ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

110

Рисунок 5.1

Специализация БИС осуществляется путем нанесения дополнительных слоев металлизации на готовую пластину или удалением части соединений в начальном полном наборе соединений.

Для применения в качестве базовых фрагментов радиоэлементы модулей (ячеек) матричных БИС могут быть соединены в вентильные матрицы, блоки, устройства (см. рис 5.2), и специализация БИС осуществляется на уровне их внешних соединений. При использовании ячеек несоединённых радиоэлементов (см. рис. 5.1) специализация БИС осуществляется избирательными соединениями в ячейках и между ячейками, обеспечивая более полное использование площади кристаллов в расширенных функциональных приложениях.

Активными приборами вентильных матриц являются МДПструктуры, БПТ-структуры, И2Л-структуры для разнообразных

111

схемных включений (ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, одноканальных, комплементарных, функционально-интегрированных и проч.).

Рисунок 5.2

Топологические документы модулей библиотеки проектируются на основе документов базовых модулей соответствующего иерархического уровня. При этом учитываются конструктив- но-технологические ограничения и частные технические требования, обусловленные особенностями последующей трассировки электрических связей, расположением и подключением шин питания и заземления, общими для всех фрагментов рекомендациями по расположению входов и выходов.

В конструировании ИС на основе матричных кристаллов вручную используются аппликации фрагментов библиотек, выполненные в определенном масштабе на прозрачном материале. Эти аппликации размещаются на чертеже поля базового кристалла.

При автоматизированном проектировании информация о топологии функциональных элементов хранится в библиотеках базы данных ЭВМ. Топологические фрагменты обычно имеют прямоугольную форму. Для повышения плотности компоновки и упрощения процесса проектирования один или оба размера всех фрагментов выполняются кратными принятому базовому размеру модуля.

Электрическими параметрами функциональных элементов библиотечного набора являются: среднее время задержки, потребляемая мощность, абсолютная или относительная помехоустойчивость, перепад логических уровней и их абсолютные ве-

112

личины, коэффициенты объединения по входам и выходам, количество источников питания и требования к их параметрам, габаритные и присоединительные размеры ячеек (матриц). Обобщенным параметром элементной базы является фактор качества, равный произведению потребляемой мощности на среднее время задержки.

Базовые матричные кристаллы являются универсальными «кристаллами-заготовками». Для изготовления специализированных БИС на их основе (матричных БИС) проектируются и изготавливаются 1–3 заказных фотошаблона (маски), с помощью которых на заключительных технологических операциях формируются электрические связи по заданной принципиальной электрической схеме. Процесс проектирования и изготовления специализированных БИС сводится к исполнению трассировки и технологической реализации необходимых электрических соединений.

Для сравнения в таблице 5.1 приведены технико-экономи- ческие характеристики микроконтроллера, выполняемого в виде трех различных конструктивных исполнений:

–печатной платы с универсальными микросхемами средней степени интеграции (СИС);

–полузаказной БИС на основе БМК (заказ на кристаллы с массивом матричных ячеек или на микросхемы с избирательной коммутацией этих ячеек);

–заказной специализированной ИС, разработанной методом полного проектирования для рассматриваемых вариантов его исполнения.

Наглядное представление о зависимости стоимости от объема производства модулей дает рисунок 5.3. Нормирование стоимости проведено относительно стоимости печатного модуля при больших объемах производства N, когда она в основном определяется стоимостью микросхем.

Анализ данных табл. 5.1 и рис. 5.3 позволяет сделать следующие выводы:

–применение специализированных БИС (заказных и полузаказных) позволяет более чем на порядок уменьшить площадь, занимаемую модулем в аппаратуре;

114

мя проектирования модуля увеличивается в три-четыре раза;

–использование метода стандартных ячеек при проектировании заказных БИС позволяет уменьшить время и затраты на разработку, однако при этом несколько повышается стоимость БИС при больших объемах производства из-за увеличения площади кристаллов и соответственно снижения процента выхода годных кристаллов;

–устройства на БМК выгодно применять при проектировании широкого класса БИС высокого быстродействия, достигаемого благодаря минимизации длины пленочных проводников;

–логические матрицы, программируемые в условиях производства (ПЛМ), выгодно применять для изготовления небольших партий специализированных БИС, так как требуются не большие затраты на программирование при использовании специальных программаторов.

