Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Motorola/D19840405Elc032.shtml

Ведущее положение К/МОП-технологии в области разработки специализированных заказных ИС

УДК 621.3.049.774.2

Леонард Богл (Leonard Bogle)
Фирма Motorola Inc. (Остин, шт.Техас)

Leonard Bogle. C-MOS paces development of application-specific circuits, pp.138—141.

Благодаря малому потреблению мощности К/МОП-технология позволяет получать высокий уровень сложности специализированных заказных ИС. Кроме того, в конструкциях К/МОП-кристаллов весьма успешно сочетаются цифровые и линейные функции.

Благодаря малой потребляемой К/МОП-схемами мощности К/МОП-технология открывает возможности создания однокристальных ИС, в которых объединяются микропроцессоры, блоки памяти и схемы ввода-вывода. Располагая рабочими станциями автоматизированного проектирования, конструкторы могут сегодня создавать свои собственные БИС и СБИС специального назначения, пользуясь при этом программными библиотеками схемных решений в значительной степени так же, как десять лет назад их предшественники пользовались стандартными ИС.

В начале 1970-х годов разработанные полупроводниковой промышленностью малые и средние цифровые ИС открыли перед разработчиками возможности проектирования своих систем по функционально-блочному методу. Если до этого конструкторам приходилось самостоятельно строить свои функциональные блоки на дискретных транзисторах и других электрорадиокомпо-нентах, то теперь они могли выбирать готовые функциональные схемы из обширных каталогов недорогих и легкодоступных ИС. Однако с ростом функциональной насыщенности и сложности отдельных плат инженерам становилось все труднее решать проблему выполнения межсоединений для большого числа корпусов ИС. А при большом количестве межсоединений, необходимом для создания больших схемных плат для конечного потребителя, заметно снижаются системные показатели надежности и производительности.

Конец поисков

Даже при чрезвычайно широком применении микропроцессоров и плотноупакованных ЗУ с произвольной выборкой для выполнения логических функций программным способом оказывается, что конструкторам все равно требуется значительное количество разнообразных логических схем. Они нужны для сопряжения микропроцессоров и приборов памяти друг с другом и с внешним миром. Кроме того, выполнение логических функций программным способом осуществляется значительно медленнее, чем при аппаратной реализации. Это обстоятельство дополнительно стимулировало поиски методов создания больших интегральных схем произвольной логики, дополняющих микропроцессорные БИС и БИС памяти.

В результате этих поисков были созданы различные типы специализированных ИС — от программируемых логических матриц, вентильных матриц, схем, проектируемых на основе библиотек стандартных элементов, и микроконтролеров до проектируемых вручную полностью заказных схем (см. рисунок). Все эти подходы позволяют конструкторам создавать заказные изделия для конкретных приложений. Однако наличие нескольких различных подходов заставляет конструкторов принимать во внимание целый ряд различных факторов, влияющих на продолжительность разработки и стоимость получения опытных образцов заказных схем (см. таблицу). Но независимо от конкретного подхода технология К/МОП-схем с кремниевыми затворами уверенно выдвигается на ведущую позицию в отрасли, о чем свидетельствует большое число поставщиков специализированных заказных ИС на базе К/МОП-технологии. По данным английской фирмы Mackintosh International, занимающейся исследованиями рынков, в конце 1982г. свыше 50 фирм-изготовителей поставляли заказные ИС на основе вентильных К/МОП-матриц, тогда как количество поставщиков заказных ИС на основе биполярных вентильных матриц — следующей по значимости технологии — составляло в это время менее 20. По данным фирмы Dataquest (Сан-Хосе, шт.Калифорния), специализирующейся на исследованиях рынков, в 1982г. только 32% всех заказных ИС было изготовлено по К/МОП-технологии, однако разработчики могут ориентироваться на то, что к 1990г. эта доля увеличится до 80%.

После того как в начале 1970-х годов полупроводниковая промышленность разработала и освоила в массовом производстве универсальные стандартные семейств
После того как в начале 1970-х годов полупроводниковая промышленность разработала и освоила в массовом производстве универсальные стандартные семейства логических ИС, началось дальнейшее повышение уровня интеграции. До сих пор для создания кристаллов с максимальным уровнем интеграции используется метод ручного проектирования полностью заказных ИС.

