Сверхбольшие интегральные схемы

Глава 4. Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах, стандартные и полузаказные ИС, базовые кристаллы и типовые элементы

Характерной тенденцией развития элементной базы современной электронно-вычислительной аппаратуры является быстрый рост степени интеграции. В этих условиях актуальной становится проблема ускорения темпов разработки узлов аппаратуры, представляющих собой БИС и СБИС. При решении данной проблемы важно учитывать существование двух различных классов интегральных схем: стандартных (или крупносерийных) и заказных. К первым относятся схемы, объем производства которых достигает миллионов штук в год. Поэтому относительно большие затраты на их проектирование и конструирование оправдываются. Этот класс схем включает микропроцессоры, различного вида полупроводниковые устройства памяти (ПЗУ, ОЗУ и т.д.), серии стандартных микросхем и др. Схемы, принадлежащие ко второму классу, при объеме производства до нескольких десятков тысяч в год, выпускаются для удовлетворения нужд отдельных отраслей промышленности. Значительная часть стоимости таких схем определяется затратами на их проектирование. Основным средством снижения стоимости проектирования и, главное, ускорения темпов разработки новых видов микроэлектронной аппаратуры являются системы автоматизированного проектирования (САПР). В результате совместных действий конструкторов, направленных на уменьшение сроков и снижение стоимости проектирования БИС и СБИС, появились так называемые полузаказные интегральные микросхемы, в которых топология в значительной степени определяется унифицированной конструкцией кристалла. Первые схемы, которые можно отнести к данному классу, появились в 60-х годах. Они изготавливались на унифицированном кристалле с фиксированным расположением функциональных элементов. При этом проектирование заключалось в назначении функциональных элементов схемы на места расположения соответствующих функциональных элементов кристалла и проведении соединений. Такой кристалл получил название базового, поскольку все фотошаблоны (исключая слои коммутации) для его изготовления являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Эти кристаллы, однако, нашли ограниченное применение из-за неэффективного использования площади кристалла, вызванного фиксированным положением функциональных элементов на кристалле. Для частичной унификации топологии интегральных микросхем (ИС) использовалось также проектирование схем на основе набора типовых ячеек. В данном случае унификация состояла в разработке топологии набора функциональных (типовых ячеек, имеющих стандартизованные параметры (в частности, разные размеры по вертикали). Процесс проектирования при этом заключался в размещении в виде горизонтальных линеек типовых ячеек, соответствующих функциональным элементам схемы, в размещении линеек на кристалле и реализации связей, соединяющих элементы, в промежутках между линейками. Ширина таких промежутков, называемых каналами, определяется в процессе трассировки. Отметим, что хотя в данном случае имеет место унификация топологии, кристалл не является базовым, поскольку вид всех фотошаблонов определяется в ходе проектирования. Современные полузаказные схемы реализуются на базовом матричном кристалле (БМК), содержащем не соединенные между собой простейшие элементы (например, транзисторы), а не функциональные элементы как в рассмотренном выше базовом кристалле. Указанные элементы располагаются на кристалле матричным способом (в узлах прямоугольной решетки). Поэтому такие схемы часто называют матричными БИС. Как и в схемах на типовых ячейках топология набора логических элементов разрабатывается заранее. Однако в данном случае топология логического элемента создается на основе регулярно расположенных простейших элементов. Поэтому в ходе проектирования логическими элемент может быть размещен в любом месте кристалла, а для создания всей схемы требуется изготовить только фотошаблоны слоев коммутации. Основные достоинства БМК, заключающиеся в снижении стоимости и времени проектирования, обусловлены: применением БМК для проектирования и изготовления широкого класса БИС; уменьшением числа детализированных решений в ходе проектирования БИС; упрощением контроля и внесения изменений в топологию; возможностью эффективного использования автоматизированных методов конструирования, которая обусловлена однородной структурой БМК. Наряду с отмеченными достоинствами БИС на БМК не обладают предельными для данного уровня технологии параметрами и, как правило, уступают как заказным, так и стандартным схемам. При этом следует различать технологические параметры интегральных микросхем и функциональных узлов (устройств), реализованных на этих микросхемах. Хотя технологические параметры стандартных микросхем малой и средней степени интеграции наиболее высоки, параметры устройств, реализованных на их основе, оказываются относительно низкими.

