книги / Микроэлектроника. Базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы
.pdfКНИГА § БАЗОВЫЕ
§МАТРИЧНЫЕ
| КРИСТАЛЛЫ
§И ПРОГРАММИРУЕМЫЕ
| ЛОГИЧЕСКИЕ
§МАТРИЦЫ
О
CD
О |
Под редакцией |
g |
проф. Л.А. Колвдова |
CD |
|
CD |
|
|
Допущено Министерством |
|
высшего и среднего специального |
|
образования СССР |
|
в качестве учебного пособия |
|
для студентов втузов |
CD |
|
CD |
|
g
ВМосква
§ «Высшая школа» 1987
ББК 32.844.1 М59
УДК 621.38
Рецензенты:
кафедра конструирования и технологии производства РЭА Москов ского авиационного иститута (зав. кафедрой д-р тихи.* наук, проф. Б. Ф. Высоцкий); кафедра технологии РЭА Минского радиотехни ческого института (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф/А. П. Достанко).
Микроэлектроника. Учеб, пособие для втузов. М59 в 9 кн. / Под ред. Л. А. Коледова. Кн. 3. Базовые матричные кристаллы и программируемые логиче ские матрицы / М. Ф. Пономарев, Б. Г. Коноп
лев.— М.: Высш. шк., 1987. — 94 с.: ил.
В |
пособии |
рассмотрены |
принципы |
построения, примеры |
конструк |
ций |
базовых |
матричных |
кристаллов, |
программируемых |
логических |
матриц со встроенными перемычками и электрически программируемы
ми элементами, а также методики проектирования |
и программирова |
ния специализированных интегральных микросхем |
на их основе с |
применением ЭВМ. |
|
2403000000(4309000000)—264 18д_ 8? |
ББК 32.844.1 |
001(01)—87 |
6Ф2.13 |
уе/ивдательстео «Высшая школа», 1987
ПРЕДИСЛОВИЕ К КНИГЕ Э
Развитие техники проектирования и технологии произ водства полупроводниковых интегральных микросхем поз волило формировать в одном кристалле сложные устрой ства, содержащие сотни, тысячи, десятки тысяч элементов, выполняющие функции обработки и управления сигналом. Но рост сложности неизбежно приводит к уменьшению
или потере универсальности. Так, самая |
простая деталь |
в строительстве — кирпич — максимально |
универсален и |
может быть использован для строительства любого здания и сооружения, но более сложная деталь — прямоугольная панель — менее универсальна и может быть использова на для сооружения зданий только определенной категории с определенными размерами и формой помещений. Для перехода к зданиям с более сложной архитектурной формой, чем прямоугольная, необходимо создавать и панели более сложной формы, которые будут еще менее универсальны. Уменьшение универсальности приводит к необходимости увеличения номенклатуры изделий.
В микроэлектронике возникает противоречивая, чуть ли не парадоксальная ситуация: чем выше технологический уровень производства и чем выше искусство создания конструкций интегральных микросхем, тем более сложные в функциональном отношении микросхемы можно из готовить, тем более специализированными (менее универ сальными) они становятся и тем большее количество (номенклатуру) их надо спроектировать и изготовить для создания микроэлектронной аппаратуры различного наз начения. При этом, естественно, объемы производства каждой специализированной микросхемы будут сравни тельно небольшими. Если учесть, что только разработка такой микросхемы занимает несколько месяцев, а нала живание ее производства — годы, то ситуация может показаться безвыходной.
Но выход был найден. Даже два выхода. Первый вы ход из этой противоречивой ситуации — это создание
микросхем, функции которых могут быть заданы подачей на их входы по определенной программе внешних электри ческих сигналов. Такая функциональная перестройка с помощью программирования является особенностью микро процессорных интегральных микросхем; некоторые сведения о них приведены в книге 2 «Полупроводниковые интеграль ные микросхемы», а детальному их описанию посвящена известная серия учебных пособий под редакцией чл-корр. АН СССР Л. Н. Преснухина «Микропроцессоры».
