Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Honeywell/D19880321Elc036.shtml

Семейство радиационно-стойких матричных БИС, создаваемое по программе ССИС

УДК 621.3.049.771.14:539.16

A rad-hard array family evolves from VHSIC, pp.139,140.

Описывается первый 10 000-вентильный кристалл семейства биполярных матричных БИС с высокой радиационной стойкостью, разрабатываемый компанией Honeywell Inc. в процессе её участия в ССИС-программе министерства обороны США.

В настоящее время министерство обороны США испытывает большие потребности в микросхемах для создания следующего поколения военных систем, но похоже, что новое семейство биполярных вентильных матриц компании Honeywell Inc. в достаточной степени близко к тому, чтобы эти потребности удовлетворить. Эти матричные кристаллы предназначены для реализации усовершенствованных военных систем обработки сигналов и представляют собой именно тот тип компонентов, который сможет найти применение в разрабатываемых в настоящее время радиолокационных системах и гидролокаторах, системах радиоэлектронного противодействия и системах обработки изображений, которые планируется принять на вооружение в начале 1990-х годов.

К данным схемам предъявляются сегодня исключительно жёсткие требования. Они должны быть сверхбыстродействующими и иметь очень высокий уровень интеграции, потребляя минимум мощности без ущерба для быстродействия или производительности. Кроме того, они должны обладать максимальной радиационной стойкостью.

Чтобы выполнить все эти требования, специалисты отделения интегральной электроники компании Honeywell (Колорадо-Спрингс, шт.Колорадо) разработали матричные кристаллы для военной аппаратуры, в которой требуются схемы с уровнем интеграции от 10 до 70 тыс. вентилей и с тактовыми частотами от 50 до 100 МГц. Первый представитель этого семейства — матричный кристалл HVM 10 000 на 10 тыс. вентилей (рис.1), разработанный в рамках 1-й фазы программы ССИС. Кристалл выполнен на логических схемах на переключателях тока (ПТЛ-схемах), которые представляют собой маломощный вариант ЭСЛ-схем с значительно более высоким уровнем интеграции, обеспечивающий более высокие параметры производительности на системном уровне.

Логическая ПТЛ-матрица на 10 тыс. вентилей компании Honeywell удовлетворяет и даже превосходит требования по радиационной стойкости, предъявляемые мин
Рис.1. Логическая ПТЛ-матрица на 10 тыс. вентилей компании Honeywell удовлетворяет и даже превосходит требования по радиационной стойкости, предъявляемые министерством обороны США.

Повышенная радиационная стойкость ИС была достигнута с помощью изготовления матричного кристалла по фирменной технологии VDB-III, которая представляет собой технологию биполярных ССИС третьего поколения. Эта 1,25-мкм технология предусматривает изготовление эмиттерных областей без окисных стенок внутри слаболегированных базовых областей (рис.2). В ней также используется окисная изоляция, при формировании которой, по словам Дейвида Стила, управляющего разработками биполярных ИС, соседние транзисторы разделяются путём имплантации каналоограничительных областей, представляющих собой сильнолегированные области p-типа. Эти области предотвращают утечки тока между скрытыми коллекторными слоями отдельных транзисторов. Как до, так и после воздействия радиации утечки между скрытыми слоями соседних транзисторов возникают из-за образования каналов n-типа на границе между канало-ограничительной областью и окислом, которое происходит вследствие захвата положительных ионов ловушками в изолирующем слое.

Матричный кристалл изготовлен по технологии с окисной изоляцией и 1,25-мкм проектными нормами, в которой эмиттеры без окисных стенок расположены внутр
Рис.2. Матричный кристалл изготовлен по технологии с окисной изоляцией и 1,25-мкм проектными нормами, в которой эмиттеры без окисных стенок расположены внутри слаболегированной базовой области.

Чтобы дополнительно повысить радиационную стойкость матричных ПТЛ-кристаллов, компания дополнила свою базовую технологию ещё двумя операциями. Геттерирование обратной стороны кристалла обеспечивает перемещение дефектов кристаллической решётки кремния из приповерхностного активного слоя в глубину подложки. В дальнейшем после формирования металлизации приборы подвергаются облучению нейтронами. Эти две операции увеличивают число центров рекомбинации, снижая времена жизни электронов в подложке ИС и уменьшая фототоки из подложки в скрытый слой, возникающие при воздействии импульсного облучения. В результате новый матричный кристалл полностью удовлетворяет или даже превосходит такие требования министерства обороны США по радиационной стойкости, как стойкость к полной поглощенной дозе 106 рад, стойкость к импульсному излучению 10 рад/с при длительности импульса 20 нс и стойкость к облучению нейтронами с дозой 1015 см-2.

