5.6. Үис жобалаудың ерекшеліктері және негізгі кезеңдері
ҮИС жасаудың негізгі мәселесі - интеграция дәрежесін өсіру болып табылады. Микросхемада интеграция дәрежесін өсіру бірнеше факторға байланысты. Олардың бірі – ИМС элементтерінің геометриялық өлшемдерін азайту мүмкіндігі.
ИМС элементтерінің шекті геометриялық өлшемдері бір жағынан - қажетті электрлік параметрлерімен, екінші жағынан - технологиялық жабдықтың рұқсат ететін мүмкіндігімен және технологиялық процестері арқылы анықталады. Микроэлектроникада технологиялық әдістер мен жабдықтар өте жылдам дамитынын есекретін болсақ, қазір элементтердің минимал өлшемдері жарық толқынының ұзындығымен салыстырғанда шекті мәніне жақындайды. Бұл ҮИС дайындауда технологиялық процестердің нақтылығына арнайы талаптар жасайды. Мұндай мәселенің қиындауы ҮИС дайындау қарапайым ИМС құрудан қарағанда күрделі технологиялық процесті талап етуіне байла нысты, ал процестің өзі ҮИС схемотехникалық параметрлеріне байланысты. Бұл өз кезегінде ҮИС дайындауға қажетті әртүрлі талаптар мен шектеулер жасайды.
Жобалаудың ерекшеліктері. ҮИС дайындауда электронды құрылғыны есептеуде, жобалауда және құрудағы дәстүрлі көзқарастармен байласнысты емес мәселелер туындайды. Бұл ең алдымен ҮИС құрылымына, дайындаудың интегралды технологиясына және қолдану аймағына байланысты. Микроэлектроника технологиясының дамуына байланысты подложкадағы элементтердің интеграция дәрежесі өскенде, ҮИС функционалдық қиындығы үздіксіз артады, ал олар орындайтын функциялар аппаратуралыққа жақындайды. Оның дәлелі кішкене есептеуіштердің (калькуляторлардың), сақтау құрылғыларының, түрлендіргіштердің т.б. бір ҮИСда құрылуы болып табылады.
Демек, бір жағынан, ҮИСны ИМС ретінде қарастыруға болады, екінші жағынан - толық құрылғы ретінде. Осыған байланысты кіші немесе орташа дәрежелі интерациялы ИМСға қарағанда ҮИС унификациясын алу қиын болып табылыды. Сонымен қатар ҮИС құрылғыны жобалау процесі кіші дәрежелі интеграциялы ИМС жобалау процесінен ерекшеленеді. Егер дискретті электроника және кіші дәрежелі интеграциялы ИМС электроникасы кезінде есептеуіш құрылғылардың түйіндер синтезі белгілі элементтер базасында орындалса, онда ҮИС техникасында схемотехникалық шешім синтезі интегралды орындылуға арналған құрылғының құрылымына байланысты. Унификациялау мақсатында ҮИСны белгілі бір кластың есептеуіш құрылғыларға арнайы дайындайды. Ең жоғары эффективтілікті ҮИС тұрақты құрылымдарын (регистр, санағыш, сақтау құрылғылыр т.б.) жасауда алуға болады. ҮИС схемааралық байланыстардың санын азайтуға арналған, сондықтан ҮИС функционалдық құрамын анықтағанда олардың маңызды критериі – шығыс сандары. Шығыс сандарының аз болуы – ҮИС жобалауда ең маңызды мәселелердің бірі.
Әдетте, ҮИС дайындау және жобалау толық жүйені жобалаумен байланысты болу керек. Мұнда қарастыратынымыз: функциялары бойынша жүйенің жеке схемаларға бөлінуі, минимал схема саны бойынша ҮИС анықтау, жүйенің түйіндерін сақтау, көпфункционалды схемаларды жасау үшін қажетті интеграция дәрежесін толық қолдану.
