Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19880913Elc023.shtml

Быстродействующие стираемые ПЛИС компании TI с малым потреблением мощности

УДК 621.3.049.774.2

TI's erasable PLDs are fast but don't need much power, No.10, pp.70,71.

Специалисты компании TI разработали на базе новой высоковольтной КМОП-технологии новое семейство стираемых программируемых логических ИС, способных успешно конкурировать с функционально аналогичными биполярными приборами. Главное преимущество новых ПЛИС — это 25-нс быстродействие в сочетании с нулевым потреблением мощности в статическом режиме.

Программируемые матричные логические ИС, выполненные по биполярной технологии, обладают высоким быстродействием, но требуют большой мощности питания. Компания Texas Instruments Inc. разработала серию новых приборов, изготавливаемых по высоковольтной КМОП-технологии и предназначенных для замены биполярных программируемых логических ИС. Дело в том, что эти новые кристаллы не только характеризуются относительно высоким быстродействием (25 нс), но и практически не потребляют мощности по цепи питания в статическом режиме работы.

Некоторые из относительно новых стираемых КМОП ПЛИС, уже поступивших на рынок, также имеют пониженную потребляемую мощность, однако их повышенное быстродействие, соизмеримое с быстродействием биполярных приборов, достигнуто благодаря специальным схемам подкачки заряда для смещения подложки и другим ухищрениям. В этих ПЛИС за повышенное быстродействие приходится платить увеличением потребляемой мощности в статическом режиме.

Существует большое число систем, в которых не обязательно иметь предельно возможное быстродействие, тогда как значительное снижение (практически до нуля) потребляемой в статическом режиме мощности может оказаться весьма реальным преимуществом. Короче говоря, есть и будет в дальнейшем много панелек с биполярными ПЛИС, вместо которых разработчики систем смогут устанавливать стираемые ПЛИС (СПЛИС) с совершенно новым сочетанием показателей быстродействие-мощность.

В скором времени разработчики систем получат в свое распоряжение эти экономичные СПЛИС. Приборы изготавливаются компанией TI по технологии HVEPIC (high-voltage enhanced performance implanted CMOS — КМОП-технология высоковольтных ионно-легированных ИС с повышенным быстродействием), в которой используется 14 операций фотолитографии. В самих схемах применены специальные схемные решения, обеспечивающие 25-нс быстродействие и практически нулевую (менее 500 мкВт) статическую потребляемую мощность (рис.1). Сегодня для типовых биполярных ПЛИС с 15-нс задержками, изготавливаемых по технологии с проектными нормами 2—3 мкм, рассеиваемая мощность составляет от 0,75 до 0,9 Вт. Модифицированная 1-мкм КМОП-технология стираемых ПЛИС с генераторами смещения подложки позволяет получать приборы с примерно таким же быстродействием и вдвое меньшей рассеиваемой мощностью. Напротив, стратегия компании TI в области СПЛИС предусматривает применение «чистой» КМОП-техно-логии, позволяющей ценой небольшого снижения быстродействия (времена задержки 25—35 нс), которое остается соизмеримым с быстродействием биполярных ПЛИС, добиться практически нулевой статической рассеиваемой мощности.

В технологии HVEPIC компании TI используется 14 фотолитографических операций, тогда как в стандартной 1,0-мкм КМОП-технологии EPIC их 11. В результате
Рис.1. В технологии HVEPIC компании TI используется 14 фотолитографических операций, тогда как в стандартной 1,0-мкм КМОП-технологии EPIC их 11. В результате быстродействие СПЛИС составляет 25 нс при практически нулевой статической потребляемой мощности.

Основу такого успеха новой конструкции стираемых ПЛИС составляет применение ЛИПЗМОП-элементов с программирующим напряжением 12,5 В. Чтобы реализовать быстродействующий программируемый запоминающий элемент для КМОП СПЛИС, сама эта схема должна выдерживать такое повышенное напряжение. Именно поэтому была разработана новая КМОП-технология HVEPIC. Схемы, изготавливаемые по обычным КМОП-технологиям (например, по технологии EPIC компании TI), не могут работать при напряжении 12,5 В.

