Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19800605Elc032.shtml

Программируемые компоненты— завтрашний день СБИС

УДК 621.3.049.771.14

Джеймс Л. Фишер
Фирма Texas Instruments Inc. (Даллас, шт.Техас)

James L. Fischer. Programmable components: the shape of VLSI to come, pp.138—142.

Доказываются преимущества СБИС, функции которых допускают программирование извне. Такой подход обеспечивает универсальность применения и упрощает проверку параметров СБИС. Приводятся сравнительные данные и очерчиваются перспективы развития программируемых СБИС.

Вступая в 1980-е годы, полупроводниковая промышленность концентрирует внимание на разработке и применении микроэлектронных схем следующего поколения — сверхбольших интегральных схем. СБИС открывают много большие, чем прежде, возможности для решения разнообразных задач средствами электроники. Теперь для всех очевидно, что полупроводниковая промышленность находится на переднем крае решения одной из, быть может, самых впечатляющих задач нашего века — задачи расширения интеллектуальных возможностей человека средствами микроэлектроники.

Возможности для осуществления этой «интеллектуальной революции» создаются благодаря развитию нескольких тенденций, характеризующих полупроводниковую промышленность с самого ее зарождения. Среди них — постоянное уменьшение размеров (наиболее совершенные из изготавливаемых полупроводниковых изделий имеют ширину линий приблизительно 3 мкм). К концу десятилетия, когда промышленность перейдет к более совершенным методам литографии и расширит использование машинных методов управления производством, эта цифра снизится до менее 1 мкм.

Уменьшение геометрических размеров полупроводниковых приборов позволило увеличить число так называемых групп активных элементов, ГАЭ (active-element group, AEG,—термин предложен фирмой Texas Instruments), т.е. отдельных логических вентилей или разрядов памяти размещаемых на одном полупроводниковом кристалле. Сегодняшняя технология позволяет изготавливать такие совершенные изделия, как динамические ЗУПВ емкостью 64 кбит, у которых плотность размещения приборов, включая функции управления, приближается к 100 тыс. ГАЭ на кристалл. Пути развития полупроводниковых запоминающих устройств на 1980-е годы четко определены и обоснованы уже сегодня: к концу десятилетия они приведут к созданию изделий, у которых плотность упаковки приборов достигнет 1 млн. ГАЭ на кристалл. Возрастание функциональной сложности СБИС, сочетающееся с понижением их удельной (в расчете на одну ГАЭ) себестоимости привело к колоссальному росту спроса на полупроводниковые изделия со стороны отраслей промышленности, весьма далеких от традиционного рынка электронного оборудования. Например, однокристальный микрокомпьютер открыл возможности для улучшения стоимостных характеристик более чем в 1000 раз по сравнению с вычислительной системой примерно такого же уровня, реализуемой на дискретных компонентах, и более чем в 15 раз по сравнению с такой же системой, реализуемой на заказных БИС (см. табл.1). В результате доля стоимости полупроводниковых приборов на рынке электронного оборудования за последнее десятилетие возросла вдвое и составляет сейчас около 7%; ожидается, что к 1990г. она достигнет свыше 10%.

Таблица 1. Экономические результаты основных этапов развития микроэлектроники

Этап развития

Число компонентов при сборке

Стоимость компонентов и сборки1

Коэффициент уменьшения стоимости

1. Системы на дискретных компонентах (транзисторах, резисторах, конденсаторах и т.п.)

20 тыс. — 30 тыс.

6—9 тыс. долл.

2. Интегральные схемы (малой и нтеграции — менее 10 логических вентилей или разрядов памяти на кристалл)

350—500

600—900 долл.

10:1

3. Схемы средней интеграции (сумматоры, счетчики и т.п. — 100 вентилей или разрядов памяти на кристалл)

125—150

250—450 долл.