ҮИС жобалаудың басты ерекшелігі – жүйе құрылымы, ҮИС құрылымы, топологияның қолайлылы болуы, интеграция деңгейін өсіру, байланысаралық ұзындықты қысқарту, қиылысу санын азайту, паразитті байланыстарды жою, базалық техологияны өңдеу сияқты комплексті мәселелердің бір уақытта шешілуінде. Мысалы, схеманың электрлік есептеу топологиялық есептеулерінсіз мүмкін емес, ал жеке компоненттердің геометриялық өлшемлерінің қатынасы жобаланған схемаларлың электрлік параметрлері мен есептеулерінен анықталады. Әзірге ҮИС жобалаудың нақты алгоритмі жоқ. Бірақ әр кезеңнің нәтижелерін ескеріп отыру керек.
Қазіргі кезде жүйенің жеке ҮИСға бөлінуінің, ҮИС топологиясының өздңгігінен жобалануының, байланысаралық ұзындықтардың қысқаруы мен қиылысулар санының азаюының, функционалдық элементтер мен компоненттер орналасуының қолайлы әдістері жасалды.
ҮИС номенклатурасы туралы мәселе жүйе үшін тізбектей жақындау әдісін қолдануды талап етеді. ҮИС жиынтығын алудағы критерийлері - олардың саны аз және әмбебеп болуы керек. Әмбебеп болуы, бір жағынан, жүйедегі жалпы ИМС санының өсуіне алып келсе, екінші жағынан интеграция дәрежесі өскенде - схеманың логикалық мүмкіндіктерін қолдана алмауға алып келеді. Салыстырмалы түрде қарапайым жүйелерді дайындағанда стандартты интегралдық түйіндер немесе кең мақсаттағы модулдерді қолданады. Күрделі жүйелерді жобалағанда, әдетте, жоғары дәрежелі интеграциялы арнайы тапсырысты схемаларды дайындайды.
Аз көлемді ИМС болғанда, оның құны корпусы мен сборкасының құнымен анықталады. Үлкен көлемде, яғни жоғары дәреже интеграциясында, кристалл дайындау құнымен есептеледі. Осылайша, ҮИС құрылымын дайындамастан бұрын, интеграция дәрежесін немесе кристалл ауданын есептеу керек.
Схемалардың электрлік есептеуі актив және пассив компоненттерінің арасындағы негізгі қатынастарды алуға мүмкіндік береді. Ол схеманың технологиясымен тығыз байланысты болуы керек. ИМС сапасын жақсарту мен олардың электрлік параметрлерінің техникалық талаптармен сәйкес келуін, мүмкін болатын ықтималдық есеппен болжау керек. Технологиялық процестердің статистикалық мәліметтері мен есептеулер нәтижесінен алынған схеманың электрлік параметрлерін оңайлату маңызды болып табылады. Сонымен, ҮИС жобалау - есептеуде машиналық әдісті талап ететін, схемотехникалық, тополоиялық, технологиялық және құрылымдық сипаттағы комплексті мәселелерді шешу.
Шектеулер мен қиындықтары. ҮИС дайындаудың ерекшкліктері оның жобалану процесіне белгілі бір шектеулер қояды. Осылай ҮИС жылдамқозғалғыш элементтері орамының жоғары тығыздығы қорек көзіндегі қуатты есептеуді және көпдеңгейлі развдка жасауды қиындатады. Мысалы, егер ҮИС әрқайсысы қуаты 50 мВт болатын, 150 жылдамқозғалғыш ИМСдан тұратын болса, онда толық схемаға 2,5 А ток жүргізу керек, ол пленкалы өткізгіштердің аз геометриясында үлкен қиындықтар туындатады. Схемалардың жылдамқозғалғыштығы мен орналасуының үлкен тығыздығынан ондағы ток ауыстыру жылдамдығы dI/dt~(10÷20)106 А/с береді, оның әсерінен монтаждағы ескерілмейтін индуктивтіліктер қорек кернеуінің ауытқуына алып келеді.