В число преимуществ системного уровня, которые дают разработчику СПЛИС, изготавливаемые по технологии HVEPIC, входит возможность их репрограммирования. Биполярные ПЛИС не допускают репрограммирования; если разработчик схемы пережигает плавкую перемычку, то конфигурация ПЛИС оказывается необратимо заданной. Для стираемых КМОП ПЛИС такого постоянства конфигурации нет, поэтому применяющий их разработчик систем может допускать ошибки, вносить изменения в программы и, что, вероятно, важнее всего, имеет возможность провести полные испытания кристалла при его изготовлении, тем самым гарантируя выход годных при программировании, равный 100%. Напротив, для испытаний биполярной ПЛИС ее разработчик должен разместить дополнительные тестовые схемы на периферии основной матрицы. Но даже при наличии этих дополнительных схем разработчик систем имеет возможность проверить все плавкие перемычки матричной схемы.

В биполярной ИС все ее логические схемы все время рассеивают мощность. Логическая КМОП-схема рассеивает мощность только в процессе переключения. Следовательно, разработчик СПЛИС может включить в ее состав много различных функциональных возможностей программирования и повысить сложность схемы, тем самым несколько облегчив деятельность разработчика систем. Более того, так как высокое быстродействие обязательно требует соответствующей потребляемой мощности, а реализация в архитектуре стираемой ПЛИС дополнительных функций программирования не приводит к «отбору мощности» из критических цепей матрицы ПЛИС, то данное обстоятельство дополнительно повышает ценность новых СПЛИС как быстродействующих логических приборов.

Разработчики СПЛИС могут, например, устанавливать на их выходах программируемые макроэлементы. Эти выходы можно по выбору программировать как комбинационные или регистровые. После того как прибор запрограммирован, дополнительные затраты мощности на функционирование этих выходов отсутствуют.

И напротив, большинство биполярных ПЛИС имеет специализированные выходные каскады, не допускающие программирования. Наличие же возможности программирования макроэлементов в биполярных ПЛИС означает, что на эти каскады расходуется дополнительная статическая мощность, отбираемая из критичных по быстродействию цепей ПЛИС.

Сегодня на рынке есть КМОП СПЛИС, которые превосходят по быстродействию приборы компании TI, однако их мощность в статическом режиме не равна нулю. Высокое быстродействие этих приборов достигнуто благодаря специальным схемным решениям; например, их усилители считывания, высококритичные к режимам чтения и записи, постоянно находятся во включенном состоянии. И напротив, в СПЛИС компании TI специальные схемы включения по фронтам сигналов быстро включают усилители считывания именно тогда, когда они требуются. Основную часть времени усилители считывания находятся в выключенном состоянии и не потребляют статического тока питания. Времена включения усилителей считывания и распространения сигналов через СПЛИС, выполненные с такими специальными схемами запуска и выключения усилителей, вызывают некоторое снижение быстродействия. Однако достигаемое в результате сокращение потребляемой мощности весьма значительно.

Другой метод повышения быстродействия, применяемый в обычных КМОП СПЛИС, предусматривает подачу обратного напряжения смещения на подложку схемы. Ток смещения для такой схемы протекает постоянно и вызывает конечную рассеиваемую мощность в статическом режиме, которая в приборах компании TI равна нулю.

Технология HVEPIC разработана на основе 1,0-мкм проектных норм. Более того, она предусматривает возможность сборки кристаллов в пластмассовые корпуса, что позволяет выпускать с ее помощью недорогие однократно программируемые приборы. Чтобы проверить конструкции новых СПЛИС с минимальными проблемами, первые приборы, которые в настоящее время находятся на стадиях разработки и испытаний, сделаны с 1,2-мкм проектными нормами. Независимо от конкретных проектных норм процесс HVEPIC представляет собой КМОП-технологию с 14 фотошаблонами, карманами обоих типов проводимости, двумя уровнями металлизации и двумя уровнями поликремния. В технологии HVEPIC предусмотрено осаждение покрытия из цилиндра титана на диффузионные и затворные линии, а также двухуровневые металлические соединения и два уровня поликремния, которые в совокупности обеспечивают нужную комбинацию быстродействия и мощности СПЛИС нового класса.

Программируемый лавинно-инжекционный МОП-элемент с плавающим затвором (ЛИПЗМОП-элемент) новых СПЛИС подключен своими затворами к входным линиям, а стоками — к линиям логических произведений. В стертом состоянии ЛИПЗМОП-элементы работают как обычные n-канальные МОП-транзисторы. Когда на затвор элемента поступает сигнал адресации (логическая 1), то транзистор включается и на стоке элемента устанавливается логический 0. Аналогично в отсутствие адресации (логический 0 на затворе) транзистор закрыт и на стоке элемента устанавливается логическая 1. Если же ЛИПЗМОП-элемент запрограммирован, то его пороговое напряжение повышено настолько, что транзистор не открывается ни при каких рабочих напряжениях. На стоке запрограммированного ЛИПЗМОП-элемента всегда сохраняется уровень логической 1.

