Классификация интегральных схем

Элементную базу всех цифровых устройств (ЦУ) [ Digital Devices ] составляют интегральные схемы (ИС) [ Integrated Circuit (IC)], которые также называются микросхемами (МС) или чипами (микрочипами) [ Chip (Microchip)].

Интегральные схемы – это электронные приборы, выполненные на тонких полупроводниковых пластинах, содержащие электронные элементы и выполненные внутри корпуса определённого типа.

ИС со времени изобретения в США в 1959 г. постоянно совершен­ствуются и усложняются. Быстрый прогресс в области изготовления интегрируемых схем привел к резкому росту объёма их производства и снижению стоимости. В результате использования МС стало возможным не только в сложных специализированных устройствах (таких, как ЭВМ), но и в разнообразных измерительных приборах, управляющих и контролирующих системах. Круг потребителей МС непрерывно расширяется.

Характеристикой сложности ИС является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базовых логических элементов (ЛЭ) [ Logic (al) Element / Component / Gate / Unit ], либо числом транзисторов, которые размещены на кристалле.

В зависимости от уровня интеграции ИС делятся на несколько категорий: МИС, СИС, БИС, СБИС, УБИС (соответственно малые, средние, большие, сверхболь­шие, ультрабольшие ИС).

МИС [ SSI = Small / Standard Scale Integration – малая/стандартная степень (уровень) интеграции] – это МС с очень небольшим числом элементов (несколько десятков). МИС реализуют простейшие логические преобразования и обладают очень большой уни­версальностью – даже с помощью одного типа ЛЭ (например, И-НЕ) можно построить любое ЦУ.

СИС [ MSI = Medium Scale Integration – средняя степень (уровень) интеграции] – это МС со степенью интеграции от 300 до нескольких тысяч транзисторов (обычно до 3000). В виде СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как малоразрядные регистры, счётчики, дешиф­раторы, сумматоры и т. п. Номенклатура СИС должна быть более широкой и разнообразной, т. к. их универсальность по сравнению с МИС снижается. В развитых сериях стандартных ИС насчитываются сотни типов СИС.

БИС [ LSI = Large Scale Integration – большая (высокая) степень (уровень) интеграции] – МС с числом логических вентилей от 1000 до 5000 (в некоторых классификациях – от 500 до 10000). Первые БИС были разработаны в начале 70-х годов прошлого века.

СБИС [ VLSI = Very Large-Scale Integration – очень большая (высокая) степень (уровень) интеграции или GSI = Giant Scale Integration – гигантская (сверхбольшая, сверхвысокая) степень (уровень) интеграции] – это МС, содержащие на кристалле от 100000 до 10 млн. (VLSI) или более 10 млн. (GSI) транзисторов или логических вентилей.

УБИС [ ULSI = Ultra Large Scale Integration – ультрабольшая (ультравысокая) степень (уровень) интеграции] – это МС, в которых число транзисторов на кристалле составляет от 10 млн. до 1 млрд. К таким схемам можно отнести современные процессоры.

Приведённые выше данные о МС разной степени интеграции для наглядности сведены в табл. 1.

Таблица 1

Русская аббревиатура	Английская аббревиа-тура	Число транзисторов или ЛЭ на кристалле	Примеры
МИС	SSI	несколько десятков	Сборки из отдельных ЛЭ
СИС	MSI	от 300 до нескольких тысяч транзисторов (обычно до 3000)	Регистры, счётчики, дешиф­раторы, сумматоры
БИС	LSI	от 1000 до 5000 (от 500 до 10000)	Простая ПЛ
СБИС	VLSI GSI	от 100 000 до 10 млн. более 10 млн.	Процессоры и ПЛ средней сложности
УБИС	ULSI	от 10 млн. до 1 млрд.	Современные процессоры и ПЛ

Как видно из таблицы, классификация ИС разной степени интеграции довольно условна. Как уже было замечено выше, с увеличением количества элементов на кристалле МС становятся менее универсальными, их номенклатура (количество разных видов) увеличивается, а серийность (объём выпуска) каждого наименования уменьшается, что приводит к увеличению себестоимости одной МС, которая вычисляется по примерной формуле

т. к. затраты на проектирование ИС значительно увеличиваются с увеличением их сложности и уровня интеграции.

На практике используются все категории ИС, однако с те­чением времени всё большую долю используемых МС составляют схемы высокого уровня интеграции.

Интенсивное производство микропроцессоров не снижает потребности в более простых схемах. Существует очень много приложений, в которых применение микропроцессоров, требующих вспомогательных устройств, является неэффективным. Техническое решение на основе ИМС часто обеспечивает большие быстродействие и надежность. Поэтому ознакомление с методами их использования безусловно необходимо. ИМС распространены сейчас настолько широко, что умение применять их при проектировании различных устройств должно быть обязательным элементом профессиональной грамотности современного инженера.