20:1

4. Схемы высокой интеграции (микропроцессоры и заказные БИС — более 100 вентилей или разрядов памяти на кристалл)

7—10

100— 200 долл.

50:1

5. Однокристальный микрокомпыотер

1

5—10 долл.

1000:1

1) Исключая монтажные панели, кабели, кожухи и т.п.

Проблемы проектирования

При увеличении функциональной сложности интегральных схем во много раз возрастает время и стоимость их проектирования. Эта тенденция вызвала к жизни некоторые вопросы, относящиеся к природе будущих взаимоотношений между поставщиком и клиентом, которые в настоящее время могут быть весьма разнообразными — от обычных нерегулярных связей, когда речь идет о стандартных изделиях (если на стадии проектирования имеет место некоторое взаимодействие между поставщиком и клиентом), до постоянных и гораздо более активных связей, когда речь идет о заказных изделиях. Прежде всего окажется ли полупроводниковая промышленность в состоянии вести с клиентами дела (сложность и объем которых значительно возрастут и которых требует повышение функциональной сложности СБИС)? Далее, выдержит ли промышленность колоссальные затраты на проектирование, каких потребуют будущие заказные изделия? И главное, решатся ли клиенты идти на огромные затраты на СБИС, т.е. сумеют ли они получить удовлетворительную отдачу на свои капиталовложения?

Конечно, эти вопросы будут решены, как и те, что возникали на прежних этапах развития полупроводниковой промышленности. Первые шаги к их разрешению уже сделаны.

Новые взаимоотношения

Сейчас в большинстве случаев взаимодействие между поставщиком компонентов и изготовителем системы на этапе проектирования компонентов (как стандартных, так и заказных) налаживается очень хорошо, особенно при невысокой сложности изделия, когда объем взаимной информации невелик. В случае стандартных изделий изготовитель компонентов выдает спецификации и технические данные, а разработчик системы осуществляет ее проектирование и изготавливает опытные образцы. В некоторых ситуациях, однако, по тем или иным соображениям может потребоваться заказная схема. В этом случае клиент оплачивает дополнительные затраты на разработку, а взамен получает преимущества, достигаемые благодаря нестандартным характеристикам схемы.

С увеличением функциональной сложности интегральной схемы время и себестоимость ее проектирования возрастают по экспоненциальному закону. Это обстоятельство препятствует распространению СБИС, поскольку они будут составлять гораздо большую часть системы в целом, а вместе будут более специализированы.

Проблема роста числа типов компонентов. В 1967г. Фубини и Смит предсказали, что повышение уровня интеграции, если кристалл содержит не более 20 логиче
Рис.1. Проблема роста числа типов компонентов. В 1967г. Фубини и Смит предсказали, что повышение уровня интеграции, если кристалл содержит не более 20 логических вентилей, приведет к быстрому росту числа типов компонентов. Они предсказали также, что эта тенденция получит обратное направление, когда будет достигнут уровень интеграции, соответствующий однокристальным компьютерам.

Еще в 1967г. Фубици и Смит выразили свою озабоченность двумя проблемами [1]. Первая из них — проблема растущего числа типов компонентов (рис.1). Они отметили, что по мере того как уровень интеграции, или сложность кристалла, возрастает, должно возрастать также число типов компонентов, требующихся для сборки компьютера заданного размера, что будет иметь результатом возникновение трудных проблем для изготовителей крупных компьютеров. Но, как они верно предсказали, при некотором уровне сложности, когда техника позволит создать однокристальный компьютер, эта тенденция должна пойти в обратном направлении.

Фубини и Смит сформулировали также ключевую проблему, связанную с весьма высокими уровнями интеграции: трудность разбивки схемы по кристаллам, вызываемую специализированным характером каждой данной электронной системы. Они предположили, что со временем потребуется делать интегральные схемы более универсальными, чтобы они были пригодны для большего числа типов конечного оборудования.

