книги / Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах

становится неэффективной. Большая ширина каналов V T 2 и V T 4 способствует уменьшению времени переключения в стоковых цепях транзисторов, однако входные емкости транзисторов оказываются разными, и это влияет на кас­ кадное быстродействие цепей логических элементов. Одна логическая ячейка имеет небольшие функциональные воз­ можности. На ее основе можно реализовать функции 2И—

большие библиотеки логических функций. В матрице могут быть и изолированные друг от друга ячейки с разделенны­ ми общими шинами и шинами питания. Сочетая их с ячей­ ками, привязанными к шинам, удается значительно расши­ рить функциональные возможности таких соединений.

Ячейка логической матрицы фирмы IMI [90] состоит из двух групп по пять п- и р-канальных транзисторов. Каж­ дая группа представляет собой соединение двух и трех последовательно соединенных транзисторов. Рост числа тран­ зисторов в ячейке расширяет их функциональные возмож­ ности, но при этом возможно уменьшение числа задейство­ ванных транзисторов для выполнения тех или иных функ­ ций. Одной из тенденций развития логических матриц яв­ ляется включение в состав кристалла специализированных ячеек, представляющих собой функционально закончен­ ные цифровые и аналоговые элементы [98]. Причем пло­ щадь, занимаемая специализированными элементами, ока­ зывается вдвое меньше площади, занимаемой теми же эле­ ментами, реализованными на логических ячейках. Вопросы создания библиотек и разработки макроэлементов для ло­ гических матриц будут рассмотрены ниже, так как это является самостоятельной проблемой.

Процесс создания матричной БИС начинается с деком­ позиции функционально-логической схемы устройства и вы­ деления таких его частей, которые будут изготовляться в виде БИС. Существуют формальные методы разбиения функ­ ционально-логических схем на составные части, однако они используются редко. Чаще всего такое деление осуществляет­ ся эвристически. При этом разработчик аппаратуры стре­ мится минимизировать число типов микросхем, по возмож­ ности сделать их функционально законченными, миними­ зировать число входов и выходов. После декомпозиции схе­ мы устройства необходимо покрыть ее элементами из схемотехнической библиотеки. При этом критерием качест­ ва является обеспечение требуемых электрических х аракте*

рйстик при минимальном числе используемых ячеек. Предварительный функционально-логический проект завер­ шается логическим моделированием устройства, формирова­ нием временной диаграммы, определением набора тестовых последовательностей для контроля работоспособности уст­ ройства и технических норм на электрические параметры БИС. Затем осуществляется подготовка информации для программ автоматического размещения элементов и трас­ сировки соединений между ними в БИС. Если такая про­ грамма отсутствует, то размещение и трассировка выполня­ ются вручную. В этом случае для сокращения сроков про­ ектирования используют макроэлементы и их графическое представление в виде масштабированных ЛЭ. Такие изо­ бражения элементов изготовляют в виде наклеек [99], ко­ торые компонуются в нужной для разработчика последова­ тельности и размещаются на специально расчерченном рабочем поле, на котором также изображены каналы для проведения трасс соединений. При ручном проектировании конструкции БИС матрица обычно специализируется с по­ мощью одного слоя металлизации, который определяет как схему внутренних соединений в ячейках, так и схему соединений между элементами в БИС.

Следует отметить, что создание программ размещения и трассировки соединений в БИС является сложной задачей. В отличие от трассировки и размещения элементов на пе­ чатных платах в БИС нужно учитывать микротопологию элементов, физические свойства и разные КТПН для слоев трассировки, ограниченную пропускную способность ка­ налов, следует также стремиться к оптимизации БИС по числу используемых ячеек в логической матрице. Поэтому дальнейшее развитие метода проектирования БИС на логи­ ческих матрицах, по-видимому, станет невозможным без программ размещения и трассировки. Использование такой программы не ограничивается только конструирова­ нием БИС. Результаты ее работы влияют и на функцио­ нально-логическую схему и на электрические характеристи­ ки БИС. Действительно, в начале проектирования неиз­ вестны длины трасс соединений между элементами, нагру­ зочные и паразитные емкости во всех точках схемы. Све­ дения о средней длине трассы позволяют учесть ее емкость только в среднем, в то время как в БИС каждый элемент работает в специфических условиях и нагружен на вполне определенную емкость. Если такая проблема для биполяр­ ных схем пока не является актуальной, так как ток, проте­ кающий через элемент, может регулироваться резистором,

