1.3 Специализированные заказные и полузаказные бис
Универсальные БИС, или БИС общего применения, выпускаются большими партиями и используются в аппаратуре различного применения. Это БИС микропроцессоров, контроллеров, запоминающих устройств и т.п.
1. Специализированные БИС создаются для применения в конкретной аппаратуре. Их изготавливают на предприятиях, производящих ИС, небольшими партиями по заказу предприятий аппаратостроения, поэтому такие БИС часто называют заказными.
2. Специализированные БИС обычно выполняют сложную законченную логическую (или аналоговую) функцию. Применение специализированных БИС позволяет резко сократить количество ИС и тем самым уменьшить габариты, массу и потребляемую мощность всего устройства.
3. Объединение элементов в БИС повышает системное быстродействие, надежность, помехоустойчивость, так как сокращается длина соединительных проводников, величина их паразитных емкостей и индуктивностей, а так же число монтажных соединений на печатных платах.
4. Специализированные БИС подразделяют на:
– полностью заказные ИС,
– ИС на стандартных элементах (ячейках),
– масочно–программируемые ИС, или БМК (базовые матричные кристаллы),
– программируемые пользователем ИС (программируемые логические интегральные схемы).
5. Полностью заказные ИС по своим рабочим характеристикам превосходят другие классы специализированных БИС, так как при их проектировании учитываются особенности функционирования электрической схемы и возможности выбранной полупроводниковой технологии.
Разработка и запуск в производство полностью заказной БИС, начиная от функциональной схемы и до готового изделия – это весьма трудоемкий процесс, занимающий до 40...60 недель. Высокая стоимость такой разработки окупается только при большом объеме выпуска микросхем порядка сотен тысяч и миллионов штук.
Примером таких БИС могут служить микросхемы для кварцевых часов, калькуляторов, БИС запоминающих устройств и т.п. При создании заказных специализированных БИС широко используются системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированного управления технологическими процессами (АУТП). В конструкции новой БИС применяются как вновь создаваемые узлы, так и имеющиеся в банке данных САПР узлы БИС, уже реализованные и апробированные в предыдущих разработках.
6. Заказные БИС на стандартных элементах имеют меньшую плотность упаковки, большую стоимость производства кристалла одной БИС из-за увеличения площади кристалла и уменьшения процента выхода годных кристаллов, причем время и затраты на проектирование значительно сокращаются.
При разработке этого типа заказных БИС используют библиотеки стандартных фрагментов, представляющих собой набор топологий типовых узлов и блоков (логические и буферные элементы, триггеры, счетчики, регистры, арифметические устройства, контроллеры, оперативные и постоянные запоминающие устройства и т.п.)
При проектировании топологии БИС осуществляется компоновка необходимых функциональных элементов в виде рядов ячеек постоянной высоты и переменной ширины на поле кристалла и трассировка межфрагментных электрических соединений.
Пример заказной БИС на стандартных элементах представлен на рисунке 1.2.
Рис. 1.2.
Для изготовления специализированных заказных БИС на стандартных элементах проектируется и изготавливается полный комплект фотошаблонов, используется полный цикл технологических операций от подготовки полупроводниковых пластин до скрайбирования и т.д.
Выпуск таких БИС выгоден при объемах производства в десятки – сотни тысяч штук.
7. Базовые матричные кристаллы (БМК) являются универсальными кристаллами–заготовками, расположенными на полупроводниковой пластине. Такие кристаллы называются базовыми, поскольку все фотошаблоны для его изготовления, за исключением слоев коммутации, являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Простейшие элементы (базовые ячейки) располагаются в узлах прямоугольной решетки, поэтому кристалл называют матричным.
Пример базового матричного кристалла представлен на рисунке 1.3
Рис. 1.3.
Для изготовления специализированных БИС на основе БМК проектируются и изготавливаются фотошаблоны, необходимые для формирования электрических связей по заданной принципиальной электрической схеме. Как правило, для реализации электрических соединений необходимо 1...3 слоя металлизации.
Функциональные элементы различной степени сложности формируются из базовых ячеек на основе библиотеки топологий функциональных элементов, спроектированных применительно к конкретному составу и расположению ячеек матрицы (рис. 1.4).
Рис. 1.4.
Полузаказные БИС на основе БМК (рис. 1.5) выгодно применять при средних объемах производства (тысячи – десятки тысяч штук). Время разработки устройства в виде матричной БИС сокращается до нескольких недель.
Рис 1.5.
7. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) также имеют матричную структуру, но межсоединения элементов имеют шинную организацию (каждый элемент соединяется с горизонтальными и вертикальными шинами). В ПЛИС используются программируемые матрицы И, ИЛИ и их комбинации.
Существует два типа БИС ПЛИС: масочные ПЛИС, которые программируются в условиях производства ИС с помощью одного заказного слоя металлизации, и ПЛИС, программируемые непосредственно потребителями-изготовителями аппаратуры.
ПЛИС, программируемые потребителем, являются универсальными устройствами, алгоритм функционирования которых задается программатором.
Специализированная БИС на основе ПЛИС при автоматизированном проектировании может быть разработана и изготовлена в течение нескольких дней. Эти ПЛИС выгодно использовать при малых объемах производства (десятки-сотни штук).
8. Сравнивая специализированные БИС на основе БМК и масочных ПЛИС, необходимо отметить, что БМК выгодно применять при проектировании БИС высокого быстродействия, которое достигается минимизацией длины пленочных проводников на кристалле. В ПЛИС используются длинные соединительные шины с большими паразитными емкостями, которые снижают быстродействие. Кроме того, в БИС на основе БМК можно реализовать более широкий класс сложных функций.
Контрольные вопросы
Какие основные тенденции развития МЭА?
Что является основной элементной базой МЭА?
Для чего применяются специализированные БИС?
Какие преимущества и недостатки полностью заказных БИС?
Охарактеризуйте специализированную БИС, разработанную на стандартных элементах.
Какие особенности специализированных БИС, выполненных на основе БМК?
В чем состоит изготовление специализированных БИС на основе ПЛИС?