Матричные БИС для полузаказных схем, охватываемые соглашениями о вторых поставщиках

 

МСА
600
ECL

МСА
1200
ECL

МСА
2500
ECL

МСА
500
ALS

МСА
1300
ALS

МСА
2800
ALS

МСА
2900
ETL

НСА
6306

НСА
6312

НСА
6324

НСА
6325

НСА
6348

Элементная база

ЭСЛ

ТТЛ

ЭСЛ/ТТЛ

Быстродействующие 3-мкм К/МОП с кремниевыми затворами

Сложность, экв. вентилей

652

1192

2472

533

1280

2720

2958

648

1200

2295

2430

4860

Число основных микроэлементов

24

48

110

24

60

130

130

 

 

 

 

 

Число простых элементов

 

 

 

 

 

 

 

216

400

765

810

1620

Число входных портов

46

60

120

43

76

120

70 ТТЛ
120 ЭСЛ

2+1 тестовый

17+1 тестовый

55+1 тестовый

11 + 1 тестовый

53+1 тестовый

Число портов ВВ

18

26

68

15 выходов
12 BВ

40

120

40 ТТЛ
48 ЭСЛ

35

42

56

80

54

Максимальная задержка, нс/вентиль

1,2

1,2

0,5

3,0

3,0

1,1

1,1

4,5

Максимальная частота переключения триггера, МГц

160

160

300

80

80

125

125

40

Типовая рассеиваемая мощность, Вт

2,2

4,0

6,5

1,4

1,4

2,5

4

Зависит от количества одновременно переключаемых выходов

Корпуса

Двухрядные

28,40

 

 

28, 40, 48

40,48

 

 

28,40

28, 40, 48

40,48

40,48

 

Керамические безвыводные держатели кристаллов

68

68

 

68

68, 84

84

 

28,44

28, 44, 48

44, 68, 84, 124

44, 68, 84, 124

84,124

С матрицей выводов

72

72

149

 

 

149

149

 

68

68,84,124

68,84,124

84,124

Пластмассовые безвыводные носители кристаллов

 

 

 

 

 

 

 

28,44

28, 44, 68

44,68, 84, 124

44,68, 84, 124

84,124

Характеристики

Диапазон внешних температур

0 —70°C

0—70°С

0—70 °С

от —40°С до +85°С

Совместимость

10К
10КН

10К
10КН

10К
10КН
100К

Маломощные ШТТЛ

Маломощные ШТТЛ,
10К
10КН

К/МОП/маломощные ШТТЛ

Средства проектирования

САПР

САПР

САПР

САПР

Доступность

В настоящее время

В настоящее время

С середины 1984г.

В настоящее время

Скоро

В настоящее время

С середины 1984г.

В нас тоящее время

Хотя конструкторы должны очень тщательно выбирать наиболее подходящий метод изготовления заказных ИС для своих приложений (см. «Факторы, определяющие выбор наилучшего способа изготовления заказных ИС»), с течением времени К/МОП-технология займет доминирующее положение в области изготовления заказных ИС. Это подтверждается целым рядом соображений. Прежде всего К/МОП-технология намного превосходит все остальные технологии ИС по обеспечиваемой ею комбинации таких характеристик, как быстродействие схем и потребляемая ими мощность. Изготовленные по современной К/МОП-технологии с кремниевыми затворами и 3-мкм проектными нормами вентильные матрицы с двумя уровнями металлизации характеризуются типовыми задержками 2 нс/вентиль (для внутренних вентилей с типовыми коэффициентами разветвления и нагрузками). При переходе на 2-мкм проектные нормы этот параметр можно уменьшить до 1 нс/вентиль. Для большинства приложений этот уровень быстродействия оказывается вполне достаточным.

Действительно, быстродействия современных К/МОП-схем оказывается достаточно для реализации более 50% всех планируемых вплоть до 1987г. новых разработок и проектов. В системах с наивысшим быстродействием по-прежнему будут использоваться ЭСЛ-схемы с повышенным энергопотреблением, которые позволяют получать тактовые частоты до 300 МГц и задержки внутренних вентилей менее 500 пс; речь идет о таких системах, как центральные процессоры больших ЭВМ и схемы передачи данных для аппаратуры связи. Для большинства других приложений лучше всего подойдут К/МОП-схемы.