то для схем на МДП-транзисторах она оказывается cyujècîвенной, так как затрагивает микротопологию элементов и их схемотехнику. Очевидно, в зависимости от емкости нагрузки должны использоваться элементы с разными быстродейст­ вием и током в выходной цепи. Следовательно, после соз­ дания функционально-логической схемы, покрытия ее эле­ ментами библиотеки, размещения и трассировки соедине­ ний может потребоваться изменение как функционально-ло­ гической схемы (если не удовлетворяются требования тех­ нического задания), так и принципиальной: заменить одни элементы другими, обеспечив работу на заданную емкост­ ную нагрузку. Эти операции по введению изменений в ис­ ходную схему целесообразно выполнять также на основе автоматизированного анализа быстродействия в логических цепях цифрового устройства, ибо, как показывает опыт, следует вносить изменения не только в принципиальные схемы тех элементов, которые непосредственно нагружены на большие емкости, но и ряда предшествующих каскадов.

Для повышения качества логического моделирования исходными следует принять реальные характеристики эле­ ментов. Поэтому для каждого элемента библиотек и долж­ ны быть определены зависимости их динамических харак­ теристик от емкости нагрузки и напряжения питания. Таким образом, методы логического моделирования долж­ ны позволять проверить не только функционирование ло­ гического устройства, но правильность временных соотно­ шений в нем. Последняя задача может быть решена и с помощью программ электрического анализа на основе мак­ ромоделей ЛЭ.

Проектирование матричных БИС ведется, как правило, в интерактивном режиме, с применением ряда программ, позволяющих выполнять операции в автоматическом ре­ жиме [100, 103, 105, 106].

Большие проблемы возникают при контроле правиль­ ности результатов проектирования. При ручном проектиро­ вании это в первую очередь относится к контролю соблю­ дения КТПН. Исключить контроль на всех этапах (при соз­ дании функционально-логической, принципиальной схем, топологии и т. д.) можно, если проектирование будет осно­ вано на синтезе технических решений. В этом случае все естественные ограничения, которые требуют вмешательст­ ва человека и сопровождаются ошибками, будут использо­ ваться в качестве исходных данных для программ автомати­ зированного синтеза. Например, КТПН будут соблюдены,

если ширина трасс и расстояния между ними будут учтены при выполнении автоматической трассировки соединений.

Сам процесс проектирования является творческим. Ре­ зультаты проектирования зависят от функций, структуры схемы (регулярная или нерегулярная), последовательности выполнения отдельных операций. При автоматизирован­ ном проектировании [106] каждая операция связана с вы­ полнением отдельных макрокоманд. Последовательность применения макрокоманд создает стратегию проектирова­ ния, Набор наиболее оправдавших себя стратегий со­ ставляет библиотеку стратегий, которая может исполь­ зоваться в процессе проектирования новых схем, что обес­ печит непрерывную автоматизацию процесса проектиро­ вания. Таким образом, стретегия применения стратегий проектирования является важной научной проблемой при массовом изготовлении БИС на основе нескоммутированных логических матриц.

6.3. Взаимодействие заказчика и исполнителя

впроцессе проектирования и производства БИС на логических матрицах

Разработчик аппаратуры с использованием БИС выступает обычно в качестве заказчика микросхем определенной номенкла­ туры, а изготовитель полупроводниковых приборов — в качестве исполнителя. Даже в том случае, когда аппаратура и БИС создаются на одном предприятии, такое деление на заказчика и исполнителя сохраняется между непосредственными исполнителями—разработ­ чиками аппаратуры и разработчиками элементной базы. Такое деле­ ние обусловлено тем, что каждый участник разработки выполняет свои специфические функции. Нужно отметить, что метод проектиро­ вания на основе логических матриц призван взаимно обогатить знаниями как заказчика, так и исполнителя. Заказчик вынужден вникать в суть технологических и конструкторских проблем, испол­ нитель — в суть проблем логического проектирования. Заказчик заинтересован получить БИС, выполняющую заданную функцию, не участвуя в процессе проектирования, исполнитель — в прове­ дении только технологического процесса на основе тех фотошабло­ нов, которые для него разрабатывает заказчик.

