Матричные кристаллы БМК.

Стоимость производства БИС/СБИС очень велика и становится рентабельной только при больших объемах их выпуска. Поиски удешевления производства специализированных БИС/СБИС с малыми объемами выпуска привели к созданию микросхем-заготовок (полуфабрикатов), специализация которых к решению определенных задач происходит на заключительных этапах производства. При этом заготовки производятся в массовом количестве без ориентации на конкретного заказчика или круг задач. Произведенные по этой технологии БИС/СБИС принято называть полузаказными или базовыми матричными кристаллами (БМК). В англоязычной технической литературе для этих микросхем используется термин Gate Array (GA), переводимый как «вентильная матрица». Для разработчиков и производителей сложной электронной аппаратуры БМК являются незаменимыми в многочисленных случаях:

· когда требуется быстро разработать и начать производство изделия;

· когда объем производства изделия относительно невысок, а подходящих среди выпускаемых БИС нет;

· при создании специфичной аппаратуры с оригинальными техническими решениями;

· при переработке ранее созданной аппаратуры на новую элементную базу;

· при желании заказчика самостоятельно разработать БИС с целью, например, скрыть своё " know-how".

В этих и им аналогичных случаях возникают противоречивые требования, обусловленные с одной стороны необходимостью обеспечения высокой степени интеграции БИС, с другой - быстротой создания и относительно низкими объемами производства, экономически нерентабельными для разработки полностью заказных БИС [ ]. Наиболее эффективно это противоречие решается применением полузаказных БИС на основе БМК. В этом случае процесс проектирования и изготовления БИС разбивается на две части: сначала массово производятся полуфабрикаты-заготовки, затем по заказу выполняется только вторая, более простая часть, поэтому они и называются полузаказными.

Схема заказчика переносится на кристалл полузаказных БИС/СБИС путем установления необходимых соединений между элементами заготовки. Такой подход существенно (в 3-5 раз) сокращает сроки и стоимость проектирования. Платой за удешевление проектирования становится не оптимальность результата, обусловленная нерациональным использованием площади кристалла и снижением быстродействия, т.к. часть элементов заготовки остается не востребованной (избыточной), а взаимное расположение элементов и пути их межсоединений не всегда оказываются наилучшими.

БМК могут иметь канальную, бесканальную и блочную архитектуру [..]. В случае канальной архитектуры на заготовке формируется совокупность регулярно расположенных базовых ячеек (БЯ), между которыми оставляются свободные зоны для выполнения межсоединений.

БЯ состоят из некоторого набора нескоммутированных или частично скоммутированных схемных компонентов (транзисторов, резисторов и др.). Построение схем может быть реализовано двумя способами:

· из компонентов БЯ формируется один функционально полный логический элемент (например, 2И-НЕ), а на его основе уже реализуются более сложные фрагменты схемы;

· отрабатывается возможность создания из компонентов БЯ множества различных функциональных ячеек (ФЯ), а состав БЯ определяется самой сложной ФЯ.

В обоих случаях возникает понятие библиотеки готовых схемных решений (библиотеки ФЯ). Библиотека создается на этапе разработки БМК и в дальнейшем позволяет разработчику вести проектирование на функционально-логическом уровне, освобождая его от рутины по созданию типовых узлов. (Здесь можно провести аналогию с проектированием на ИМС малой степени интеграции, если сравнить ИМС элементами библиотеки ФЯ).

Канальные БМК имеют невысокую плотность упаковки из-за значительных затрат площади кристалла на организацию межсоединений БЯ, поэтому чаще используется для изготовления биполярных БМК, для которых характерна большая рассеиваемая мощность и, как следствие, необходимость меньшей плотности упаковки.

Поиск путей минимизации площади межсоединений привел к созданию бесканальных БМК.

Бесканальные БМК

Блочные БМК

БМК в этом случае составлен из плотно упакованных БЯ и любая его область может использоваться как для создания схемы так и для межсоединений. Например, часть элементов используется для создания схемы, а часть остается нескоммутированной и поверх нескоммутированных элементов создаются межсоединения. В случае необходимости «длина» БЯ может быть переменной. При таком подходе площадь кристалла используется более рационально, т.к. свободно перераспределяется между функциональными ячейками и межсоединениями. Бесканальные БМК характерны для КМОП технологий, отличающихся невысокой рассеиваемой мощностью и относительно невысокой частотой работы элементов, что и позволяет использовать более высокую плотность компановки.

Возросшая степень интеграции со временем позволила реализовывать блочные структуры БМК, в которых на одном кристалле наряду с матрицами БЯ (их может быть несколько) располагаются другие крупные блоки, например, память, буферные каскады, специализированные блоки обработки и т.п. Пространство между блоками используется для межсоединений.

Одной из важных характеристик БМК является число слоев межсоединений (типовые значения 2-6). Многослойность облегчает трассировку, позволяет увеличить степень интеграции БМК, перейти в случае необходимости к бесканальной архитектуре. Например, один слой может быть занят БЯ, второй вертикальными трассами, третий – горизонтальными, а четвертый – обслуживающими цепями [ ].