Көпқабатты стуктура бойынша ұзақтығы наносекундты фронттар сигнал жіберуі паразитті байланыстар мен шуларды азайту мәселесімен байланысты. Бұл факторларды көпқабатты разводканы жасауда берілген жылдамқозғалғыштық пен бөгеуге қарсылықты қамтамасыз ету үшін ескеру керек.
Бұдан басқа негізгі мәселе – жылуға қарсылығы. Орам тығыздығының артуы салыстырмалы қуаттың артуына ( 20Вт/см3 дейін) алып келеді, әсіресе, жылдамқозғалғышты ҮИСда. Мұндай қуатқа қарсы арнайы салқындатқышты корпусты құрылымды жасауды талап етеді.
Жылу
алу мәселесі ҮИСға жоғары сенімділікті
қамтамасыз етумен байланысты. ҮИС
сенімділігін белгілі бір интеграция
дәрежесі өскендегі деңгейін ұстап тұру
- қиын мәселе. Мысалы, егер ҮИС 1000
элементтен тұрса, онда
интенсивтілік алу үшін әр элементтің
сенімділігі әлдеқайда жоғары болу керек
.
Интеграция дәрежесінің өсуіне байланысты ҮИС орындалатын функциялар күрделенеді. Оның салдарынан жұмыс істеу қабілеттілігі мен ҮИС тәжірбиелер жасауын бақылау қиынға түседі. Сондықтан көптеген бақылау тестері бар күрделі автоматты қондырғыны дайындауға алып келеді.
Жарамды құрылымдарының шығысы ҮИС жасауда едәуір шектеулер қояды. Технологиялық процесс сапасына талапты келесідей алуға болатыны белгілі:
PҮИС=exp(-BdS) (5.5)
Мұндағы P ҮИС - ҮИС жарамды шығыстарының проценті; B - зақымдану (поражаемость) коэффициенті; d - дефект тығыздығы; S -ҮИС алатын ауданы.
(5.5) формуласынан көргеніміздей, ҮИС жарамды шығыстар проценті аудан көбейген сайын азаяды. Бұл тәуелділікті тек деффект тығыздығын азайту арқылы ғана жақсартуға болады.
Аталған факторлардың анализі ҮИС технологиясы мен құрылымы арасындағы тығыз байланысты көрсетеді.
Жобалаудың негізгі кезеңдері. ҮИС жасауда жобаланған ҮИС келесі талаптарға сай келуіне қол жеткізуіміз керек:
Қондырғыда типтік, кең қолданылатын электрлік және логикалық функцияларды орындауы;
интеграция деңгей, функционалдық қиындық пен интегралды тығызығы мүмкіндігінше максимал болуы;
ішкі байланыстар (кіріс және шығыс) санының шектелген болуы;
разрядтардың шектелген сандары мен басқа да сипаттамаларын өзгертуге арналған ұзартуының (наращиваемость) болуы;
ИМС және басқа да микроэлектроника өнімдерімен логикалық, электрлік, құрылымдық байланысы болуы.
Бұл шарттардың орындалуына жобалау процесіне тек комплексті амалмен қол жеткізуге болады. Сондықтан ҮИС дайындау мен жобалауды толық жүйемен сәкес келуі керек. Сондықтан ҮИС жобалауда әр құрылымдық технологиялық типтің өзңндңк ерекшеліктері болады. Бірақ құрылымдық технологиялық ерекшеліктеріне қарамастан, ҮИС жобалау процесін келесі кезеңдерге бөлуге болады:
1) ҮИС функционалдық қиындығын анықтау;
2) базалық элемент типін таңдау орташа немесе кіші интеграциялы ИМС;
3) ҮИС функционалдық құрамын анықтау базалық және басқа элементтердің сапасы;
4) электрлік, технологиялық, құрылымдық есептеулер;
5) топологиялық құрылым мен байланыс жүйесін дайындау;
6) корпус жасау;
7) ҮИС функционалдығын тексеруге арналған тесттер жүйсін дайындау;
8) құрылымдық технологиялық құжаттарды дайындау.