Малое потребление мощности

Благодаря малому потреблению мощности К/МОП-технология позволяет получить более высокий уровень интеграции по сравнению с любой другой технологией ИС. Сейчас уже для потребителей широко доступны логические К/МОП-матрицы сложностью до 8000 эквивалентных вентилей, а еще более сложные матрицы находятся на стадии опытного производства. Такие большие матричные БИС повышают общесистемные параметры, так как в пределах одной ИС помещается более крупная часть системы. Это исключает временные задержки, связанные с сопряжением элементов систем с внешними устройствами. К/МОП-схемы обычно по надежности превосходят все другие типы ИС, так как они работают при более низких температурах.

В большинстве современных логических К/МОП-матриц, особенно матриц повышенной сложности, используются два слоя соединительной металлизации. Размер кристалла матричной ИС с двухуровневой металлизацией всегда меньше, чем матричной ИС эквивалентной сложности с одним уровнем металлизации.

Кроме того, отказ от формирования межсоединений в слое поликремния повышает быстродействие и производительность систем. Высокие постоянные времени длинных соединительных линий ограничивают доступное быстродействие логических элементов. Сопротивление поликремния примерно в 1000 раз больше сопротивления алюминия, поэтому задержки в поликремниевых соединительных линиях могут достигать микросекунд.

Применение технологии с двухслойной металлизацией расширяет возможности конструкторов ИС с точки зрения моделирования и предсказания характеристик проектируемых схем. Результаты моделирования схем до и после трассировки будут резко отличаться, если в матрице с одним слоем соединительной металлизации окажутся непредвиденно длинные поликремниевые соединительные проводники. Двухслойная металлизация, обеспечивающая более точное прогнозирование характеристик проектируемых схем, позволяет поставщикам ИС предоставлять свои системы автоматизированного проектирования в пользование своим заказчикам.

Однако применение двух слоев металлизации в библиотеках стандартных элементов предвещает создание будущих полузаказных ИС, в которых будут, вероятно, уже три или четыре уровня металлизации. Так, компания Motorola в настоящее время выпускает матричные БИС MCA2500ECL и MCA2800ALS, в которых для разводки питания использован третий слой металлизации. Этот слой повышает равномерность и качество разводки питания и увеличивает ресурсы трассировки при меньшей площади кристалла.

Большинство современных заказных К/МОП ИС изготавливается по технологии с карманами p-типа. Однако со временем должна приобрести популярность и К/МОП-технология с карманами n-типа, особенно при создании ИС на базе библиотечных стандартных элементов и полностью заказных ИС. Меньшие емкости переходов и коэффициенты влияния подложки в технологии с карманами n-типа позволяют уменьшить задержки в схемах произвольной логики примерно на 10%. А благодаря размещению значительной части системы на одном кристалле такие заказные ИС для конкретных приложений значительно повышают общесистемный показатель надежности, так как обеспечивают уменьшение количества компонентов и межсоединений в системе. Например, схема HCA6348 компании Motorola может заменить примерно 250 приборов серии 54LS74 (сдвоенных D-триггеров). Если средняя интенсивность отказов этих приборов составляет 0,1%, то интенсивность отказов системы на их основе будет равна 22% (1,0—0,999250). Замена всех этих триггеров одной матричной БИС, даже имеющей интенсивность отказов 1%, снизит интенсивность отказов на уровне системы более чем в 20 раз.

Применение СБИС также сокращает количество соединительных проводников и паяных соединений, необходимых для сборки большой схемы. Например, если в конструкции системы на основе 250 ИС серии 54LC74 потребуется 3500 паяных соединений, то в системе на базе матрицы HCA6348 их будет не более 124, т.е. значительно меньше. Оценки показывают, что от 70 до 80% первых отказов систем связаны с соединительными проводниками и паяными соединениями. Совместное влияние сокращения количества компонентов и соединений между ними выражается в резком уменьшении результирующей системной интенсивности отказов.