5.4.3Конструктивные параметры модулей матричных БИС

Конструкции модулей матричных БИС характеризуются следующими параметрами [14]:

–число ячеек в матрице;

–количество внешних контактных площадок Nк;

–расстояния между ячейками в строке и столбце матрицы Нх и Ну (шаги в х и у направлениях) и др.

Нарушение оптимальных соотношений между этими параметрами усложняет реализацию устройств на основе матричных БИС и влияет на эффективность их использования.

Известно соотношение между числом элементов в функциональном узле и необходимым числом внешних выводов [12]:

в котором с — среднее число задействованных выводов на модуле; r — параметр, характеризующий структуру схемы (r — наибольшее для быстродействующих логических схем параллельного типа и наименьшее для медленных последовательных логиче-

ских схем).

115

Соотношение (5.3) получено путем статистической обработки результатов разбиений схем на части при условии минимизации количества связей между узлами и является фундаментальным для оценки конструктивных параметров матричных БИС.

В матричных ячейках на биполярных приборах в линейные размеры включаются периферийные участки на границах со смежными ячейками. При многослойной металлизации и допустимых диффузионных и поликристаллических перемычках на этих периферийных участках реализуются соединения ячеек.

5.4 обозначения РВ и РГ соответствуют числу вертикальных и горизонтальных соединительных магистралей (пропускные способности ячеек). В зависимости от конструкции и принятой технологии каждая ячейка блокирует определенное число (а) магистралей в

горизонтальном и число (b) магистралей в вертикальном направлениях согласно рисунку 5.5. Если предположить, что соединяемые ячейки схемы случайным образом размещены в матрице, то имеют место с отношения [12]:

где с — среднее число задействованных выводов ячейки.

116

Минимум удельной площади S0 достигается при М = а∙N/b, при этом Нх = b∙Ну/а, а конфигурация матрицы приближается к квадрату: M∙Нх = N∙Ну. Оценки (5.4), полученные на основании предположения о случайном размещении элементов, являются завышенными, особенно при больших N. Получение более точных оценок связано с учетом структуры схем соединений и эффективности размещения ячеек.

Известна корреляция между суммарной длиной соединений размерностью задачи трассировки соединений. Для средней длины одного соединения L, измеренной в шагах ячеек, определено, что если алгоритмическое размещение элементов выполнено путем последовательного разбиения на мало связанные группы, для

каждой из которых выполняется соотношение (5.3), то верхней границей L является значение Nя r–1/2 при r > 1/2 и значение

lоg 4 Nя при r = 1/2.

Для матричных БИС с заданными значениями РВ, РГ разме-

и нижней граничной оценке площади БИС соответствует значе-

ние [12]

Sм = N2∙ (Рмср)2,

где Рмср — максимальное среднее значение пропускной способности ячеек матрицы по соединениям.

В конструкциях БИС с линейным расположением ячеек в рядах (линейчатые матричные кристаллы), с априорно не фиксированным расположением в рядах n однотипных ячеек, минимальные размеры кристалла по горизонтали (N) и вертикали (М) могут быть сокращены и по строкам и по междустрочным интервалам, обеспечивая сокращение площади кристалла до (30–50) %.

5.5 Автоматизация проектирования топологии ИМС

Проектирование топологии ИМС представляет собой процесс преобразования электрической (логической) схемы в послойную геометрическую информацию, задающую формы, взаимное расположение и взаимосвязи схемных компонентов в мно-

117

гослойной интегральной структуре (полупроводниковой или гиб- ридно-пленочной). Для осуществления этого процесса необходима информация о технологии производства ИМС, схемотехнических и теплофизических ограничениях.