Бұл кезеңдердің көбісі бір бірімен өзара байланысты, олардың орындалуы есептердің анализін, синтезі мен жеңілдетуін бірігіп шешуді талап етеді. Ол үшін жобалаудың автоматты әдісін қолдану керек.
ҮИС жобалаудың жүйелік комплексті сипаттамалары жалпы жобалау циклында келесі түрлерге бөлінеді: ақпараттық логикалық жобалау, схемалық жобалау, құрылымдық жобалау.
Ақпараттық логикалық жобалаудың мақсаты ҮИС құру принципін, оның фукциялау алгоритмін, әртүрлі деңгейлі бөлшектері бар схемалардың сипатын даындау болып табылады. Бұл кезеңнің нәтижесі ҮИС функционалдық құрамы мен қиындығын анықтау болып табылыды. Бұл мәселелерді шешу үшін ҮИС жүйесінің келесі бөліну әдістерін қолданады: функционалдық бөліну, параллель фрагменттерге бөлу және ҮИС арасындағы байланыстар минимизациясының критерийі бойынша бөліну.
Схемалық жобалау принципиалды электрлік схемалар мен оларды макеттеу және базалық элементті таңдау және ҮИС құруға қажетті базалық және басқа да элементтер санын анықтауға болады.
Құрылымдық жобалауға ҮИС дайындауға қажетті құрылымдық технологиялық құжаттар жасау жатады. Құрылымдық жобалау жалпы циклдағы ең күрделі болып саналады, себебі ол дайындалу технологиясымен тығыз байланысты және технологияның барлық мүмкіндіктері мен шектеулері, жарамды шығыстар процесін қосқанда, ескерілуі керек. Құрылымдық жобалауда базалық және басқа да элементтердің қолайлы орналасуы және осы элементтер арасындағы байланыс жүйелері маңызды болып табылады.
Топологияны жобалау кезеңі ҮИС жобалаудың жалпы циклындағы ең соңғы әрі күрделі кезеңі болып табылады. Ол келесі өзара байланысқан мәселелерді шешеді:
Пластинаның коорданаталар жүйесінде элементтерді схемотехникалық және құрылымдық шектеулерді ескере отырып орналастыру;
Схемаішілік байланыстарды жүргізу (трассировка);
Топологияның жалпы көрінісінен қабаттық сызбаларды сызу және фотошаблондар комплектін дайындау үшін бұрыштық нүктелер координатасының кестесін құру.
Белгілі оңайлату критерийлері бойынша байланыс трассировкасы мен элементтердің орналасуы ең күрделі болып саналады. ҮИС әр түрін дайындағанда топологиялық құрылымна оңайлату критерийін жасайды. Алайда әр ҮИС үшін жалпы оңаойлату критерийлері болады:
Схемаішілік байланыстардың суммалық ұзындығы аз (минимум) болуы;
Схемаішілік байлыныстардың қиылысу санының аз (минимум) болуы;
Схемаішілік байланыстардың конфигурациясының қарапайым болуы;
Сигнал бұрмалануының (искажение) аз болуы;
Жылуға қарсылық (отвод тепла) шартының жақсы болуы.
Оңайлату критерийі бойынша жобалаудың қиындығын және топологияны сипаттауға қажетті ақпараттардың үлкен көлемін (әр қабатта ... мың координаталық нүкте) ескере отырып, топологиялық ақпаратты өңдеуде және толық жалпы топологияны дайындауда машиналық әдіс міндетті түрде қолданылады. ҮИС топологиясын жобалаудың негізгі мәселелерінің әдістемелік шешімдері шалаөткізгішті және гибридті ҮИС үшін бірдей болып келеді. ҮИС екі типі үшін де базалық элемент ретінде негізінен құрылымдық схемалар қолданылады. Тек қарапайым элементтер негізінде (транзистор, резистор т.б.) жасалған шалаөткізгішті ҮИС жеке түрлерінде қолданылмайды.
