ОПКЕБ_2015_Novaya_metodichka

за счѐт разработки топологии с учетом специфики проекта микросхемы,

скоростных и критических цепей;

благодаря проведению аттестации проекта микросхемы с учѐтом факторов окружающей среды и разброса технологических параметров изготовления.

3.Применение оригинальной библиотеки элементов, учитывающей специфику БМК и ориентированной на методы бездефектного проектирования;

4.Прототипирование на имитаторах, позволяющее провести исследование и испытание микросхем в процессе их проектирования в составе реальной аппаратуры до их изготовления.

Настоящее методическое пособие ориентировано на БМК серии 5503,

которые были разработаны в 2001 году и в настоящее время производятся научно

– производственным комплексом ―Технологический центр‖ (НПК ТЦ). НПК ТЦ был организован в 1988 году как обособленное подразделение Московского института электронной техники (МИЭТ). В период с 2 по 6 марта 2010 года НПК

«Технологический центр» МИЭТ принял участие в международной выставке по информационным технологиям и телекоммуникациям CeBIT-2010 в Ганновере. В

своей экспозиции НПК «Технологический центр» МИЭТ особое внимание уделил презентации серии 5503 КМОП базовых матричных кристаллов.

На базе БМК серий 5503 и 5507 разработано и выпускается более 500 типов полузаказных микросхем, в том числе для аппаратуры космического назначения.

Например, для космических кораблей «Прогресс-М» (25 пусков), «Союз-ТМА» (18

пусков), разгонного блока «Бриз-М» (39 пусков) и других космических аппаратов.

11

2.ОПИСАНИЕ БМК

2.1.СОСТАВ СЕРИЙ БМК 5503 И 5507

Таким образом, применение БИС обеспечивает значительное уменьшение габаритов и энергопотребления, повышает надежность изделий, резко сокращает номенклатуру применяемых микросхем (одна БИС заменяет 20-500 микросхем средней степени интеграции).

Основные характеристики БМК серий 5503 и 5507, разрешенных к применению в аппаратуре специального назначения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Краткие характеристики БМК серий 5503 и 5507

Разработка: НПК "Технологический центр".

Технология: КМОП с поликремниевыми затворами, одним слоем металлизированной коммутации, с повышенной устойчивостью к внешним воздействующим факторам (ВВФ). Уровень технологии 1,5 мкм.

Конструкция: На матричном поле расположены ячейки, содержащие по 4

нескоммутированных транзистора, которые образуют один условный вентиль, и

12

каналы трассировки: вертикальные каналы (10 трасс) внутри матрицы вдоль рядов базовых ячеек и 4 периферийных канала (8-16 трасс).

Состояние: Освоены в производстве.

Категория качества: Категория «ВП».

2.2. БИБЛИОТЕКА ЭЛЕМЕНТОВ

Библиотека функциональных ячеек является основой для реализации схемотехнических решений конкретных БИС и во многом определяет качество проектирования. Для обеспечения бездефектного проектирования библиотека должна удовлетворять следующим требованиям [2,3]:

включать в свой состав все основные группы функциональных ячеек;

иметь удобную для пользователя систему обозначений;

учитывать специфические особенности БМК.

Структура библиотеки

Чем шире спектр функций, реализуемых функциональными ячейками, тем качественнее и быстрее может быть проведена разработка микросхемы. Поэтому желательно, чтобы библиотека имела возможности оперативного расширения разработчиком БИС. С дугой стороны, настройка САПР на новые функциональные ячейки – сложный и трудоемкий процесс, который выполняется разработчиками САПР и БМК. Данное противоречие в библиотеке 5503 решено ее разбиением на две структурные части:

базовые функциональные ячейки, имеющие фиксированные

топологии;

макроячейки, реализованные на базовых функциональных ячейках.

Благодаря этому состав макроячеек может расширяться, совершенствоваться и изменяться без изменения настроек САПР. Состав же базовых ячеек

13

зафиксирован. Базовые функциональные ячейки в процессе их разработки тщательно исследуются и аттестуются, после чего вводятся в состав библиотеки.

Система обозначений

Система обозначений библиотечных функциональных ячеек в первую очередь определяет удобство пользования библиотекой и эффективность труда разработчика. Можно выделить три основных типа построения системы обозначений:

по формальному принципу;

с учетом конструктивных особенностей ячеек;

по функциональному принципу.