Матричный кристалл содержит три слоя металлизации, два из которых используются для коммутации макроэлементов и один для прокладки шин питания. Он может иметь в общей сложности до 172 линий ввода-вывода и допускает программирование различных комбинаций быстродействие — мощность в широком диапазоне значений.

В зависимости от сложности схемы и области её применения типовые сочетания задержки и мощности в матрице варьируются в диапазоне от примерно 1,5 нс и 1,3 мВт на функцию для маломощных схем с невысокой нагрузочной способностью (разветвление по выходу 1, объединение по входу 6) до 580 пс и 4 мВт для мощных схем с высокой нагрузочной способностью (разветвление по выходу 16, объединение по входу 3). Для ускорения разработки полузаказных схем сформирована библиотека оптимизированных ПТЛ-элементов с программируемым быстродействием. В состав библиотеки входят макроэлементы, которые разработчик может программировать на уровне отдельных элементов, что позволяет ему работать в широком диапазоне параметров быстродействия и потребляемой мощности.

Дейвид Уик, управляющий разработкой, производством и сбытом серии биполярных ИС, говорит, что матричный кристалл HVM10000 предназначен для тех военных и авиакосмических систем, которые до сих пор можно было выполнять только на ЭСЛ-схемах. По его словам, новые ПТЛ-матрицы, которые по архитектуре элементов идентичны ЭСЛ-матрицам, превосходят их на уровне системных показателей, а по «логическому» уровню интеграции ПТЛ-матрицы его компании превосходят эквивалентные ЭСЛ-матрицы на 20—30%.

«Хотя отдельный ПТЛ-вентиль по быстродействию может уступать ЭСЛ-вентилю аналогичного размера, на системном уровне это различие благодаря повышенной плотности упаковки полностью исчезает,— говорит Стил.— Благодаря повышенному уровню интеграции в новой матрице устранены такие источники снижения производительности, как задержки в буферах ВВ и задержки, вызывающие рассогласование тактовых импульсов во внутренних соединениях матрицы». Он говорит также, что благодаря меньшей потребляемой мощности (для ПТЛ-матриц она на 30—50% ниже, чем для ЭСЛ-матриц) повышается надежность систем, что означает увеличение среднего времени между отказами.

В качестве примера Уик привел типовую ССИС-систему электронного противодействия, выполняющую обработку сигналов. Сложность системы составляет 100 тыс. вентилей. При её выполнении на ПТЛ-матрицах средний уровень использования вентилей составил 80%, тогда как для ЭСЛ-матриц он составлял 60—65%. Потребляемая мощность для ПТЛ-варианта оказалась равной 104 Вт, для ЭСЛ-варианта она равнялась 240 Вт. Для ПТЛ-варианта системы среднее время между отказами получилось 54 210 ч, тогда как для исходной ЭСЛ-системы оно равно 31 599 ч.

Стил говорит, что эти дополнительные возможности на уровне систем обусловлены рядом преимуществ на вентильном уровне, которыми обладают ПТЛ-элементы с программируемым быстродействием компании Honeywell по сравнению с ЭСЛ-элементами. Во-первых, базовая логическая структура двухвходового вентиля ИЛИ/ИЛИ-НЕ содержит всего четыре транзистора, тогда как в ЭСЛ-вентиле их шесть. Дифференциальная транзисторная пара, работающая как дифференциальный усилитель, коммутирует в ПТЛ-схеме ток питания от источника VCC в одну из нескольких возможных цепей к источнику VEE, определяемую логическим состоянием входов вентиля. Матричный ПТЛ-кристалл компании Honeywell содержит также схемы температурной компенсации и источников тока, которые компенсируют различия токов отдельных вентилей, так что внутренние логические перепады в ПТЛ-элементах всегда выдерживаются ниже уровня напряжения насыщения коллекторных переходов. Стил говорит, что в результате во всем полном военном температурном диапазоне логические перепады элементов стабильно выдерживаются в пределах от 460 до 500 мВ, что в «чистых» ЭСЛ-схемах обеспечить достаточно сложно.

