Базовые матричные кристаллы

Первые образцы базовых матричных кристаллов (БМК) появились в 1975 г. как средство реализации нестандартных схем высокопроизводительной ЭВМ без применения микросхем малого и среднего уровней интеграции. Разработка БМК позволила выполнить и нетиповые части машины на БИС.

Стоимость проектирования БИС/СБИС велика и достигает десятков или даже сотен миллионов долларов. Поэтому производство таких микросхем становится рентабельным только при достаточно большом объеме их потребления. Хорошее решение было найдено на путях разработки БИС, функционирование которых может быть приспособлено к решению той или иной задачи на заключительных этапах их изготовления. При этом полуфабрикаты производятся массово без ориентации на конкретного заказчика. Такие БИС/СБИС называются полузаказными.

Основа БМК первого поколения – совокупность регулярно расположенных на кристалле базовых ячеек (БЯ), между которыми имеются свободные зоны для создания соединений – каналы. Такая архитектура называется канальной. Базовые ячейки занимают внутреннюю область БМК, в которой они расположены по строкам и столбцам, и содержат группы нескоммутированных схемных компонентов (транзисторов, резисторов и т. п.). В периферийной области кристалла размещены ячейки ввода/вывода, набор схемных компонентов которых ориентирован на реализацию связей БМК с внешними цепями.

Таким образом, БМК является заготовкой, которая преобразуется в требуемую схему путем выполнения необходимых соединений.

Первые БМК (фирмы Amdahl Corp., США) выполнялись посхемотехнике ЭСЛ, для которо полный процесс изготовления включал 13 операций с фотошаблонами. Соответственно сроки и стоимость проектирования получались в 3-5 раз меньше, чем для полностью заказных БИС/СБИС. Плата за сокращение – не оптимальность результата, т. к. часть их элементов оказывается избыточной, взаимное расположение элементов и их соединения не являются оптимальными.

Промышленное производство БМК широко развернулось с начала 80-х годов прошлого века. Применяются технологии КМОП, ТТЛШ, ЭСЛ и др. В настоящее время уровень интеграции БМК достиг десятков миллионов вентилей на кристалле.

При проектировании БМК стремятся наилучшим образом сбалансировать число базовых ячеек, трассировочные ресурсы кристалла и число контактных площадок для подключения внешних выводов. Для современных БМК может потребоваться до 500…1000 внешних выводов.

При описании БМК существуют следующие основные понятия и определения:

- базовая ячейка (БЯ) как некоторый набор схемных компонентов, регулярно повторяющийся на определенной площади кристалла. Базовые ячейки внутренней области БМК именуются матричными базовыми ячейками (МБЯ), ячейки периферийной зоны – периферийными базовыми ячейками (ПБЯ). Применяются два способа организации ячеек БМК:

1) из компонентов МБЯ может быть сформирован один логический элемент, а для реализации более сложных функций используется несколько ячеек;

2) из компонентов МБЯ может быть сформирован любой функциональный узел, а состав компонентов ячейки определяется схемой самого сложного узла.

- функциональная ячейка (ФЯ) – функционально законченная схема, реализуемая путем соединения компонентов в пределах одной или нескольких БЯ.

- библиотека ФЯ – совокупность ФЯ, используемых при проектировании схемы на основе БМК (МАБИС).

Параметры БМК можно разделить на четыре группы:

- функциональные возможности (число эквивалентных вентилей, тип БЯ, число МБЯ и ПБЯ, состав библиотеки ФЯ и т. п.);

- электрические параметры (уровни напряжений, кодирующих лог. сигналы, напряжения питания, потребляемые токи, задержки распространения сигналов, максимальные частоты переключений и т. п.)

- конструктивно-технологические (тип корпуса, число выводов, число уровней металлизации, площадь кристалла и др.)

- эксплуатационные характеристики.

В мире изготавливаются БМК с десятками миллионов эквивалентных вентилей, обладающих задержками не более 0,1…0,2 нс.

Изготовление БМК можно разделить на следующие семь укрупненных этапов:

- исходное описание проекта;

- формирование базы данных и карты заказа;

- моделирование и верификация;

- предварительный просмотр проекта;

- проектирование топологии и верификация;

- окончательный просмотр проекта;

- изготовление опытных образцов.

Стремление автоматизировать процесс разработки проекта привело к появлению специальных языков программирования БМК. Среди них наиболее популярны языки Verilog Hardware Description Languages (VHDL).

Среди СБИС БМК в настоящее время наиболее распространены микросхемы программируемой логики, выпускаемые фирмами Xilinx, Altera, Actel.