При построении системы обозначений по формальному принципу имена библиотечных ячеек состоят из обозначения типа функциональной ячейки и ее порядкового номера. Формальная система обозначений не отражает ни конструктивных особенностей, ни выполняемых ячейками функций и поэтому не является удобной для пользователя.

В системе обозначений, построенной по конструктивному принципу, имена функциональных ячеек включают в себя обозначение типа топологической ячейки,

с которой начинается топологическая реализация функциональной ячейки,

количество использованных топологических ячеек, обозначение типа ячейки,

которой заканчивается топология, и порядковый номер функциональной ячейки с указанным топологическим размером. В данной системе обозначений в имени библиотечной ячейки кодируется ее размер и порядковый номер. Такая система обозначения облегчает разработку топологии, но совсем не удобна при проектировании электрической схемы, т.к. имя функциональной ячейки не отражает выполняемой ею функции.

Наиболее удобной является система обозначений, построенная по функциональному принципу, которая и принята в библиотеке 5503. Обозначение ячейки включает в себя выполняемую функцию, состав и значение активного

14

уровня сигналов, приоритетность входных сигналов, а также схемотехнические особенности реализации ячейки.

Учет специфики БМК

Библиотека функциональных ячеек 5503 имеет особенности, учитывающие специфику конструкции БМК серий 5503 и 5507. В первую очередь – это использование в качестве слоя разводки шин поликремния, а также конструкция базовой ячейки поля БМК и каналов трассировки. Эти особенности определяют требования, которым должны удовлетворять библиотечные функциональные ячейки.

Применение поликремния, имеющего значительное удельное сопротивление,

в качестве разводочного слоя обуславливает существенное различие в задержках распространения сигнала по поликремнию и металлу. Особенно это сказывается в триггерах с раздельным парафазным тактированием. В таких триггерах за счет разбаланса топологических задержек в цепях синхронизации может возникать нарушение синхронности парафазных сигналов, что вызывает ошибки функционирования триггера. Избежать этого можно корректной реализацией цепей синхронизации в рамках библиотечной функциональной ячейки. Поэтому в библиотеке 5503 все триггеры с записью по уровню и по фронту имеют один вход сигнала синхронизации.

Базовая ячейка поля БМК серий 5503 и 5507 представляет собой две пары комплиментарных транзисторов с объединенными затворами. Конструкция БМК позволяет создавать функциональные ячейки различного уровня сложности, в том числе имеется возможность объединения в рамках одной библиотечной функциональной ячейки нескольких независимых логических функций.

Существенным недостатком таких ячеек является следующее: при разработке электрической схемы логические функции подобных ячеек могут использоваться в несвязанных частях схемы, которые для эффективного использования трассировочных ресурсов целесообразно располагать в разных местах поля БМК.

15

Поэтому в библиотеке 5503 реализован принцип – в одной библиотечной ячейке одна логическая функция.

На качество топологии микросхемы также влияет применение многовходовых функциональных ячеек. Они вызывают локальные перегрузки в топологии БИС. Например, чтобы выполнить разводку четырехвходовой логической ячейки, к ней должны подойти четыре входные и одна выходная трасса. Это локально перегружает каналы трассировки и значительно осложняет разработку топологии. Такие функциональные ячейки, как правило, могут быть реализованы в виде составных ячеек. Например, функциональная ячейка 4И

реализуется на двух ячейках 2И_НЕ и ячейке 2ИЛИ_НЕ. При этом топологический размер составной функциональной ячейки равен топологическому размеру функциональной ячейки 4И, а локальной перегрузки топологии можно избежать благодаря возможности свободного размещения входящих в ее состав ячеек

2И_НЕ и 2ИЛИ_НЕ.

Вбиблиотеке 5503 реализованы группы функциональных ячеек,

выполняющие логические функции от двух и трех переменных, в полном объеме с учетом инверсии всех входов. Логические функциональные ячейки от четырех и более переменных реализованы как макроячейки, что позволяет при разработке топологии в каждом конкретном случае оптимально размещать на поле БМК библиотечные ячейки, входящие в их состав, и не допускать возникновения локальных перегрузок в каналах трассировки.

Следует также отметить, что в состав библиотеки входят триггеры,

ориентированные как на асинхронные, так и на синхронные методы проектирования.

