книги / Схемотехника. Моделирование цифровых автоматов в САПР Ковчег

СОДЕРЖАНИЕ

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Разработчики современных вычислительных систем работают в основном с моделями верхнего уровня, создавая устройства с помощью языковых конструкций. Однако при необходимости значительно улучшить характеристики разработчики вынуждены перерабатывать базовые логики, вплоть до топологий элементов. Микросхема может быть при этом реализована как на стандартной программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), так

инапечатана/сформирована на кристалле. Признанным лидером в области разработки полузаказных (англ. application-specific integrated circuit – ASIC) микросхем является технологический центр МИЭТ.

Технологический центр (ТЦ) был основан в 1988 г. Было принято решение о создании специального корпуса в Московском институте электронной техники (МИЭТ) для научно-исследова- тельских подразделений. В дальнейшем этот корпус стал ТЦ. Необходимо было выбрать ключевые направления производства. Одним из факторов, повлиявших на выбор «производственной ниши», стало требование минимальных литографических размеров. Были выбраны направления, где эта проблема была менее существенна или ее можно обойти. Одним из направлений стало производство кремниевых датчиков на базе технологических процессов микроэлектроники. В дальнейшем это направление переросло в создание микроэлектромеханических систем различного назначения. Второе направление – разработка полузаказных интегральных схем на основе базовых матричных кристаллов (БМК)

ииспользование метода самоформирования для достижения минимальных размеров нелитографическим методом.

ТЦ зарегистрирован как самостоятельная организация – государственное учреждение «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» Московского института электронной техники».

4

Исследования и разработки НПК «Технологический центр» ведутся по следующим направлениям:

1. МикроэлектроникаОбеспечение разработки, разработка, организация произ-

водства и сопровождение интегральных микросхем и микросборок для уникальной аппаратуры.

Разработка систем на кристалле.

2. Микро- и наносистемная техника и микродатчики

Исследование, разработка и освоение в производстве изделий микросистемной техники.

3. Микроэлектронная аппаратура

Выполнение научно-исследовательских и опытно-конст- рукторских работ в области микросистем и микроэлектронной аппаратуры.

4. Нанотехнологии

Исследование и развитие новых технологических процессов нанотехнологий и перспективных материалов наноэлектроники.

Исследования в области создания комплексных биохимиических систем на базе ИС.

НПК «Технологический центр» занимается разработкой и производством:

датчиков физических величин и чувствительных элементов. Это различные тензомодули, интегральные преобразователи давления, матричные преобразователи диаграмм распределения магнитного поля на основе магниторезистивных датчиков, чувствительные элементы давления, тензопреобразователи, интегральные перобразователи силы;

микросхем – заказных аналоговых и аналого-цифровых микросхем, а также полузаказных цифровых микросхем на основе базовых матричных кристаллов (БМК);

САПР БИС «Ковчег», который позволяет проектировать КМОП БИС на БМК серий 5503, 5507, 5521, 5528 и 5529 объёмом от 650 до 1200 000 условных вентилей [1].

САПР БИС «Ковчег» включает следующие основные программные модули, необходимые для разработки и подготовки

5

к производству полузаказной БИС, в том числе выполняющие функции:

функционально-логическое моделирование;

размещение ячеек на поле БМК;

синтез топологии;

специализированный топологический редактор;

верификация;

расчет параметров топологии;

аттестация проекта.

Подсистема функционально-логического моделирования позволяет получить временные диаграммы функционирования проекта БИС, оценить устойчивость проекта в зависимости от воздействия внешних факторов, провести анализ влияния топологических параметров на функционирование и устойчивость проекта. Синтез топологии выполняется с учетом списков цепей приоритетной разводки и скоростных цепей. Подсистема верификации, с одной стороны, проверяет выполнение требований стандарта кодирования топологии БИС, с другой – проверяет соответствие полученной топологии БИС ее логической схеме. Подсистема расчета топологии обеспечивает расчет задержек в топологических цепях с учетом возможного разброса топологических параметров. Подсистема аттестации проекта позволяет проверить поведение проекта микросхемы в зависимости от значений внешних воздействующих факторов и топологического разброса [2].

Большая интегральная схема (БИС) – интегральная схема (ИС) с высокой степенью интеграции (число элементов в ней достигает 10000), используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.

Использование БИС эффективнее по всем основным показателям аналогичного функционального комплекса, выполненного на отдельных ИС. Реализация ИС на одном кристалле приводит к уменьшению количества корпусов, сборочных и монтажных операций, внешних соединений. Все это позволяет уменьшить размеры, массу, стоимость устройства и, кроме того, повысить надежность.

6

Дополнительными преимуществами от интеграции ИС являются уменьшение общего количества контактных площадок, сокращение длины соединений, а также меньший разброс параметров, поскольку все ИС расположены на одном кристалле и изготовлены в едином технологическом цикле.

Однако опыт производства БИС выявил и ряд общих проблем, которые ограничивают возможности повышения степени интеграции [3]:

теплоотвод микросхемы;

межсоединения;

контроль параметров микросхемы;

физические ограничения размеров элементов.

Программа импортозамещения требует перехода на отечественную элементную базу и отечественные САПР для проектирования цифровых схем. Особенно актуальна данная проблема в таких отраслях, как военная, аэрокосмическая и другая микроэлектроника специального назначения.

Данное пособие позволяет сформировать базовые компетенции в области проектирования цифровых устройств в отечественном САПР «Ковчег» вплоть до этапов топологического моделирования.

7

Практическая работа № 1 СИНТЕЗ И ИСЛЕДОВАНИЕ КОМБИНАЦИОННОЙ СХЕМЫ НА «ЖЕСТКОЙ» ЛОГИКЕ В СИСТЕМЕ

CАПР БИС «КОВЧЕГ»

Библиотеки элементов создаются на транзисторном уровне исходя из возможностей определенных технологий. Чем меньше технологический процесс, тем меньшее количество транзисторов можно объединить в цепочки, следовательно, меньше количество вариантов базовых библиотечных элементов. На основе этих элементов можно разрабатывать даже достаточно сложные устройства, но, как правило, сначала разрабатываются примитивы – элементы, которые не вошли в базовую библиотеку, но могут быть использованы в качестве готовых блоков в устройствах.

Задание: синтезировать схему реализации заданной десятичным номером функции трех переменных в базисе И-НЕ.

Пример. Пусть необходимо синтезировать схему реализации переключательной функции (ПФ) трех переменных № 132. Построим таблицу истинности ПФ № 13210.

Таблица истинности функции № 132

После минимизации заданной функции № 13210, например, по кубу соседних чисел получаем покрытие (3 7) (5 7) (6 7) и функцию ДНФ:

8

f (abc) ab bc ac.

Синтезируем комбинационную схему в базисе И-НЕ. Представим функцию в базисе И-НЕ:

f (abc) ab bc ac abbcac .

Схема в международном стандарте представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема реализации функции №13210

Построим эту схему в системе САПР БИС «Ковчег».

1. Выполнение эксперимента 1.1. Создание проекта

Запустить приложение Kovcheg (ярлык показан на рис. 2).

Рис. 2. Ярлык приложения Kovcheg

Откроется окно приложения (рис. 3).

Создадим новый проект. Для этого в меню «Проект» необходимо выбрать пункт «Новый проект» (рис. 4, 5).

В появившемся окне «Новый проект» нажать на кнопку с тремя точками. В открывшемся окне «Обзор папок» (рис. 6) рекомендуется создать новую папку для нового проекта, так как проект содержит много файлов.

9