В настоящее время в радиоэлектронных системах, в средствах вычислительной техники, системах управления и информационно-измерительной технике используется широкий спектр больших (БИС) и сверхбольших интегральных микросхем (СБИС), которые получили в последнее десятилетие прогрессирующее развитие.

К БИС и СБИС можно отнести: микропроцессорные комплекты и микроконтроллеры, программируемые логические матрицы и базовые матричные кристаллы, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, а также запоминающие устройства. Эти сложные в структурном построении и функциональном понимании интегральные компоненты нашли широкое применение в указанных системах и являются основой их построения.

С появлением технологий БИС и СБИС схемы с тысячами и миллионами ЛЭ стали размещаться на одном кристалле, кроме того, недавно было объявлено о воз­можности разместить на кристалле миллиард транзисторов. При этом про­блема снижения универсальности для ИС с жёсткой структурой обострилась бы чрезвычайно – пришлось бы производить огромное число типов ИС при снижении объёма производства каждого из типов, что непомерно увеличило бы их стоимость, т. к. высокие затраты на проектирование БИС/СБИС от­носились бы к небольшому объёму их выпуска.

Выход из возникшего противоречия был найден на пути переноса специали­зации микросхем в область программирования. Появились микропроцессо­ры и БИС/СБИС с программируемой структурой.

Микропроцессор (МП) способен выполнять команды, входящие в его систему команд. Меняя последовательность и состав команд (программу), можно решать различные задачи на одном и том же МП. Иначе гово­ря, в этом случае структура аппаратных средств не связана с характером ре­шаемой задачи. Это обеспечивает микропроцессорам массовое производство с соответствующим снижением стоимости.

В виде БИС/СБИС с программируемой структурой потребителю предлагается кристалл, содержащий множество логических блоков, межсоединения для которых назначает сам системотехник. Промышленность получает возможность производить кристаллы массовым тиражом, не адресуясь к отдельным потребителям. Системотехник сам программирует структуру ИС соответст­венно своему проекту. Разработан целый спектр методов программирования связей между блоками и элементами кристалла.

Два указанных вида устройств и, соответственно, два метода программирования имеют большие различия. Микропроцессоры реализуют последовательную обработку информации, выполняя большое число отдель­ных действий, соответствующих командам, что может не обеспечить требуе­мого быстродействия. В БИС/СБИС с программируемой структурой обработ­ка информации возможна без разбиения этого процесса на последовательно выполняемые элементарные действия. Задача чаще всего решаться “целиком”, её характер определяет структуру устройства. Преобразование данных происхо­дит одновременно (параллельно) во многих частях устройства. Сложность устройства зави­сит от сложности решаемой задачи, что не всегда справедливо для микропроцессорных систем, где сложность задачи в основном влияет лишь на программу, а не на аппаратные средства её выполнения.

Таким образом, БИС/СБИС с программируемой структурой могут быстрее решать задачи, сложность которых ограничена уровнем интеграции МС, а микропроцессорные средства – задачи неограниченной сложности, но с меньшим быстродействием. Оба направления открывают ценные пер­спективы дальнейшего улучшения технико-экономических показателей соз­даваемой на них аппаратуры. Более того, современные кристаллы высшего уровня интеграции содержат одновременно и микропроцессоры, и большие массивы программируемой логики, обладая в силу этого большими функ­циональными возможностями. Подобная структура свойственна микросхе­мам класса “ система на кристалле ” [ SoC (SOC) = System on Chip/Crystal – система на чипе/кристалле или SOS = Systems On Silicon) – система на силиконе], важная роль которых в проектировании современной аппаратуры неоспорима.

С переходом производства микросхем на технологические нормы 130 и 90 нм степень интеграции выросла до десятков миллионов вентилей, что всё чаще позволяет реализовывать все компоненты системы в одной интегральной микросхеме. “Система на кристалле” – это однокристальная система, объединяющая в одном кристалле все или большую часть элементов цифровой системы. Если в качестве элементной базы для SoC выбрана ПЛИС, то используется также термин SoPC (SOPC) [ System on a Programmable Chip/Crystal – система на программируемом чипе/криталле]. Если SoC содержит несколько процессоров, то она именуется однокристальным мультипроцессором [англ. MPSoC (MPSOC)= MultiProcessor System on Chip – мультипроцессорная (многопроцессорная) система на кристалле или Single-Chip Multiprocessor ].

С ростом уровня интеграции ИС в проектировании на их основе всё больше усиливается аспект, который можно назвать интерфейсным проектировани­ем. Задачей разработки становится составление блоков из субблоков стан­дартного вида путём правильного их соединения. Успешное проектирование требует хорошего знания номенклатуры и параметров элементов, узлов и устройств цифровой аппаратуры и привлечения систем автоматизированного проектирования (САПР) для создания сложных систем.

Однако изучение цифровой электроники представляется сложным начинать с системотехники и микросхемотехники интегральных устройств, а тем более осваивать проектирование систем на их основе. Поэтому необходимо, прежде всего, изучить внутреннее устройство и алгоритмы работы менее сложных функциональных узлов цифровой электроники.