Основные группы функциональных ячеек

Условные обозначения функциональных ячеек библиотеки 5503 включают в себя буквенное обозначение выполняемой функции, разрядность, состав управляющих входов и номер модификации. В соответствии с этим ячейки,

принадлежащие одной функциональной группе, имеют одинаковое обозначение

16

выполняемой функции. Система обозначений распространяется как на базовые функциональные ячейки, так и на макроячейки. В состав библиотеки 5503 входят:

инверторы;

буферы;

логические функциональные ячейки;

триггеры;

триггеры Шмитта;

периферийные ячейки и драйверы;

компараторы;

мультиплексоры;

демультиплексоры;

дешифраторы;

шифраторы;

сумматоры;

счетчики;

регистры данных;

регистры сдвига;

аналого-цифровые компараторы;

операционные усилители;

специальные функциональные ячейки.

Серии БМК 5503 и 5507 имеют единую библиотеку ячеек с универсальной системой обозначений, которая состоит из трѐх частей:

1) библиотека базовых ячеек (5503) включает в себя все основные группы логических элементов, а также периферийные элементы, обеспечивающие функции входа, выхода и вход/выхода цифровых и аналоговых сигналов,

пассивное или активное доопределение внешнего контакта. Библиотека включает в себя 287 ячеек.

2) библиотека цифро-аналоговых ячеек (5503+), включает в себя 28 ячеек,

позволяющих реализовать аналого-цифровую обработку сигналов.

17

3) библиотека специальных ячеек (5503++), которая содержит элементы,

разработанные по специфическим требованиям различных заказчиков. Данная библиотека сторонним заказчикам не предоставляется.

2.3. КОНСТРУКЦИЯ БМК серий 5503 и 5507

Серии БМК 5503 и 5507 изготавливаются по КМОП-технологии (1.5 мкм),

отличаются друг от друга числом внешних выводов, размером поля БМК и напряжением питания. Их условно можно подразделить на младшие БМК

(5503ХМ1, ... 5503ХМ5; 5507БЦ1У,...5507БЦ5У) и старшие БМК (5503БЦ7У и

5507БЦ7У).

Конструкция младших БМК отличается от конструкции старших разводкой силовых шин ЗЕМЛЯ, ПИТАНИЕ и пропускной способностью периферийных трассировочных каналов. Младшие БМК имеют по одному контакту ЗЕМЛЯ и ПИТАНИЕ сверху и снизу соответственно. Общий вид разводки шин земли и питания, а также расположение внешних контактов младших БМК представлены на рис. 3, 4 и 5.

Рис. 3. Топология шин ЗЕМЛЯ, ПИТАНИЕ и расположение внешних контактов БМК 5503ХМ1 и 5507БЦ1У. Контакт 14 - внешний контакт шины ЗЕМЛЯ. Контакт 28 - внешний контакт шины ПИТАНИЕ.

18

Рис. 4. Топология шин ЗЕМЛЯ, ПИТАНИЕ и расположение внешних контактов БМК 5503ХМ2 и 5507БЦ2У. Контакт 21 - внешний контакт шины ЗЕМЛЯ. Контакт 42 - внешний контакт шины ПИТАНИЕ.

Рис. 5. Топология шин ЗЕМЛЯ, ПИТАНИЕ и расположение внешних контактов БМК 5503ХМ3 и 5507БЦ3У. Контакт 32 - внешний контакт шины ЗЕМЛЯ. Контакт 64 - внешний контакт шины ПИТАНИЕ.

19

Старшие БМК имеют два контакта ЗЕМЛЯ справа и слева и два контакта ПИТАНИЕ сверху и снизу. Общий вид разводки шин земли и питания, а также расположение внешних контактов старших БМК представлены на рис. 6 на примере БМК 5503ХМ5 и 5507БЦ5У.

Рис.6. Топология шин ЗЕМЛЯ, ПИТАНИЕ и расположение внешних контактов БМК 5503ХМ5 и 5507БЦ5У. Контакты 16 и 48 - внешние контакты шин ЗЕМЛЯ. Контакты 32 и 64 - внешние контакты шин ПИТАНИЕ.

Ширина обводных шин земли и питания составляет 60 мкм, верхняя и нижняя шина в поле - 38 мкм. Ширина разводки шин земли и питания в ячейках поля БМК составляет 8 мкм.

20