Реально процесс проектирования носит итерационный харак­ тер и в нем участвуют как заказчик, так и исполнитель [103]. Заказ­ чик ставит цель разработки, формулирует требования технического задания, требования к элементной базе, которая позволит полу­ чить требуемые характеристики БИС, выбирает исполнителя, го­ тового осуществить изготовление БИС. Как правило, исполнитель располагает не только технологией изготовления микросхем, но и средствами и технологией их проектирования. Уровень взаимодей­ ствия, с которого начинается совместная работа заказчика и испол­ нителя над проектом, зависит от степени совершенства и уровня автоматизации системы проектирования. Как правило, исполнитель предпочитает начинать разработку с готовой функциональио-логи-

ческой схемы. Поэтому заказчику предоставляются сведения об обес­ печенности процесса проектирования автоматизированными сред­ ствами, способе подготовки исходных данных, условиях взаимо­ действия при использовании технических средств, структуре и номенклатуре библиотеки элементов, их характеристиках, структу­ ре ячейки матрицы и микротопологии элементов. Вообще говоря, последняя информация является избыточной. Она предоставляется в том случае, если в процессе проектирования допускается пополне­ ние и изменение библиотеки элементов, т. е. создание функционально ориентированной библиотеки для данного заказчика.

На основе полученной информации заказчик создает функцио­ нально-логический проект комплекта матричных БИС. При этом решаются системные вопросы выбора структуры и способа реали­ зации устройства: способ сборки устройства на микросхемах, опре­ деление номенклатуры микросхем и разбиение устройства на кристаллы, определение нагрузочной способности каждой БИС по каждому выходу исходя из метода сборки устройства, допустимых входных емкостей и входных токов по каждому входу каждой БИС. Составляется временная диаграмма и определяются ее параметры, предъявляются требования по быстродействию к каждой цепи, сое­ диняющей вход и выход каждой микросхемы, моделируется ло­ гика работы микросхем и устройства в целом, разрабатывается система функциональных тестов и определяется объем контроля, разрабатываются средства для входного контроля готовой продук­ ции. Приведенный перечень работ проводится для функционально­ логического проекта, представленного вэлементах библиотечного на­ бора. Так как номенклатура библиотеки обычно велика, тщатель­ ная работа по созданию функционально-логической схемы позволя­ ет на этапе ее разработки оптимизировать быстродействие, потреб­ ляемую мощность, площадь будущей БИС. При создании проекта необходимо предусмотреть доступ к внутренним точкам схемы для контроля правильности функционирования отдельных узлов после изготовления. Проектирование завершается оценкой возможности размещения схемы и выбором (по степени интеграции) матрицы для реализации БИС. В процессе проектирования у заказчика может возникнуть потребность в разработке новых библиотечных элементов и ее пополнения. Поэтому средства проектирования исполнителя должны предусматривать возможность пополнения библиотеки.

После получения функционально-логического проекта испол­ нитель изучает схему, проводит моделирование, контролирует тесты, оценивает объем контрольно-измерительных испытаний, выявляет ошибки, вносит изменения в проект, производит пред­ варительные размещение и трассировку соединений и дает заклю­ чение о возможности реализовать набор БИС при существующем технологическом цикле. На этом этапе работы заказчик и испол­ нитель тесно взаимодействуют, ибо коррекции, которые вносит испол­ нитель, направлены на создание действительно работоспособных микросхем. Заказчик, как правило, не зная особенностей техноло­ гии, конкретного варианта размещения и трассировки, не может

свысокой точностью предсказать характеристики каждого вентиля,

аименно они определяют на практике работоспособность БИС в целом.

Врезультате итерационного процесса уточняется функцио­ нальная и электрическая схемы, компоновка кристалла и его ха­ рактеристики. Таким образом, изготовителю приходится до не­ которой степени дублировать работу заказчика. Однако это про­ цесс доработки готового варианта, а не разработка нового проекта,

Поэтому в данном случае изготовитель приобретает дополнительный опыт в функционально-логическом проектировании и делится опы­ том с заказчиком в схемотехническом и топологическом проектиро­ вании. Затем — окончательные размещение и трассировка, созда­ ние переменных фотошаблонов. Следующий уровень взаимодействия заказчика и исполнителя — утверждение опытных образцов, уточ­ нение требований к схемам, необходимые корректировки и изго­ товление матричных БИС.