«Кроме того, в ПТЛ-схемах отсутствуют эмиттерные повторители, широко используемые в вентильных ЭСЛ-матрицах, что позволяет снизить требуемую площадь кристалла и мощность и вместе с тем повысить быстродействие на уровне вентилей на 40—50%»,— говорит Стил.

Чтобы разработчики ИС могли в полной мере использовать все преимущества матричных ПТЛ-кристаллов на вентильном уровне, компания Honeywell разработала библиотеку типовых биполярных макроэлементов. В её состав входят 70 жестко скоммутированных макропримитивов, 36 функциональных аналогов малых логических ИС (P-элементы) и 27 функциональных аналогов средних логических ИС (L-элементы). Элементы двух последних групп построены с использованием жестко скоммутированных макропримитивов из первого раздела библиотеки.

Стил говорит, что все макропримитивы имеют фиксированную топологию, которая апробирована, в качестве единичного размещаемого объекта вентильной матрицы с помощью программы трассировки и включает в себя такие функции, как вентили ИЛИ/ИЛИ-НЕ с числом входов от 1 до 16, вентили ИЛИ/И/И-НЕ, вентили исключающее ИЛИ/ИЛИ-НЕ, полусумматоры и полные сумматоры и различные виды регистровых элементов и триггеров. Особенность библиотеки состоит в том, что кроме этого набора макропримитивов, сопрягающихся со стандартными для ПТЛ-схем уровнями напряжений, в ней предусмотрен дублирующий набор макропримитивов с нестандартными уровнями напряжений. Эти альтернативные макропримитивы предназначены для построения группы специальных функциональных аналогов малых ИС, используемых внутри матричного кристалла, а также группы функциональных аналогов средних ИС. Стил говорит, что нестандартные логические уровни этих специальных примитивов используются для двух целей. «Во-первых, дифференциальные эмиттерные повторители с перепадом в четверть вольта применяются для управления тактовыми линиями в логических СИС-макроэлементах, где они выполняют коммутацию больших ёмкостных нагрузок и уменьшают рассогласование тактовых сигналов,— говорит он.— Во-вторых, многоуровневые выходные сигналы четвертьвольтовых эмиттерных повторителей можно использовать для управления схемами коммутации тока в одну из ветвей».

Стил говорит, что такие схемы коммутации с n ветвями особенно эффективны для реализации целого ряда схем. Они позволяют строить сложные мультиплексоры разрядностью до n бит с током питания, равным току одного вентиля, который коммутируется в одну из n возможных ветвей. По словам Стила, это открывает возможность эффективно строить широкий диапазон схемных функций, играющих важную роль в устройствах обработки сигналов, добиваясь большой экономии площади кристаллов. В число таких функций входят циклические сдвигатели, умножители на базе алгоритма Бута и логические схемы считывания для регистровых файлов.

«Еще одно преимущество нового семейства матричных кристаллов компании Honeywell — это широкий диапазон выбора сочетания быстродействие — мощность, доступный разработчику при построении многоярусных макроэлементов — аналогов средних ИС»,— говорит Уик. Это позволяет разработчику выбирать сочетание быстродействия и мощности системы с такой точностью, которую он не может получить ни в одном из конкурирующих матричных кристаллов. В каждом ПТЛ-примитиве со стандартными уровнями напряжения предусмотрены четыре варианта сочетания быстродействие — мощность, в каждом специальном примитиве с нестандартными уровнями и выходными эмиттерными повторителями — два варианта. Стил говорит, что такие возможности выбора мощности позволяют разработчику систем подбирать комбинацию быстродействие — мощность для каждого варианта каждого макроэлемента в зависимости от конкретной схемы, причём делать это для каждого макроэлемента независимо. «С учётом всевозможных комбинаций быстродействие — мощность и набора примитивов в распоряжении разработчика ИС имеется в общей сложности 258 вариантов макропримитивов»,— говорит он.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 60, No.24 (782), 1987г - пер. с англ. М.: Мир, 1987, стр.55

Electronics Vol.60 No.24 November 26, 1987 A McGraw-Hill Publication

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Военная электроника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Honeywell/D19880321Elc036.shtml