4.1 Основные типы БМК

Базовый кристалл представляет собой многослойную прямоугольную пластину фиксированных размеров, на которой выделяют периферийную и внутреннюю области (рис. 1). В периферийной области располагаются внешние контактные площадки (ВКП) для осуществления внешнего подсоединения и периферийные ячейки для реализации буферных схем (рис. 2). Каждая внешняя ячейка связана с одной ВКП и включает диодно-транзисторную структуру, позволяющую реализовать различные буферные схемы за счет соответствующего соединения элементов этой структуры. В общем случае в периферийной области могут находиться ячейки различных типов. Причем периферийные ячейки могут располагаться на БМК в различных ориентациях (полученных поворотом на угол, кратный 90', и зеркальным отражением). Под базовой ориентацией ячейки понимают положение ячейки, расположенной на нижней стороне кристалла.

Во внутренней области кристалла матричным способом располагаются макроячейки для реализации элементов проектируемых схем (рис. 3). Промежутки между макроячейками используются для электрических соединений. При матричном расположении макроячеек область для трассировки естественным образом разбивается на горизонтальные и вертикальные каналы. В свою очередь в пределах макроячейки матричным способом располагаются внутренние ячейки для реализации логических элементов. Различные способы расположения внутренних ячеек и макроячейках показаны на рисунке. Причем наряду с размещением ячеек "встык" применяется размещение с зазорами, в которых могут проводиться трассы электрических соединений

Особенностью ячейки является специальное расположение выводов, согласованное со структурой макроячейки. А именно, ячейки размещаются таким образом, чтобы выводы ячеек оказались на периферии макроячейки. Так, в одной из макроячеек выводы каждой ячейки дублируются на верхней и нижней ее сторонах. При этом имеется возможность подключения к любому выводу с двух сторон ячейки, что создает благоприятные условия для трассировки. Последнее особенно важно при проектировании СБИС.В другой макроячейке выводы ячейки располагаются только на одной стороне, т. е. выводы ячеек верхнего ряда находятся на верхней стороне макроячейки, а нижнего на нижней. Применение таких макроячеек позволяет сократить требуемую площадь кристалла, но приводит к ухудшению условий для трассировки. Поэтому данный тип макроячеек используется лишь при степени интеграции, не превышающей 100 -200 вентилей на кристалл. Отметим, что в некоторых типах БМК, кроме однотипных макроячеек, во внутренней области могут присутствовать специализированные макроячейки, реализующие функциональные типовые узлы (например, запоминающее устройство).Помимо ячеек, являющихся заготовками для реализации элементов, на БМК могут присутствовать фиксированные части соединений. К ним относятся шины питания, земли, синхронизации и заготовки для реализации частей сигнальных соединений. Например, для макроячеек (b) шины питания и земли проводятся вдоль верхней и нижней сторон соответственно. Для макроячеек (a,d) шины проводятся вдоль линии, разделяющей верхний и нижний ряды ячеек, что приводит к уменьшению потерь площади кристалла. Для реализации сигнальных соединений на БМК получили распространение два вида заготовок: фиксированное расположение однонаправленных (горизонтальных или вертикальных) участков трасс в полном слое; фиксированное расположение участков трасс в одном слое и контрактных окон, обеспечивающих выход фиксированных трасс во второй слой. В первом случае для реализации коммутации проектируемой схемы не требуется разработка фотошаблона фиксированного слоя, т. е. число разрабатываемых фотошаблонов уменьшается на единицу. Во втором случае число разрабатываемых фотошаблонов уменьшается на два (не требуется также фотошаблон контактных окон). Отметим, что в настоящее время получили распространение различные виды формы и расположения фиксированных трасс и контактных окон. Целесообразность использования того или иного вида определяется типом макроячеек, степенью интеграции кристалла и объемом производства. При реализации соединений на БМК часто возникает необходимость проведения трассы через область, занятую макроячейкой. Такую трассу будем называть транзитной. Для обеспечения такой возможности допускается: проведение соединения через область, занятую ячейкой, проведение через зазоры между ячейками. Первый способ может применяться, если в ячейке не реализуется элемент, или реализация элемента допускает использование фиксированных трасс и неподключенных выводов для проведения транзитной трассы. Таким образом, в настоящее время разработано большое многообразие типов БМК, которые имеют различные параметры. При проектировании микросхем на БМК необходимо учитывать конструктивно-технологические характеристики кристалла. К ним относятся геометрические параметры кристалла, форма и расположение макроячеек на кристалле и ячеек внутри макроячеек, расположение шин и способ коммутации сигнальных соединений. Итак, следует отметить, что задача определения структуры БМК является достаточно сложной, и в настоящее время она решается конструктором преимущественно с использованием средств автоматизации.