4.4. БИС/СБИС с программируемыми структурами (CPLD, FPGA, смешанные структуры)

Микросхемы ПМЛ и БМК положили начало двум основным ветвям дальнейшего развития логических схем с программируемими структурами. Продолжением линии ПМЛ стали БИС/СБИС сложных программируемых логических устройств CPLD, а продолжением линии БМК – программируемые пользователем вентильные матрицы FPGA. Стремление объединить достоинства обеих линий привело к созданию БИС/СБИС смешанной архитектуры, для которых не выработано общепринятое название, фирма Altera, первой выпустившая такие схемы, назвала их FLEX (Flexible Logic Element Matrix). Сложность таких микросхем соответствует целым системам.

В разработке интегральных схем с программируемой структурой (ИСПС) в настоящее время участвуют десятки фирм, ведущими среди них являются Xilinx, Altera, Acctel, Atmel, Lattic Semiconductor.

Сфера применения ПЛИС чрезвычайно широка, на них могут строиться не только отдельные блоки систем, но и системы в целом, включая процессоры и память.

Классификация ПЛИС по типу программируемых элементов представлена на рис. 4.4.

Рис.4.4. Классификация ПЛИС по типу программируемых элементов

Для современных ПЛИС характерны следующие типы программируемых ключей:

- перемычки типа antifuze;

- транзисторы с плавающим затвором (ЛИЗМОП);

- ключевые МОП-транзисторы, управляемые триггерами памяти конфигурации («теневыми» ЗУ).

Программирование с помощью перемычек antifuze является однократным. Современные перемычки (фирмы QuickLogic и Actel) имеют высокое качество. Перемычка образована трехслойным диэлектриком с чередованием слоев «оксид-нитрид-оксид», помещенных между проводящими поликремнеевой и диффузионной шинами. Поэтому такую конструкцию иногда еще называют ONO (Oxid-Nitrid-Oxid). Программирующий импульс напряжения пробивает перемычку и создает проводящий канал из поликремния между электродами.

Элементы EPROM, EEPROM и флэш-памяти используются в интегральных схемах с перепрограммируемой структурой. Информацию, хранимую в памяти конфигурации, можно стирать с помощью УФ-облучения или электрическими импульсами. В настоящее время микросхемы с УФ-стиранием практически не выпускаются вследствие дороговизны корпуса с прозрачным окошком, но выпускаются приборы с однократным программированием (ОТР), выполненные по той же технологии, но в обычном корпусе.

Доминирующее положение на рынке интегральных схем с перепрограммируемой структурой занимают ПЛИС с триггерной памятью конфигурации. Упрощенная схема электронного ключа, используемого в этих схемах, приведена на рис. 4.5.

Рис.4.5. Упрощенная схема электронного ключа ПЛИС с триггерной памятью

Ключевой транзистор VT2 замыкает и размыкает участок ab в зависимости от состояния триггера, выход которого подключен к затвору транзистора VT2. При программировании на линию выборки подается высокий потенциал, и транзистор

VT1 открывается. С линии записи/чтения подается сигнал, устанавливающий триггер в состояние лог. «0» или «1». В рабочем режиме VT1 заперт и триггер сохраняет неизменное состояние. Т. к. от триггера памяти не требуется высокого быстродействия, он проектируется из соображений компактности и максимальной стабильности. Впервые такие схемы были применены фирмой Xilinx. Загрузка соответствующих данных в память конфигурации программирует ПЛИС на выполнение задачи. Этот процесс производится многократно (неограниченное число раз) при каждом включении питания. Триггеры памяти распределены по всему кристаллу. Ключевой транзистор можно назвать программируемой точкой связи ПТС.

Расмотренные подходы к построению перепрограммируемых логических схем привели в дальнейшем к появлению более сложных изделий, таких как сложные программируемые логигические устройства (CPLD) и программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA). Эти устройства выполняют более сложные функции и имеют в своем составе функционально законченные логические блоки, включая оперативную память. Они предназначены для решения сложных задач по управлению и обработке сигналов. Направления БИС/СБИС с перепрограммируемыми структурами продолжает интенсивно развиваться в настоящее время. При этом решающее значение имеет автоматизация проектирования сложных цифро-аналоговых устройств. Этому обстояльству обязаны появлением современные языки описания аппаратуры (HDL), предназначенные в конечном итоге для получения кодов для вышеописанных ПТС. Примерами таких языков низкого уровня могут служить языки PLDASM (Intel), AHDL (Altera), ABEL (Xilinx). Среди языков высокого уровня известны VHDL и Verilog.