Другим выходом является построение микросхем на основе базового матричного кристалла (БМК), представ ляющего собой матрицу нескоммутированных (не соединненных между собой) элементов, электрические связи между которыми формируются в соответствии с назначе нием микросхем на этапе формирования разводки. На основе одного БМК можно изготовить сотни функцио нально различных устройств.
В программируемых логических матрицах (ПЛМ) за данная схема формируется также на основе матрицы элементов. Однако в отличие от БМК соединения можно
не только создавать, |
но при необходимости и разрушать. |
В некоторых типах |
ПЛМ формирование схемы (програм |
мирование) осуществляется не с помощью заказных масок, как в БМК, а электрически — подачей программирующих сигналов. Возможна раеализация перестраиваемых( репрограммируемых ) схем.
Изготовление микросхем на основе БМК и ПЛМ сулит немалые выгоды в плане сокращения сроков изготовления, расширения их функционального разнообразия при сок ращении затрат на проектирование и производство. Это один из основных путей ускорения разработок и выпуска современной микроэлектронной аппаратуры.
Знакомству с принципами построения, конструкциями и особенностями производства и применения микросхем на основе БМК и ПЛМ и посвящена эта книга.
Л. А. Коледов
ВВЕДЕНИЕ
В современной микроэлектронной аппаратуре, выпол няющей функции обработки и хранения информации, автоматизации и управления технологическими процессами, используются универсальные и специализированные интег ральные микросхемы различной степени интеграции. Наб людается тенденция более широкого применения интеграль ных микросхем высокой степени интеграции — больших (БИС) и сверхбольших (СБИС). Это обусловлено сущест венным улучшением технико-экономических характеристик аппаратуры, а именно:
повышением надежности, быстродействия и помехо устойчивости;
снижением массы, габаритов, потребляемой мощности, стоимости;
сокращением сроков проектирования и подготовки про изводства.
Универсальные микросхемы выпускаются массовыми тиражами предприятиями электронной промышленности и предназначены для применения в аппаратуре различного назначения.
Специализированные микросхемы выпускаются ограни ченными тиражами (сотни — десятки тысяч штук), как правило, предприятиями — изготовителями микроэлект ронной аппаратуры (предприятиями аппаратостроения) и предназначены для применения в конкретной аппаратуре.
Специализированные БИС изготовляют также на предприятиях электронной промышленности по докумен тации (заказу) предприятий аппаратостроения. Поэтому такие БИС часто называют заказными.
Широкое применение имеют специализированные БИС, построенные на основе базовых матричных кристаллов
ипрограммируемых логических устройств. При автомати зированном проектировании они могут быть разработаны
иизготовлены за достаточно короткое время: несколько
недель — для |
БИС на основе БМК, несколько дней — |
для БИС на |
основе ПЛУ. |
Базовые матричные кристаллы являются универсаль ными полуфабрикатами. Для изготовления БИС на их основе требуется спроектировать и изготовить необхо димые (заказные) электрические соединения элементов кристалла. Так как часть конструкции БИС проекти руется и изготовляется по заказу, то такие специализи рованные БИС называются полузаказными. При разра ботке современной аппаратуры применяются БМК, со держащие десятки и сотни тысяч транзисторов.
Специализированные БИС на основе БМК могут из готовляться как на предприятиях электронной промышлен ности по заказам предприятий аппаратостроения, так и на самих предприятиях аппаратостроения при использовании покупных полупроводниковых пластин-заготовок с БМК. Последнее очень выгодно, так как на предпрятиях аппарато строения не требуется организовывать сложное полупро водниковое производство. Заключительные технологичес кие операции, связанные с изготовлением электрических соединений, выполняются методами тонкопленочной техно логии (напыление тонких пленок и фотолитография).