Применяемый двухтранзисторный ЛИПЗМОП-элемент (рис.2) оптимизирован как для считывания, так и для записи СПЛИС. Транзистор записи, с помощью которого программируется ЛИПЗМОП-элемент, подвергается специальному ионному легированию, благодаря которому во время программирования повышается инжекция горячих электронов в структуре. Эта дополнительная инжекция улучшает характеристики программирования элемента.

Важнейшими элементами новых СПЛИС компании TI являются двухтранзисторные ЛИПЗМОП-элементы, схемы управления шинами «земли» для смещения истока, усилит
Рис.2. Важнейшими элементами новых СПЛИС компании TI являются двухтранзисторные ЛИПЗМОП-элементы, схемы управления шинами «земли» для смещения истока, усилители-формирователи, дешифраторы и усилители считывания.

Транзистор считывания вырабатывает входной сигнал для усилителя считывания при операции чтения данных. Этот транзистор не подвергается ионному легированию для подгонки порогового напряжения. Благодаря этому транзистор считывания имеет более высокий выходной ток, что дает дополнительное повышение быстродействия схемы.

Однако конструкция транзистора считывания — далеко не единственный фактор, который должны принимать во внимание разработчики быстродействующих КМОП СПЛИС. Существуют, например, RC-задержки сигналов в поликремниевых соединительных проводниках, которые также необходимо снижать. Это достигается путем формирования самосовмещенного покрытия из силицида титана, предусмотренного в технологии HVEPIC.

Силицидом покрыты как затворы транзисторов периферийных логических схем, так и поликремниевые затворы ЛИПЗМОП-транзисторов. Такое техническое решение не только уменьшает RC-задержки, но и позволяет разработчику СПЛИС более гибко проектировать топологию кристаллов, так как применение относительно длинных поликремниевых соединительных проводников уже не вносит большие RC-задержки.

Силицидное покрытие позволяет получать поверхностные сопротивления, на порядок меньшие по сравнению с традиционными диффузионными шинами n-типа и двухуровневыми поликремниевыми соединениями и почти на два порядка меньшие по сравнению с диффузионными шинами р-типа. Соответственно уменьшаются и RC-задержки в соединительных линиях. Другое преимущество силицидного покрытия состоит в том, что диффузионные проводники с таким покрытием требуют меньшего количества контактов и могут иметь меньшие размеры, что позволяет снизить паразитные емкости переходов.

Значительный вклад в повышение быстродействия схем вносит двухуровневая металлизация. Главное назначение двухуровневой соединительной металлизации — дать возможность разработчику СПЛИС так реализовать топологию кристалла, чтобы его площадь была меньше аналогичных кристаллов с одним уровнем металлизации. Помимо других преимуществ, двухуровневая металлизация дает снижение сопротивлений межсоединений и входных линий, а также упрощает прокладку шин питания.

Однако в конструкции СПЛИС компании TI двухуровневая металлизация еще и обеспечивает разбиение ЛИПЗМОП-матрицы на части, тем самым снижая емкость ее разрядной линии до 50%. Это снижение емкости уменьшает время, за которое усилитель считывания выполняет чтение терма произведения. Более того, словарные линии матрицы зашунтированы низкоомными перемычками в двухуровневой металлизации в промежутках между каждой из частей матрицы. Это снижает сопротивление словарных линий. И наконец, во всех критичных по быстродействию цепях схемы предусмотрены металлические шунтирующце проводники, уменьшающие соответствующие RC-задержки.

Новое семейство СПЛИС разработано конструкторской группой компании TI, в состав которой входили Боб Грубель, Фрэнк Суини, Скотт Херрингтон, Дейв Уилмот и Шайлеш Кедекья. Технологический процесс HVEPIC разработан группой специалистов в составе Говарда Тигелаара, Кита Макдоналда, Тоана Трэна, Джима Патерсона, Гуйн-Лон Чена и Джонсона Лина.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 61, No.10 (792), 1988г - пер. с англ. М.: Мир, 1988, стр.26

Electronics Vol.61 No.10 May 12, 1988 VNU Business Publication Inc.

TI's erasable PLDs are fast but don't need much power, No.10, pp.70,71.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Программируемые логические ИС





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


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19880913Elc023.shtml