Топологияны жобалау үшін алғашқы ақпараттар ҮИС электрлік схемасы, элементтердің кітапханалық жиынтығы, технологиялық және құрылымдық шектеулері болып табылады.
Схеманың математикалық моделі ретінде оның граф түріндегі көрінісін қолданады, ол үшін элементтердің геометриялық моделдерін енгізеді. Элеметтердің моделдерін жасаудың негізіне олардың кіріс контактілері көлемінің өзара бейімделуі жатады. Сонымен қатар трассировканы жақсартуға граф қолданылады. Ол графтың шыңдары жеке контактілік аудандарды, ал бұтақтары элементтер арасындағы байланыстарды білдіреді.
Қазіргі таңда элементтер орналасуы мен трассировкасының практикалық мәселелерін ретімен шешеді: алдымен элементтерді келесі трассировканы жеңілдететіндей етіп орналастырады, содан кейін схемаішілік байланыстарды орындайды. Элементтерді орналастыру үшін реттелген немесе қайталама (итерационный) алгоритм қолданады, ал трассировка үшін толқынды, сәулелік және маршрутты алгоритмдер қолданады.
Осындай мәселелерді шешу эффективті машиналық жобалауды, синтездің, анализдің және электр тізбектері мен құрылымдарының тиімді параметрлерінің әдістерін, жобалаудағы шығындарды азайту үшін максимал технология стандартын талап етеді. Сонымен қатар ҮИС оның дайындалу процесімен үздісіз байланысты болғандықтан, бұл екі процесс бірге орындалады. ҮИС жобалауды тек ЭВМ қолдану арқылы орындауға болады. ҮИС құру үшін оның күрделі комплексті сипаттамаларын ескере отырып, келесі шешімдерге қол жеткізуге тырысу керек:
Арзан және жылдам машиналық жобалау;
Маскалар мен фотошаблондарды автоматты түрде дайындау;
Жобалаудағы шығындарды азайту үшін ҮИС құрылымын дайындаудың технологиялық процесінің макмимал стандарттауы;
Технологиялық және шығыс бақылауының автоматизациясы.
Осылайша, ҮИС жасаудың өндірушілік процесіне нақты уақыт масштабындағы машиналық жобалауды енгізе керек.
Микроэлектронмканың дамуының жаңа кезеңінде ҮИС жобалауға арналған есептеуіш техникларын қолдану жұмыстарының комлексі жасалды. Оның негізгі бағыттары:
ҮИС топологиясы мен схемотехникасына арналған техникалық өнімдер мен программалар комплектін дайындау;
ИМС электрлік схемаларының анализі мен синтезіне арналған мәселелерді шешу;
ҮИС электрлік схемаларының анализі мен синтезіне арналған әдістер мен программалар құру;
Топологияны жобалау мен фотошаблондар дайындау мәселелеріне математикалық талдау жасау.
Бұл бағыттар бойынша жасалған жұмыстар комплексі практикада ҮИС жобалаудың автоматты жүйесін (АЖЖ) жасауға алып келді. ҮИС жобалаудың қазіргі жүйесінде бірден бірнеше ҮИС жобалауға мүмкіндік беретін программалық қондырғылар қолданылады. АЖЖ жұмысы ҮИС жобалауда логикалық моделдеу, активті элементтері мен электрлік схемаларының параметрлерін жеңілдету және есептеу, статикалық анализін алу үшін жоғары өндірілген ЭВМ қолдануға негізделген.
ҮИС жобалаудың автоматтандырылған жүйесін жасау құрастырушылардың жұмысын ондаған есе жеңілдетеді және сапалы ҮИС жобалауға мүмкіндік береді.