Интересно, что эти проблемы выявились, еще когда уровень интеграции достигал всего 10—20 вентилей на кристалл. Тогда проблема задания спецификаций на большую интегральную схему казалась делом далекого будущего, но в 1980-х годах она становится для разработчиков весьма реальной.

Растущие трудности

С проблемой задания технических условий связаны проблемы стоимости проектирования и длительности цикла разработки. По мере того как возрастает уровень интеграции, а интегральные схемы становятся все более сложными, обе эти характеристики обнаруживают тенденцию к очень быстрому росту. На этапе эволюции от схем малой интеграции к схемам средней интеграции возрастало число типов компонентов, необходимых для реализации конкретной системы, но на некотором уровне интеграции эта тенденция получила обратное направление (как и предсказывали Фубини и Смит), а главное значение неожиданно приобрел другой параметр — число систем, лля которых пригодна данная БИС (рис.2). Причина следующая: когда уровень интеграции возрастает в направлении от СИС к СБИС, максимальное число типов компонентов, необходимое для реализации данной системы, падает. Но при этом падает также и число систем, в которых данная БИС может найти применение. В пределе, при переходе к СБИС, когда один компонент удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к целой системе, получается, что для каждой системы требуется новая заказная СБИС. Очевидно, весьма высокая стоимость проектирования и большая длительность цикла разработки, характерные для СБИС, приводят в этом случае к тому, что СБИС имеет смысл разрабатывать лишь для реализации таких систем, которые должны изготавливаться в большом числе экземпляров.

Дополнительный параметр. Наряду с проблемой числа уникальных компонентов подлежит рассмотрению и вопрос о том, сколько разных систем можно реализовать
Рис.2. Дополнительный параметр. Наряду с проблемой числа уникальных компонентов подлежит рассмотрению и вопрос о том, сколько разных систем можно реализовать на базе компонентов, имеющих повышенный уровень интеграции. При высокой интеграции компоненты становятся настолько специфичными, что в пределе, на уровне СБИС, каждый компонент подходит только для одной конкретной системы.

Как это уже имело место в случае БИС, разумную альтернативу дорогостоящему пути развития, подразумевающему разработку заказных компонентов для каждой специализированной системы, может представить создание программируемых интегральных схем. Наилучшим примером такого подхода является однокристальный микрокомпьютер. Однако повсеместно достигнутый к настоящему моменту уровень сложности, соответствующий БИС, ограничивал возможности этого подхода сравнительно простыми приложениями, большинство из которых чисто цифровые. Поскольку же при переходе к СБИС возможно повышение функциональной сложности интегральной схемы на целый порядок величины, на этом уровне идея программируемости компонентов, связанная с уменьшением денежных затрат на всех этапах их проектирования, изготовления и эксплуатации, поможет реализовать на базе компонентов одного типа много большее число разных систем путем использования нового класса компонентов, которые можно назвать программируемыми системными компонентами. Процесс специализации такого компонента для данного конкретного применения специалисты фирмы TI определяют как «полупроводниковое программирование» (solid-state programmation).

В рамках этой новой классификации уже сейчас просматриваются три вида изделий. Это микрокомпьютеры, вентильные матрицы и схемы обработки сигналов. Среди микрокомпьютеров наиболее ярким примером является семейство TMS1000 однокристальных 4-разрядных микрокомпьютеров.

Программируемые компоненты

У всех членов семейства TMS1000 архитектура, по существу, одна и та же. Лишь на последней стадии процесса обработки кремниевой пластины в нее с помощью одного фотошаблона закладывается программа, разрабатываемая заказчиком и определяющая функциональные характеристики системы. В дальнейшем эта программа остается в памяти микрокомпьютера. Последний фотошаблон программирует три части микрокомпьютера — ПЗУ, дешифратор команд и выходной шифратор. Эти три устройства задают соответственно ввод данных в блок центрального процессора, обработку данных и кодирование выходной информации, удовлетворяющие требованиям к данной системе.