Результаты проектирования топологии ИМС в виде чертежей (при ручном методе) или информации на машинном носителе (при автоматизированном методе) используются для изготовления фотошаблонов ИМС с помощъю программно-управля- емого технологического оборудования (координатографов, фотонаборной установки).

Задачи проектирования топологии БИС характеризуются высокой размерностью задач размещения элементов и трассировки соединений (десятки и даже сотни тысяч послойных конфигураций), разнообразием форм элементов и соединений, требованием минимизации площади микросхемы, необходимостью контроля всех стадий проектирования.

Среди задач проектирования топологии БИС выделяются задачи синтеза топологии и разработки фотошаблонов. К первым относятся задачи пространственного размещения элементов схемы и их соединений, ко вторым — расчет послойных чертежей фотошаблонов, контроль этих чертежей на получение соответствующих управляющих программ для изготовления фотошаблонов на специальном технологическом оборудовании.

Возможности автоматизированного решения задач синтеза топологии ИМС в большой степени определяются конструктив- но-технологическими принципами реализации схем. В соответствии с составом библиотек базовых ячеек выделяются два подхода проектирования топологии БИС (различных технологических исполнений) [14]:

–проектирование на основе набора типовых функциональных блоков в виде топологических модулей;

–проектирование на радиоэлементном уровне в тех решениях, где модули по объективным мотивам применены быть не могут.

Метод проектирования топологии БИС на основе функциональных ячеек предполагает, как отмечалось, создание библиотеки типовых ячеек, используемых при проектировании конкретной микросхемы и решения следующих задач:

118

–покрытия исходной логической схемы БИС ячейками из принятого набора;

–размещения ячеек;

–трассировки соединений ячеек.

Этот метод получил широкое распространение при разработке БИС (моно- и многокристальных), изготавливаемых небольшими сериями до 10 000 штук. Основными преимуществами метода является резкое уменьшение сроков и стоимости процесса проектирования БИС, снижение уровня ошибок и широкие возможности для автоматизации процесса синтеза топологии. Недостатком использования типовых ячеек с фиксированной топологией и высокой степенью интеграции в качестве базовых является ухудшение параметров проектируемых устройств в сравнении с достижимым уровнем при проектировании их на типовых ячейках более низкого иерархического уровня. Предельно низкими уровнями в конструктивно-функциональной иерархии ячеек является радиоэлементный или вентильный. Структурная схема процесса проектирования топологии из типовых ячеек изображена на рисунке 5.6.

Проектирование топологии ИМС на радиоэлементном уровне обеспечивает наивысшую плотность компоновки и лучшие схемотехнические характеристики микросхемы. В связи с этим данный метод применяется для ИМС, выпускаемых большими сериями (сотни тысяч штук). Сюда относятся БИС памяти, логические и аналоговые микросхемы и микросхемы массового производства (микропроцессорные БИС, БИС для микрокалькуляторов и электронных часов). При данном методе трудоемкость проектирования топологии значительно больше, чем при проектировании на типовых ячейках. Однако ввиду большой серийности выпуска она относительно мало влияет на конечную стоимость БИС.

Возможности автоматизированного решения задач синтеза топологии ИМС на радиоэлементном уровне зависят от степени «регулярности» топологии (унификации типоразмеров элементов и соединений, упорядоченности их расположения). Однако они меньше, чем при проектировании с использованием типовых ячеек. Наиболее «регулярна» топология логических МДП БИС (р- канальных, комплементарных и др.) и И2Л БИС. Для этих микросхем может быть выполнена унификация типоразмеров радио-

119

элементов (транзисторов, контактных окон, проводящих шин) и введена ортогональная сетка, упрощающая расположение компонентов на поле кристалла. Наименее «регулярна» топология линейных ИМС (биполярных и гибридно-пленочных), отличающихся разнообразием форм и размеров элементов, а также наличием одного слоя коммутации.

Рисунок 5.6