Отметим одну особенность взаимодействия заказчика и испол­ нителя, которая заключается в ограниченной ответственности каж­ дой стороны за правильность проектирования и в общей цели — наиболее простым и экономичным способом создать необходимую номенклатуру матричных БИС для реализации цифрового устрой­ ства.

6.4. Библиотека элементов для проектирования матричных БИС и ее формирование

Методы определения числа компонентов в ячейках ’логических матриц. Разработка конструкции ячейки матричной БИС и форми­ рование библиотеки элементов — взаимосвязанные задачи, хотя каждая из них может решаться независимо. При реализации схем

сиспользованием ячейки с заданными топологией (конструкцией)

ичислом компонентов решается задача наиболее эффективного ис­ пользования возможностей, предоставляемых ячейкой, в формирова­ нии библиотеки элементов и библиотеки их специализаций (соеди­ нений компонентов, реализующих функции). При заданном наборе функций или структуре цифровых устройств решается задача опре­ деления функций, выполняемых ячейками, или набора компонентов

вячейках, обеспечивающих оптимальную реализацию проектируе­ мых цифровых устройств [95].

Каждый библиотечный элемент характеризуется коэффициен­

том использования компонентов выбранной ячейки

Ки = Л^ти/Л^тя*

где ДОТИ — число транзисторов ячейки, использованных для вы­ полнения функций; ЛЛгя — общее число транзисторов в ячейке* Очевидно, если для реализации цифровой схемы требуется Na ячеек, то

/Си = (ЛГТИ/ЛГТЯ) Na.

Более сложная задача решается при выборе числа компонентов в ячейке. В [95] предложена методика решения такой задачи. Сущ­ ность методики заключается в том, что набор компонентов определя­ ется таким образом, чтобы на них можно было реализовать несколь­ ко функций. Определяется класс устройств, которые предполага­ ется реализовать в виде матричных БИС, и осуществляется перевод заданного класса устройств в функциональный базис каждого ва­ рианта ячейки или каждого набора ячеек. При этом определяются суммарные затраты площади, среднее время задержки на каскад, мощность, потребляемая БИС. Все это проделывается для разных схемотехнических базисов [97], что позволяет определить не только функции ячейки, но и технологическое направление реализации матричной БИС. Для уменьшения затрат времени на поиск оптималь­ ных в функциональном отношении наборов ячеек предварительно

Сами Межсоединений. На основе приведенных в [95] результатов моэкно сделать вывод о том, что все показатели матричных БИС улучша­ ются, если использовать в ячейке набор компонентов, соответству­ ющий трем-четырем ЛЭ, выполняющим функции

F = ( Х х + Х 2 + Х 3) (Х 4 + Х б + Х с),

F = ( Х г + Х 2 + Х 3 + X, ) (Х б + Х в + Х , + Х 8)

и обладающим прямым и инверсным выходами. Следует отметить, что в качестве кандидатов рассматривались в основном элементы ИЛИ—НЕ и ИЛИ—И—НЕ; начиная с элементов, число входных логических переменных которых равнялось трем-четырем, сравни­ ваемые характеристики цифровых БИС отличались незначительно. С ростом числа элементов в ячейке уменьшается площадь под внеш­ нюю трассировку соединений. Это объясняется, по-видимому, тем, что в таких ячейках можно реализовать достаточно сложные схемы, так как число компонентов в них позволяет создавать рязряды регистров, счетчиков, сумматоров и других функционально закон­ ченных схем. Тем не менее средняя задержка на каскад и потребляе­ мая мощность слабо изменяются с увеличением числа компонентов в ячейке. Заметим, что все результаты, приведенные в [95], относятся к схемам на биполярных транзисторах — к многоуровневым схемам эмиттерно-связанной логики. Однако тенденция развития ячеек логических матриц, направленная на увеличение числа компонен­ тов [100], характерна и для схемотехнического КМДП-базиса. Например, в [98] описана ячейка, содержащая 20 транзисторов (Юл- и 10 p-типа), которых достаточно, чтобы реализовать masterslave триггер, являющийся основой регистровых схем.