Этот класс полупроводниковых приборов, запущенный в настоящее время в крупносерийное производство, является предвестником программируемых системных компонентов будущего. Архитектура семейства TMS1000 включает свыше 20 базовых комплектов, что обеспечивает возможность расширения емкости ПЗУ от 500 байт до 4 кбайт, различные конфигурации ввода-вывода и варианты периферийных устройств для систем с питанием от высокого или низкого напряжения и для различных форм индикации. На основе этих базовых комплектов уже собрано свыше 400 специализированных систем разного назначения. БИС, входящих в состав семейства TMS1000, к настоящему времени изготовлено свыше 40 млн. экземпляров.

ИС для игрушек

Первое применение однокристальные микрокомпьютеры получили в контроллерах для СВЧ-печей. За ними последовали многие другие домашние электроприборы и бытовые электронные аппараты. В 1977г. крупным потребителем однокристальных компьютеров стало производство игрушек. Применение БИС для этой цели оказалось настолько экономичным, что сбыт электронных игрушек вырос с 21 млн. долл. в 1977г. до 480 млн. долл. в 1979г. Самой важной стороной однокристального микрокомпьютера в данном случае является то, что он дал возможность изготавливать эти изделия при много меньшей себестоимости, чем позволили бы заказные БИС. Фактически большинство новых электронных игрушек никогда не поступили бы в продажу, если бы их пришлось создавать на основе заказных БИС.

Еще одним примером экономичной специализации БИС служат полупроводниковые программные модули, задающие функционирование программируемых калькуляторов фирмы TI. Эти модули (фактически программируемые ПЗУ) позволяют, например, превратить калькулятор из машинки для подсчета текущих расходов в устройство для ведения счета при игре в гольф, а если нужно, то и в прибор для навигации подлодки или самолета, в счетную линейку для инженера-геодезиста. В каждом случае изменения касаются в первую очередь программного обеспечения. Единственная добавочная стоимость, приходящаяся на оборудование,— это затраты на разработку программы и программирование ПЗУ.

В учебном пособии «Говори и читай» используются преимущества обоих видов программирования — микрокомпьютер действует как контроллер системы синтезирования речи, а модули ПЗУ с заложенными программами «полупроводниковая речь» можно присоединять к нему (съемным образом), расширяя при этом основной словарь, хранимый в двух ПЗУ емкостью 128 кбит каждое, входящих в состав основного комплекта.

Применяя программируемые микрокомпьютеры TMS1000 вместо функционально эквивалентных им заказных схем, изготовители систем достигают значительной экономии (табл.2). Находящиеся сейчас в производстве 400 с лишним систем благодаря полупроводниковому программированию стоят на 7 млн. долл. дешевле. Но самая большая экономия — 670 человеко-лет высококвалифицированного труда, которые потребовались бы для проектирования эквивалентных МОП-схем. В то время ни одна фирма не нашла бы у себя трудовых ресурсов, необходимых для разработки 400 уникальных заказных БИС. Но если бы такие ресурсы и нашлись, заказные схемы с экономической точки зрения не смогли бы конкурировать с недорогими, ориентированными на интересы потребителя микрокомпьютерами.

Таблица 2. Сравнение программируемых компонентов TMS1000 и заказных логических БИС

Параметр

Программируемые компоненты

Заказные БИС

Экономия

Число приложений

400

400

Стоимость проектирования, млн. долл.

10

80

70

Трудоемкость проектирования, человеко-лет

30

700

670

Длительность цикла разработки для каждого приложения, от составления технических условий до создания макета (рабочие дни)

50—75

200—400

150—325

Заказная БИС могла бы показаться предпочтительнее вследствие меньшего размера кристалла, что на первых порах приводит к пониженной производственной себестоимости. Однако для каждой специфической системы цикл освоения заказных БИС необходимо повторять заново С другой стороны, программируемый системный компонент необходимо осваивать всего один раз, так как при всех видах программирования основная его конструкция остается одной и той же. Это не только позволяет быстро амортизировать начальную стоимость разработки, распределяя ее на все прикладные конструкции, но также существенно повышает надежность компонента. Например, микрокомпьютеры семейства TMS1000 имеют сейчас интенсивность отказов менее 0,05% за 1 тыс. часов эксплуатации. Это эквивалентно менее чем одному отказу за 210 лет непрерывной работы.