4.2 Реализация логических элементов на БМК

Выше было показано, что БМК представляет собой заготовку, на которой определенным образом размещены электронные приборы (транзисторы и др.). Следовательно, проектирование микросхемы можно было бы вести и на приборном уровне. Однако этот способ не находит распространения на практике по следующим причинам. Во-первых, возникает задача большой размерности. Во-вторых, учитывая повторяемость структуры частей кристалла и логической схемы, приходится многократно решать однотипные задачи. Поэтому применение БМК предполагает использование библиотеки типовых логических элементов, которая разрабатывается одновременно с конструкцией БМК. В этом отношении проектирование матричных БИС подобно проектированию печатных плат на базе типовых серий микросхем. Таким образом, при применении БМК проектируемая схема описывается на уровне логических элементов, а каждый элемент содержится в библиотеке. Эта библиотека формируется заранее. Она должна обладать функциональной полнотой для реализации широкого спектра схем. Традиционно подобные библиотеки содержат следующие элементы: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, триггер, входные, выходные усилители и др. Для реализации элемента используется одна или несколько ячеек кристалла, т. е. размеры элемента всегда кратны размерам ячейки. Топология элемента разрабатывается на основе конструкции ячейки и представляет собой совокупность трасс, которые совместно с имеющимися на кристалле постоянными частями реализуют требуемую функцию. Именно описание указанных соединений и хранится в библиотеке. В зависимости от того, на каких ячейках реализуются элементы, можно выделить внешние (согласующие усилители, буферные схемы и др.) и внутренние, или просто логические элементы. Если внешние элементы имеют форму прямоугольников независимо от типа кристалла, то для логических элементов существует большое разнообразие форм, которое определяется типом макроячеек. Так, для макроячейки, показанной на , возможные формы элементов приведены на рис. 5.При этом следует иметь в виду, что каждая форма может быть реализована с поворотом относительно центра макроячейки на угол, кратный 90'. Для расширения возможностей наилучшего использования площади кристалла для каждого логического элемента разрабатываются варианты топологии, позволяющие его реализовать в различных частях макроячейки. Поскольку структура макроячейки обладает симметрией, то эти варианты топологии, как правило, могут быть получены из базового вращением относительно осей симметрии. При проектировании на уровне элементов существенными данными являются форма логического элемента и расположение его выводов (цоколевка).

4.3 Системы автоматизированного проектирования матричных БИС постановка задачи проектирования