Лучше всего, вероятно, влияние повышения уровня интеграции проявляется в микропроцессорах с заказной архитектурой, при создании которых используется возможность совместного изготовления в К/МОП-кристаллах цифровых и линейных функциональных элементов. Примером такого устройства может служить прибор 6805 компании Motorola, который представляет собой модульную систему и компонуется из центрального процессора, дополняемого отдельными функциональными блоками ЗУПВ, ПЗУ, стираемых ПЗУ, различными типами схем ВВ, аналого-цифровыми преобразователями и таймерами. С помощью такого макросистемного подхода заказчик может создавать целые семейства программируемых устройств, приспособленных для его конкретных потребностей. Следовательно, заказные микропроцессоры окажут существенное влияние на развитие рынка заказных ИС для конкретных приложений, а темпы роста их потребления, вероятно, вдвое превзойдут темпы роста потребления логических матриц и втрое — полностью заказных кристаллов.

Заказные микропроцессоры

Специализированные ИС, отвечающие конкретным требованиям заказчиков, например конструкции на основе кристалла серии 6805, представляют собой наиболее передовое направление современного развития техники и технологии заказных ИС для конкретных приложений — направление, предусматривающее непосредственную работу разработчиков систем со средствами автоматизированного проектирования поставщиков БИС и СБИС. Например, заказчики схем на базе логических матриц компании Motorola могут самостоятельно выполнять все операции на всех стадиях проектирования, включая функциональное моделирование, моделирование переходных режимов и конструирование кристалла. Это стало возможным благодаря разработке сложных программных средств автоматизированного проектирования, обеспечивающих автоматическое размещение 100% логических элементов матрицы и автоматическую трассировку до 95% имеющихся вентилей. Делается это чрезвычайно просто — с помощью подачи системе автоматизированного проектирования двух последовательных команд (AUTOP — автоматическое размещение и AUTOR — автоматическая трассировка) .

Однако для полной реализации всех преимуществ заказных ИС для конкретных приложений необходима дальнейшая отработка всех указанных средств автоматизированного проектирования; кроме того, они должны быть сделаны более доступными для потребителей ИС. Значительный шаг в данном направлении представляет собой создание рабочих станций автоматизированного конструирования ИС, в состав которых уже включены модели вентильных матриц различных поставщиков и библиотеки макроописаний стандартных элементов. При работе на таких станциях разработчики систем могут вводить описания своих схем, выполнять их функциональное моделирование и проверять временные диаграммы, а после завершения этих операций передавать Полученные результаты в нужном формате на универсальную ЭВМ поставщика ИС. Так результаты моделирования можно дополнительно проверить, а затем завершить процесс конструирования кристалла.

Современные специализированные системы автоматизированного проектирования различных типов заказных ИС необходимо объединить в одну всеобъемлющую универсальную систему. С помощью такой интегрированной САПР заказчик сможет выбирать наиболее подходящую ИС для своей конкретной задачи, а также легко переходить от одного варианта реализации ИС к другому, используя одну общую проектную базу данных САПР.

Например, если заказчик на первых порах хочет получить минимальные затраты на проектирование и наиболее короткие сроки выполнения заказа, то он выберет логическую матричную БИС. С увеличением объема потребления схем такая полностью интегрированная САПР позволит ему переработать ИС на основе библиотеки стандартных элементов или даже сделать полностью заказной кристалл, применив при этом уже сформированную проектную базу данных.

Впереди — новые проблемы

Чтобы заказные ИС смогли полностью оправдать возлагаемые на них надежды, необходимо до конца решить много различных проблем. Одна из наиболее сложных и важных из них — это проблема испытаний. Необходимо добиться существенных усовершенствований в плане как сокращения времени разработки тест-программ, так и снижения стоимости производственных испытаний заказных ИС.

Необходимо также разработать стандарты на корпуса для СБИС с большим количеством выводов. Современное хаотическое состояние дел с корпусами препятствует созданию инфраструктуры, которая бы обеспечила рентабельное производство и применение таких корпусов. Помимо согласования аппаратного оформления промышленность должна также разработать стандарт по согласованию программных средств. Речь идет о том, чтобы САПР, принадлежащие заказчикам были бы совместимы с системами проектирования, принадлежащими различным полупроводниковым компаниям.

Дочерние статьи:

Факторы, определяющие выбор наилучшего способа изготовления заказных ИС

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.07 (688), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.61

Electronics Vol.57 No.07 April 5, 1984 A McGraw-Hill Publication

Leonard Bogle. C-MOS paces development of application-specific circuits, pp.138—141.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     К/МОП-технология





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


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Motorola/D19840405Elc032.shtml