Опорний конспект лекцій з дисципліни “Проектування пристроїв на інтегральних схемах ” (стр. 6 )

Классификация по используемой схемотехнике отражает только основные варианты БМК. Варианты максимального быстродействия реализуются на схемах типа ЭСЛ или, что более экзотично, на арсениде галлия. Большое место занимает схемотехника КМОП, проявляющая свойственные ей из­вестные достоинства.

Кроме перечисленных, известны и другие по схемотехнике БМК. Напри­мер, БМК на основе схемотехники БиКМОП, кремний на диэлектрике и др. Однако эти варианты не принадлежат, по крайней мере пока, к числу широко распространенных.

Важной характеристикой БМК является число слоев межсоединений (в на­стоящее время это 2—6). Многослойность облегчает трассировку и позволя­ет изготовлять БМК более высокого уровня интеграции. В простейшем слу­чае двухслойной трассировки на первом (нижнем) уровне обычно выполняются переменные соединения внутри БЯ (часть соединений не за­висит от реализуемой на БМК схемы и постоянна) и связи по вертикальным каналам. Этот слой делается либо в виде диффузионной области самого кристалла, либо в виде поликремниевых или металлических дорожек. Вто­рой слой металлизированных соединений дает разводку горизонтальных трасс и обслуживающих линий (питание, "земля", синхронизация и т. д.).

В четырехслойном кристалле в первом слое задаются связи внутри БЯ, во втором — вертикальные трассы, в третьем — горизонтальные, а в четвер­том — обслуживающие цепи.

При увеличенном числе слоев можно исключить трассировочные каналы между ячейками, перейдя к бесканальным структурам.

На рис. 8.23 показан компонентный состав БЯ БМК типа ЭСЛ, рассчитан­ный на реализацию двухъярусных логических элементов. Не рассматривая функциональные возможности схем, получаемых на основе таких БЯ, ука­жем только, что резисторы R0, входящие в состав источников тока для вы­шележащих переключателей, могут включаться параллельно или последова­тельно. Это дает возможность получить несколько значений переключаемых токов, т. е. модификации схем, отличающиеся быстродействием и потреб­ляемой мощностью.

На рис. 8.24 представлен один из вариантов БЯ БМК типа КМОП. Схем­ными компонентами таких БЯ служат только транзисторы с р - и п - каналами. Число транзисторов в ячейке выбирается по результатам анали­за частоты использования различных логических элементов в устройствах заданного класса и преобладающих требований по нагрузочной способно­сти, быстродействию и т. д. Высокий коэффициент использования транзи­сторов дают кристаллы с числом транзисторов в ячейке 4, 8 или 10. На рис. 8.24 показаны топология и электрическая схеїйа ячейки с четырьмя транзисторами. Квадратные элементы топологического рисунка — кон­тактные площадки к затворам и фиксированные контактные окна к эле­ментам ячейки. Транзисторы можно соединять последовательно или па­раллельно, т. е. можно получать типовые подсхемы логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ. В схемотехнике КМОП транзисторы с противополож­ными по типу проводимости каналами всегда используются попарно, по­этому пары транзисторов могут иметь общий затвор.

Усложнение ячейки достигается объединением простых ячеек в группу.

Параметры БМК

Параметры БМК можно разделить на четыре группы:

·  функциональные возможности (число эквивалентных вентилей, тип БЯ, число МБЯ и ПБЯ, состав библиотеки функциональных ячеек и т. п.);

·  электрические параметры (уровни напряжений, кодирующих логические сигналы, напряжения питания, потребляемые токи, задержки распро­странения сигналов, максимальные частоты переключений и т. п.);

·  конструктивно-технологические (тип корпуса, число выводов, число уровней металлизации, площадь кристалла и т. п.);

·  эксплуатационные характеристики (устойчивость к воздействию внешних факторов, надежность и т. п.).

В табл. 8.2 приведены основные параметры отечественных БМК производ­ства ОАО "Ангстрем" (топологическая норма проектирования 0,54 мкм).

Таблица 8.2

Схема	Количество ячеек	Количество элементов библиотеки	Максимальная час­тота/задержка вен­тиля, МГц/не
1806хм1	1500	125	6/8
1515хм1	3200	25	10/5
1593хм1	3200	70	35/1,5
1593хм2	6400	70	35/1,5
1537хм1	4500	51	30/2,2
1537хм2	17 600	51	30/2,2
1592хм1	100 000	230	50/1

На уровне мировой техники изготовляются БМК с десятками миллионов эквивалентных вентилей, обладающих задержками 0,1—0,2 не.

Этапы проектирования МАБИС

Укрупненные этапы проектирования МАБИС показаны на рис. 8.25.

Исходное описание подлежащего реализации проекта может проводиться в разных вариантах. Ориентируясь на условия проектирования ОАО "Ангстрем", укажем следующие возможности представления проекта:

·  в виде схемы, составленной из элементов библиотеки БМК;

·  в виде описания на языках VHDL или Verilog (наиболее популярных языках из числа языков описания аппаратуры, называемых HDL, Hardware Description Languages);

·  в виде схемы, составленной в элементном базисе микросхем программи­руемой логики, выпускаемых фирмами Xilinx, Altera, Actel;

·  в виде электрической схемы, выполненной в любой библиотеке элементов;

·  на основе технического задания.

Библиотека стандартных элементов БМК разрабатывается их изготовителем и является основой для проектирования МАБИС. Представление проекта в виде схемы, содержащей библиотечные элементы, выполненное заказчиком, упрощает задачи изготовителя. При использовании текстового описания на языках типа HDL "Ангстрем", получив такое описание от заказчика, переводит его в описание на основе библиотечных элементов БМК. Точно так же, получив описание проекта в одном из перечисленных выше* базисов микро­схем* программируемой логики или в виде электрической схемы в других базисах, изготовитель производит автоматизированный перевод описания проекта в базис библиотеки БМК. Сформулировав техническое задание на проект, заказчик совместно с изготовителем могут разработать требуемую схему в библиотечном базисе БМК.

В решении задач, перечисленных для последующих этапов маршрута проек­тирования МАБИС, участвуют и изготовитель, и заказчик. В зависимости от конкретных условий участие заказчика может быть более или менее актив­ным и он может взять на себя выполнение значительной доли общей рабо­ты. Как минимум требуется его участие в предварительном и окончательном просмотрах проекта.

Для разных по сложности БМК полный цикл проектирования МАБИС за­нимает от 1,5 до 3 месяцев.

Литература к главе: [7], [45], [47], [52], [VI], [XV], [XVI].

[1] Сигналы AR и SP вырабатываются специальными термами матрицы И.