Задача конструирования матричных БИС состоит в переходе от заданной логической схемы к ее физической реализации на основе БМК. При этом исходные данные представляют собой описание логической схемы на уровне библиотечных логических элементов, требования к его функционированию, описание конструкции БМК и библиотечных элементов, а также технологические ограничения. Требуется получить конструкторскую документацию для изготовления работоспособной матричной БИС. Важной характеристикой любой электронной аппаратуры является плотность монтажа. При проектировании матричных БИС плотность монтажа определяется исходными данными. При этом возможна ситуация, когда искомый вариант реализации не существует. Тогда выбирается одна из двух альтернатив: либо матричная БИС проектируется на БМК больших размеров, либо часть схемы переносится на другой кристалл, т. е. уменьшается объем проектируемой схемы. Основным требованием к проекту является 100%-ная реализация соединений схемы, а традиционным критерием, оценивающими проект, суммарная длина соединений. Именно этот показатель связан с такими эксплуатационными параметрами, как надежность, помехоустойчивость, быстродействие. В целом задачи конструирования матричных БИС и печатных плат родственны, что определяется заранее заданной формой элементов и высоким уровнем унификации конструкций. Вместе с тем имеют место следующие отличия:-элементы матричных БИС имеют более сложную форму (не прямоугольную);- наличие нескольких вариантов реализации одного и того же типа элемента;-позиции для размещения элементов группируются в макроячейки;-элементы могут содержать проходы для транзитных трасс;-равномерное распределение внешних элементов по всей периферии кристалла;-ячейка БМК, не занятая элементом, может использоваться для реализации соединений;-число элементов матричных БИС значительно превышает значение соответствующего параметра печатных плат. Перечисленные отличия не позволяют непосредственно использовать САПР печатных плат для проектирования матричных БИС. Поэтому в настоящее время используются и разрабатываются новые САПР, предназначенные для проектирования матричных БИС, а также дорабатываются и модернизируются уже действующие САПР печатных плат для решения новых задач. Реализация последнего способа особенно упрощается, когда в системе имеется набор программ для решения задач теории графов, возникающих при конструировании. Поскольку трассировка соединений на БМК ведется с заданным шагом на дискретном рабочем поле (ДРП), то необходимо, чтобы выводы элементов попадали в клетки ДРП. Однако внешние выводы макроячеек могут располагаться с шагом, не кратным шагу ДРП. В этом случае используется простой прием введения фиктивных контактных площадок, связанных с внутренними частями ячейки. Если трасса к макроячейке не подходит, то область фиктивной площадки остается свободной. При разработке САПР БИС на БМК необходимо учитывать требования к системам, диктуемые спецификой решаемой задачи. К ним относятся:

1.Реализация сквозного цикла проектирования от схемы до комплектов машинных документов на изготовление, контроль эксплуатацию матричных БИС.

2.Наличие архива данных о разработках, хранимого на долговременных машинных носителях информации.

3.Широкое применение интерактивных режимов на всех этапах проектирования.

4.Обеспечение работы САПР в режиме коллективного пользования. Учитывая большую размерность задачи проектирования, большинство существующих САПР матричных БИС реализовано на высокопроизводительных ЭВМ. Однако в последнее время все больше зарубежных фирм применяет и мини-ЭВМ.

Заключение

Технология сверхбольших интегральных схем определяет прогресс в передовых областях науки и техники и является основой для развития высокотехнологичных отраслей отечественной промышленности. Она имеет широкий спектр применений: от бытовой аппаратуры до специализированных устройств оборонной техники. Мировой рынок интегральных схем практически неисчерпаем, что позволит создавать высокорентабельные ориентированные на экспорт производства. В настоящее время основная часть производимых интегральных схем в мире соответствует минимальным рабочим размерам элементов 0,8-1,0 мкм. Ведущие зарубежные фирмы США, Японии и Южной Кореи имеют заводы, выпускающие высокопроизводительные микропроцессоры и ультра большие схемы памяти с минимальными размерами 0,5 мкм. В Казахстане имеются пилотные линии для производства кремниевых интегральных схем с минимальными размерами рабочих элементов 0,8-1 мкм. В ближайшее время будет завершено создание производства схем с размерами элементов на уровне 0,5 мкм. Освоение этих линий позволит Казахстану полностью обеспечить внутреннюю потребность кремниевыми схемами отечественного производства сложностью до сотен тысяч транзисторов на кристалле и выйти на мировой рынок. Создание научно-технического задела в области перспективных технологий и устройств микро и наноэлектроника дает возможность модернизировать производство и расширить объем экспорта отечественных электронных компонентов.

Литература

1. Пупышев Алексей Владимирович (проект ''Работай головой'')

2. Фонарев А.А. (''Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах'' Масква 1995 г.)

3. Интернет (Статьи фирмы 'Altera', Министерство науки, промышленности и технологий РФ)

4. Ершова Н.Ю., Иващенков О.Н., Курсков С.Ю. (''Микропроцессоры'') Санкт Петербург 2002 г.

Страницы: 1, 2, 3