Данное учебное пособие знакомит студентов вузов с основными методами проектирования специализированных БИС, особенностями схемно-конструкторского исполнения БМК и ПЛУ (программируемых и перепрограммируемых логических матриц и постоянных запоминающих устройств) и особенностями их использования при создании спе циализированных БИС.
в
СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ БОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
§ 1.1. Особенности конструктивно-технологической реализации и проектирования специализированных микросхем
Устройства современной микроэлектронной аппара туры (МЭА) могут быть построены на основе универсальных микросхем малой, средней и большой степени интеграции. С целью улучшения технико-экономических характеристик МЭА (снижение массы, габаритов, стоимости, увеличение надежности) в ряде случаев целесообразно заменить неко торое количество групп универсальных микросхем малой и средней степени интеграции специализированными БИС, выполняющими то же самое преобразование информации.
Использование специализированных БИС позволяет также повысить быстродействие МЭА, если вместо програм мной обработки информации применить аппаратную, по высив сложность БИС.
Важным параметром БИС является ее стоимость, которая может быть представлена в виде суммы двух составляю
щих: |
|
CbHc= Cn}{p/N+ Спр, |
(1-1) |
где СГ1кр — стоимость проектно-конструкторских работ (проектирование архитектуры, логической и электрической схем, топологии, моделирование, изготовление оригиналов масок и опытного образца и др.); N — объем производства; Спр — стоимость изготовления (производства) БИС (стои мость кристалла, корпуса, монтажа, герметизации и др.).
При больших объемах производства БИС (сотни тысяч штук) первая составляющая выражения (1.1) обычно значительно меньше второй, поэтому еще на стадии проек тирования БИС стремятся принять определенные меры, позволяющие снизить стоимость ее изготовления прежде всего за счет снижения стоимости кристалла. Существен-
мое влияние на стоимость оказывает процент выхода год
ных |
кристаллов [1,8]: |
|
|
Я =ехр(—K S kd), |
(1.2) |
где |
к — коэффициент, зависящий от |
уровня технологии |
изготовления кристаллов и числа фотолитографий; S Kp— площадь кристалла. Экспоненциальная зависимость процента выхода годных кристаллов от их площади обус ловлена в основном наличием случайно распределенных дефектов в оксидных пленках, выполняющих роль защит ных масок при проведении таких распространенных техно логических процессов, как диффузия и ионное легирование.
С целью повышения процента выхода годных и соот ветственно снижения их стоимости необходимо умень шать площадь каждого кристалла. Для этого используют метод полного проектирования.
Разработка топологии кристалла осуществляется на уровне электрорадиоэлементов (элементов). При этом топо логия каждого элемента оптимизируется по заданным критериям. Конструкторы-топологи осуществляют раз работку топологии кристалла в основном вручную, исполь зуя на определенных этапах ЭВМ. При этом обеспечивает ся максимальная плотность размещения элементов, мини мальная длина соединительных проводников и максимальное быстродействие. Разработка топологии кристалла методом полного проектирования характеризуется большой трудо емкостью и осуществляется в течение нескольких месяцев.
Значительное сокращение времени разработки топо логии кристалла (в 2—3 раза) без существенного проигрыша в его площади достигается при использовании символьного метода [3,8]. Символьную топологию готовит проекти ровщик, а воспроизведение действительной топологии кристалла осуществляется с помощью технических средств систем автоматизированного проектирования (САПР).
В большинстве случаев специализированные БИС выпускаются небольшими партиями (сотни—десятки тысяч штук). Из (1.1) видно, что при небольших объемах производ ства стоимость БИС существенно зависит от стоимости проектно-конструкторских работ Спкр. Очень важно, чтобы сроки проектирования и производства специализированных БИС были оптимальными при приемлемых затрата*.
Снижение стоимости и сроков выполнения проектно конструкторских работ достигают, применяя методы частич ного проектирования и эффективно используя САПР.