Вентильные матрицы

Вторым программируемым системным компонентом, открывающим возможность оптимального решения для все большего числа логических систем, является вентильная матрица, содержащая первоначально изолированные логические элементы, которые можно соединять между собой для обеспечения требуемой логической функции. Соединения на уровне логических вентилей изготовитель системы определяет по требуемой логической функции. Расчет соответствующих межсоединений на компьютере обходится недорого; компьютер осуществляет и трассировку проводников, соединяющих логические элементы, так что реализуется требуемая функция (рис.3).

Вентильная матрица. Вентильные матрицы особенно эффективны в случаях, когда объем производства системы невелик. В вентильной матрице можно программиро
Рис.3. Вентильная матрица. Вентильные матрицы особенно эффективны в случаях, когда объем производства системы невелик. В вентильной матрице можно программировать межсоединения логических элементов (на данном снимке— темные участки), используя совершенные методы машинного проектирования.

Использование вентильных матриц особенно эффективно в тех случаях, когда объем производства системы невелик. Поскольку с повышением функциональной сложности схемы начальные затраты на проектирование заказной БИС растут быстрее, чем стоимость сравнимой по параметрам вентильной матрицы, с ростом функциональной сложности объем производства, при котором выгоднее заказать специальную БИС, чем использовать вентильную матрицу, становится все больше (рис.4).

Поскольку с увеличением функциональной сложности схемы начальная стоимость разработки возрастает, чтобы оправдать разработку заказной СБИС, необходим
Рис.4. Поскольку с увеличением функциональной сложности схемы начальная стоимость разработки возрастает, чтобы оправдать разработку заказной СБИС, необходим все больший и больший объем производства. Вентильные матрицы имеют много меньшие длительности и стоимость цикла разработки, чем заказные схемы.

Преимущества программируемых логических матриц перед заказными логическими БИС лучше всего обнаруживаются при сравнении длительности и стоимости цикла разработки. Для вентильных матриц длительность этого цикла составляет от 1/6 до 1/4 по сравнению с логическими БИС, а стоимость разработки в 3—10 раз меньше, что и является наиболее важным аргументом в пользу вентильных матриц (табл.3). Поскольку для программирования вентильных матриц в процессе производства необходима операция металлизации, в уменьшении времени разработки макета будет играть важную роль электронно-лучевая технология.

Таблица 3. Сравнение вентильных матриц и заказных БИС

Параметр

Вентильные матрицы

Заказные БИС

Экономия

Длительность цикла разработки от составления технических условий до создания макетов, рабочие дни

50—75

200—400

150—325

Стоимость проектирования, приведенные доллары

1

3—10

2—9

Аналоговые СБИС

Третий программируемый системный компонент — схемы цифровой обработки аналоговых сигналов. Эти недавно реализованные СБИС позволяют заменить программируемыми схемами однофункциональные линейные и аналоговые схемы. Например, сочетание мультиплексора, аналого-цифрового преобразователя, быстродействующего программируемого векторного процессора и цифроаналогового преобразователя составляет гибкую по применению и эффективную систему обработки аналоговых сигналов. Такая система способна выполнять многие функции, как показано на рис.5. Поскольку же она программируема, то может выполнять как одну функцию, так и целую последовательность функций.

