l’impulsion du Symposium tenu à Caen en Mai 1985.
La technique du déverminage avant livraison en clientèle a été généralisée
(« Burn-in »)
Cependant, l’avènement des VLSI a réduit
considérablement le nombre d’heures usine nécessaires à la réalisation
d’un système, ce qui a obligé à une ré-orientation des surcapacités
industrielles et l’arrêt de certains secteurs de l’usine : tôlerie,
peinture, câbles…
Avec la gamme DPS7/XTA, le phénomène n’a fait que s’aggraver.
Je dirai pour conclure cette trop rapide
rétrospective:
Quand j’ai reçu, au nom de la
compagnie BULL, le trophée de l’innovation 1988 « Albert Costa de
Beauregard » pour le projet Ares DPS7000, j’avais déclaré que ce projet était
« l’Enfant de l’audace ».
J’ose dire aujourd’hui que l’ensemble du projet GCOS7 est devenu un
exemple majeur de l’audace.
Au-delà de ce survol trop rapide et quelque peu surréaliste, l’épopée
GCOS7 est et restera une immense aventure technique et humaine.
Une aventure internationale et planétaire
car : ‘’le soleil ne se couchait jamais sur les technologies de la
famille GCOS7’’.
Un choc, puis une alliance des cultures techniques américaines, japonaises et
européennes.
Ce fut toujours un enrichissement
technique et humain.
Aux équipes GCOS7 la fierté d’avoir été en phase avec
l’évolution technologique et même d’avoir été leader à certaines époques.
Je vais vous faire une confidence :
l y a trente ans, j’ai reçu dans mon bureau un jeune homme décidé qui m’a
raconté son aventure. Il s’appelait Roland MORENO.
« Je reviens, me dit-il, des Etats-Unis où j’étais il y a quelques
jours chez HARRIS Semi-conducteurs. Je leur ai demandé leur aide pour insérer
une puce mémoire dans l’épaisseur d’une carte en plastique, type carte de
crédit. Savez-vous ce qu’ils m’ont répondu ? Allez donc voir les équipes
BULL de Saint OUEN, ils savent déjà faire cela. Je viens donc vous voir pour
vous demander si vous savez faire cela »
Je lui ai confirmé notre savoir-faire et c’est ainsi que nous avons réalisé
chez BULL, les premiers prototypes de cartes à puce grâce à la technologie du
micropackaging. Sans le savoir, vous avez tous du micropackaging dans vos
poches !
GCOS7 a profondément modifié et même bouleversé nos organisations.
Nous sommes passé en vingt ans d’une structure taylorienne à un fonctionnement en mode projet.
Des métiers entiers :
dessinateurs, implanteurs, mécaniciens, câbleurs de prototypes, soudeuses, tôliers,
peintres, metteurs au point de prototypes…, ont disparu de chez BULL, remplacés
par des automates ou sous-traités à l’extérieur.
La convergence de l’irrésistible montée en puissance de l’intégration
dans le silicium et la mise en place du programme Qualité chez BULL, nous ont
contraints à développer des outils puissants d’aide à la conception et à
la fabrication.
Ces outils nous ont permis de manager de
façon contrôlée le risque et la complexité d’un tel projet.
Je n’exagère pas en vous disant qu’il existait peu d’équipes dans le
monde de l’informatique des années 85, capables de conduire avec succès des
projets du calibre d’ARES ou d’AURIGA.
Les produits standard à la disposition
de notre industrie sont actuellement de plus en plus puissants et de moins en
moins chers. C’est pourquoi porter GCOS7 sur les microprocesseurs du commerce
était incontournable.
Est-il venu le temps chez BULL où le métier
de concepteur de VLSI va disparaître ?
Heureusement, il y a encore
l’architecture des systèmes et la conception de logiciels. Ainsi va la vie !
Et comme dirait Jean d’ORMESSON : « C’était bien »
Je vous remercie de votre attention.
Christian JOLY