Суть метода частичного проектирования состоит в том, что проектировщик БИС использует какие-то готовые объекты, которые разработаны и изготовлены заранее, тем самым упрощая процессы проектирования и изготов ления специализированных БИС. Такими готовыми объек тами могут быть:
1.Топология (чертежи-заготовки, фрагменты) типовых узлов и блоков, которые называются стандартными ячей ками (метод стандартных ячеек).
2.Кристаллы-полуфабрикаты (заготовки) с матрицами ячеек; каждая ячейка матрицы состоит из определенного
набора элементов, которые называются базовыми матрич ными кристаллами (БМК) (метод вентильных матриц).
3. Микросхемы-полуфабрикаты с матричной структурой элементов ца кристаллах, которые называются программи руемыми устройствами (метод программируемых логичес ких устройств).
Разработчики специализированных БИС используют библиотеки стандартных ячеек, представляющих собой набор топологий типовых узлов и блоков (логические и буферные элементы, триггеры, счетчики, арифметические устройства, оперативные и постоянные запоминающие уст ройства, контроллеры, микропроцессоры). Библиотека стандартных ячеек содержится в базе данных САПР. При проектировании топологий БИС осуществляется ком поновка стандартных ячеек на поле кристалла и трассиров ка межфрагментных электрических соединений в каналах между ячейками.
При изготовлении кристаллов, топология которых раз работана методом стандартных ячеек, используется полный цикл технологических операций: от подготовки полупро водниковых пластин до скрайбирования.
Базовые матричные кристаллы являются универсаль ными кристаллами-заготовками, расположенными на полу проводниковой пластине. Для изготовления специали зированных БИС на их основе (матричных БИС) проектиру ются и изготовляются 1—3 заказных фотошаблона (маски) с помощью которых на заключительных технологических операциях формируются электрические связи по заданной принципиальной электрической схеме. Метод вентильных матриц позволяет сущ^изснно упростить процессы проек тирования и производства специализированных БИС, сводя их к трассировке и технологической реализации необхо димых электрических соединений.
Дополнительного упрощения технологии проектиро вания матричных БИС достигают, используя библиотеки
топологий типовых узлов (функциональных элементов), |
|
спроектированных |
применительно к конкретному составу |
и расположению |
ячеек матрицы. |
Программируемые логические устройства имеют матрич |
|
ную структуру и шинную организацию элементов (каждый элемент соединяется с вертикальными и горизонтальными шинами). В ПЛУ используются программируемые матрицы И, ИЛИ и их комбинации: непрограммируемое
И — программируемое |
ИЛИ; программируемое |
И — не |
|
программируемое ИЛИ; |
программируемое И — програм |
||
мируемое ИЛИ. |
|
|
|
Существует две разновидности |
ПЛУ: |
|
|
1) программируемые |
в условиях |
производства |
специа |
лизированных БИС на основе кристаллов-полуфабрикатов с помощью одного заказного фотошаблона по технологии, подобной технологии изготовления матричных БИС;
2) программируемые потребителем—изготовителем ап паратуры «загрузкой» (введением информации) внутренних регистров или физическим воздействием на отдельные элементы матриц (пережигание перемычек, пробой диодов, изменение режимов работы полупроводниковых приборов).
Логические устройства, программируемые потреби телем, являются универсальными микроэлектронными уст ройствами, которые «настраиваются» на заданную функ
цию с |
помощью автоматических программаторов. |
В практике широко используются такие разновидности |
|
ПЛУ, |
как программируемые логические матрицы (ПЛМ) |
и программируемые постоянные запоминающие устройст ва (ППЗУ). На основе ПЛУ изготовляются специализиро ванные БИС, выполняющие функции преобразователей кодов, формирователей символов, генераторов, счетчиков, контроллеров и др.
§1.2. Сравнение способов реализации
иэффективности применения специализированных микросхем
Если какое-либо устройство может быть выполнено в нескольких конструктивно-технологических вариантах, то в качестве критериев их сравнения можно принять: стоимость, время проектирования, площадь, занимаемую в аппаратуре, объем, массу, быстродействие, потребляемую мощность и др.