При выборе БМК руководствуются их функциональными, электрическими, конструктивно-технологическими и эксплуатационными характеристиками. В качестве примера некоторые из них приведены в таблице для БМК производства ОАО «Ангстрем» [ ]:

Этапы проектирования БМК.

Начальным этапом является исходное описание проекта. Оно чаще всего представляется в виде схемы, составленной из библиотечных элементов БМК или в виде описания на языках VHDL, Verilog или других, применяемых для описания аппаратуры. Не исключается возможность представления схемы в базисе микросхем программируемой логики или в виде электрической схемы в других базисах. В этом случае изготовитель все равно осуществляет перевод из исходного представления в базис библиотеки БМК. Поскольку библиотека стандартных элементов БМК разрабатывается самим изготовителем, представление проекта в виде схемы на основе библиотечных элементов упрощает ему последующие этапы проектирования.

Библиотека стандартных элементов как правило состоит из двух разделов: библиотеки ядра и библиотеки ввода/вывода.

Библиотека ядра содержит группы логических элементов, триггеров, регистров, дешифраторов, мультиплексоров, сумматоров, счетчиков, элементов с тремя состояниями выхода, усилителей мощности и др.

Библиотека ввода/вывода содержит группы элементов различной мощности, обеспечивающих стандартное сопряжение БМК с другими микросхемами, например, КМОП и ТТЛ выходы (входы); КМОП и ТТЛ выходы (входы/выходы) с тремя состояниями; КМОП и ТТЛ выходы (входы/выходы), повторители шины; буферы тактового сигнала; ячейки кварцевых резонаторов и др.

В БМК с блочной архитектурой дополнительно могут использоваться подсистемы автоматической компиляции блоков ОЗУ, ПЗУ и FIFO из базовых транзисторов ячеек ядра и могут располагаться в любом месте кристалла. Емкость блоков ОЗУ и ПЗУ ограничена. В общем случае их может быть несколько на одном кристалле. Разработка блоков в базе данных проекта производится автоматически. Заказчику необходимо заполнить простую форму, указав необходимые ему параметры блока.

Разработка БМК осуществляется в тесном взаимодействии изготовителя (разработчика топологии кристалла) и заказчика и включает следующие основные этапы:

1. Разработка структурной схемы. Ориентировочный расчет числа библиотечных элементов различных наименований. Передача структурной схемы и результатов расчетов разработчику топологии.

2. Разработчик топологии оценивает площади фрагментов, разрабатывает эскиз топологического размещения фрагментов БИС на кристалле и формирует общие требования и замечания к функциональной (структурной) схеме и иерархии ее описания.

3. Разработка полной функциональной схемы с учетом требований и замечаний. Моделирование схемы (например, средствами PCAD), подготовка рабочих чертежей.

4. Разработка уточненного топологического плана кристалла и эскизов топологии всех фрагментов. На завершающей стадии может возникнуть потребность в редактировании, уточнении функциональной схемы.

5. Изготовление пилотной (опытной) партии микросхем. Тестовые испытания. (Весь цикл проектирования БМК может занять несколько месяцев).

При разработке функциональной схемы, как правило, необходимо придерживаться дополнительных рекомендаций изготовителя БМК, обусловленных характеристиками библиотечных элементов и самого БМК.

Например, незадействованные входы библиотечных элементов нельзя оставлять свободными. Они подключаются к шине “земля” или “питание”, в зависимости от логики работы. Нагрузочная способность библиотечных элементов ограничивается допустимым временем задержки сигнала на элементе, которое зависит о емкости нагрузки С_нагр. Для быстродействующих цепей С_{нагр.доп} ≤ 0, 5пФ. Для цепей, не критичных к быстродействию С_{нагр.доп} ≤ 2пФ. Для учета емкостей линий связи полагают, что С_связи=1, 5пФ на 1мм шины.

Для увеличения нагрузочной способности допускается, если нужно, параллельное включение одноименных элементов путем запараллеливания одноименных входов-выходов. Однако, при этом меняются входная, выходная емкости и другие физические параметры. Связь с внешними выводами осуществляется только через буферные элементы.

Для ориентировочного расчета динамических параметров для каждого библиотечного элемента приводятся значения задержки переключения при различных значениях емкостной нагрузки С_нагр=0, 2; 0, 5; 2пФ, что соответствует коэффициенту разветвления 2, 3 и 10 соответственно.

Если условия эксплуатации отличны от номинальных значений температуры t и питания Vcc, то расчетное значение задержки получают путем умножения номинального значения на поправочные коэффициенты.

Коэффициент влияния напряжения питания Vcc:

К_{4, 5}=1, 25 К_{5, 5}=0, 75

Коэффициент влияния температуры:

К₈₅=1, 15 К_-60=0, 8

При совместном действии нескольких коэффициентов (факторов) их значения перемножаются.

Уточненный расчет динамических характеристик осуществляется при их логическом моделировании с учетом RC-параметров; C_нагр., I_нагр., I₀, I₁ и т.д.

Рассмотрим несколько примеров библиотечных элементов библиотеки “Домбай-4М” (завод «Интеграл» г. Минск) и пример синтеза простейшей схемы.