Аналоговая обработка. Схемы цифровой обработки аналоговых сигналов позволяют заменить аналоговые системы программируемыми компонентами, которые состоя
Рис.5. Аналоговая обработка. Схемы цифровой обработки аналоговых сигналов позволяют заменить аналоговые системы программируемыми компонентами, которые состоят из аналого-цифрового преобразователя на входе, программируемой матрицы в середине системы и цифро-аналогового преобразователя на выходе.

Хорошее понятие о современном состоянии цифровых процессоров аналоговых сигналов дает прибор, названный микровекторным процессором. Этот быстродействующий процессор, в котором реализуется поточная обработка, выполнен на интегральных схемах инжекционной логики и предназначается для военного оборудования. В нем воплощено сочетание более чем 20-летнего опыта обработки в реальном масштабе времени, накопленного в сейсмологии, дальней связи и акустике, с технологией СБИС.

Отношения с заказчиками

Нынешние изменения полупроводниковой технологии должны привести к соответствующим изменениям во взаимоотношениях между изготовителями и клиентами. Можно ожидать, что для стандартных изделий они останутся такими же, как и теперь,— изготовитель компонентов по-прежнему будет поставлять заказные БИС (главным образом логические), но резкое повышение стоимости проектирования каждого изделия во многом обострит эти взаимоотношения.

Растущие возможности программируемых системных компонентов позволят в большей степени избавится от необходимости заказывать уникальные БИС. Таким образом, можно ожидать, что между изготовителями и клиентами быстрее всего будут расти связи, касающиеся чего-то среднего между стандартными и заказными изделиями. Но, чтобы эффективно использовать программируемые системные компоненты, их изготовитель должен быть способен быстро выдать опытные образцы и, что не менее важно, иметь возможность предоставить в пользование изготовителей систем средства машинного проектирования.

Рисуя перспективы применения СБИС, важно не упустить из виду тот факт, что стадия проектирования СБИС — как программируемых, так и однофункциональных — всегда будет требовать сложных программ автоматического проектирования и крупных ЭВМ. Чтобы свести к минимуму рост стоимости проектирования весьма сложных схем, промышленность должна продолжать свои усилия по совершенствованию систем автоматического проектирования. С другой стороны, всю вычислительную мощность, необходимую для программирования отдельных СБИС, можно получить от небольших распределенных компьютерных систем. Эта колоссальная разница в требуемой вычислительной мощности, а также в квалифицированном труде и составляет главный стимул для применения программируемых системных компонентов.

Перспективы

Основываясь на оценке перспектив и тенденций развития полупроводниковой промышленности, можно с уверенностью утверждать, что мировой рынок полупроводниковых приборов увеличится от 10,4 млрд. долл. в 1979 г. до свыше 45 млрд. долл. к концу 80-х гг. Из этой суммы на долю программируемых системных компонентов придется 20 млрд. долл., т.е. почти половина.

Можно с уверенностью утверждать также, что рост полупроводниковой промышленности не будет ограничиваться возможностями сбыта. Она по-прежнему будет расти соответственно возможностям технологии, высший предел которым ставит эффективность взаимоотношений с клиентами.

Ожидается, что к концу 80-х гг. общий мировой рынок электронных изделий будет иметь объем 400 млрд. долл., из которых свыше 10% придется на долю полупроводниковых приборов. Учитывая потенциальные возможности СБИС, общая цифра должна быть еще выше. Однако эти потенциальные возможности можно реализовать лишь с помощью полупроводникового программирования, которое указывает путь к следующей революции в сфере микроэлектроники.

Литература

1. Е.G.Fubini and M.G.Smith, "Limitations in Solid-State Technology", IEEE Spectrum, May 1967, pp. 55—59.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 53, No.13 (591), 1980г - пер. с англ. М.: Мир, 1980, стр.47

Electronics Vol.53 No.13 June 05, 1980 A McGraw-Hill Publication

James L. Fischer. Programmable components: the shape of VLSI to come, pp.138—142.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Интегральная электроника





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


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19800605Elc032.shtml