На выбор числа компонентов в ячейке влияют и ограничения, связанные с технологическим процессом изготовления. Так, мак­ симальное число сигналов, объединяемых по И в МДП-схемах, из­ готовляемых по объемной технологии, не должно превышать трех­ четырех, в противном случае быстродействие таких элементов оказывается ниже, чем при двухкаскадной реализации тех же функций. Поэтому, как видно из табл. 6.2, соответствующей КМДП-схемам, логические функции содержат не более трех переменных, объеди­ ненных по И и ИЛИ*

Требования, предъявляемые к библиотеке элементов. Библио­ тека элементов для проектирования матричных БИС может состоять из одного ЛЭ (например, как это было в первых логических матри­ цах, из элемента ЗИ—НЕ), может быть определена из личного опыта разработчика, состоять из схем малой и средней степени интеграции, соответствующих какой-либо серии или сериям микросхем (напри­ мер, К164, К176, К564 — сериям схем на КМДП-транзисторах); может быть синтезирована на основе методов, изложенных в пре­ дыдущих главах; может состоять из постоянной части, определенной каким-либо способом, и переменной, зависящей от специфических свойств проектируемых БИС. Возможны и другие подходы к фор­ мированию библиотеки. Библиотека в значительной степени форми­ руется эвристически с использованием тех элементов и функций, которыми привыкли оперировать разработчики функционально-ло­ гических схем, на основе ИС малой и средней степени интеграции.

Отличие разработки матричных БИС от разработки аппарату­ ры на микросхемах малой и средней степени интеграции заключа­ ется в том, что при создании БИС не требуется изготовлять отдельно каждый элемент, так как они входят в состав библиотеки и ими мож-

но воспользоваться при разработке схемотехники БИС. Эти элемен­ ты существуют в виде принципиальной схемы и конструкции-топо­ логии, а не в виде готового к использованию корпуса интегральной микросхемы. Поэтому номенклатура библиотечных элементов может быть гораздо богаче номенклатуры схем, входящих в ту или иную серию*

Со схемотехнической точки зрения библиотека элементов долж­ на позволять:

согласовывать матричную БИС со схемами других серий и типов, на которых строится аппаратура;

обеспечивать работу выходных цепей на заданную внешнюю ем­ костную нагрузку и магистрали;

обеспечивать работу на внутреннюю емкостную нагрузку без ухудшения среднего быстродействия;

осуществлять синхронизацию и стробирование работы элемен­ тов и цепей обработки информации;

контролировать работоспособность отдельных узлов внутри БИС;

обеспечивать защиту цепей от помех по входу, общей шине и шине питания;

изменять некоторые электрические параметры элементов на кристалле.

Библиотечный набор элементов должен обладать логической, электрической и конструктивной гибкостью. Логическая гибкость библиотеки обеспечивается использованием:

прямых и инверсных сигналов; большого числа модификаций элементов и схем, выполняющих

одинаковые функции и отличающихся числом информационных и управляющих сигналов, числом транзисторов, структурой и харак­ теристиками;

схем, расширяющих логические возможности элементов по входу и выходу;

цепей управления, установки, стробирования, восстановления уровней.

Логическая гибкость библиотеки обусловлена тем, что она включает большое число различных по своим функциям элементов и схем и является иерархически упорядоченной. Упорядоченность заключается в том, что она содержит отдельные компоненты и их соединения, макроэлементы, выполняющие макрофункции, с неогра­ ниченным или ограниченным числом уровней вложения. Ис­ пользование макроэлементов, выполняющих макрофункции, — это способ эквивалентного представления сложных комбинационных Схем, схем автоматов и их соединений через более простые схемы, которые входят в библиотеку. Макроэлементы и макрофункции

являются удобным средством разработки функционально-логичес­ кой схемы устройства и последовательного многоуровневого перехо­ да от нее к принципиальной схеме и топологии отдельных элемен­ тов в ячейках логической матрицы.

Однозначного определения макроэлемента нет, так как они могут быть образованы на каждом уровне представления и разра­ ботки схемы. Отличительная особенность макроэлементов в том, что они мог>т быть разработаны как функционально, конструктив­ но и схемотехнически законченные элементы или составлены из элементов более низкого уровня. В качестве макроэлементов в библиотеку могут входить функционально законченные узлы: мно­ горазрядные сумматоры, регистры, счетчики, дешифраторы, ариф-