2.3.1 Сравнение обобщенных параметров цифровых микросхем
Основными параметрами, позволяющими производить сравнение базовых ЛЭ различных серий, являются время задержки распространения сигнала tр, потребляемая ЛЭ мощность Рсс и работа переключения — произведение потребляемой мощности на время задержки A=Pcctp (рис. 2.23).
Рис..2.23 - Зависимость времени задержки распространения сигнала от мощности потребления для различных технологий
Работа переключения обычно выражается в пикоджоулях, если мощность потребления — в милливаттах, а задержка распространения сигнала — в наносекундах. При сравнении базовых ЛЭ чаще всего используют типовые значения параметров. По величине работы переключения и числу ЛЭ на кристалле можно судить об уровне развития технологии и схемотехники цифровых микросхем.
Таблица 2.2 - Сравнение различных серий микросхем, выпускаемых отечественной промышленностью
Сравнение различных серий, выпускаемых отечественной промышленностью (табл. 2.2), показывает, что наименьшая работа переключения для биполярной технологии достигнута на ИМС КР1533, а для КМОП -технологии – на KP1554. Еще более впечатляющие результаты получены с использованием арсенида галлия — ИМС К6500.
Использование диодов Шотки и усовершенствованного технологического процесса, в том числе применение изопланарной технологии, позволило уменьшить потребляемую мощность и времена задержек и создать маломощные (533, К555, КР1533) и быстродействующие (530, КР531, КР1531) ТТЛШ ИМС.
Дальнейшее усовершенствование КМОП -технологии, создание транзисторов с длиной канала 1,2 мкм позволило разработать новую микромощную серию ИС КР1554 с быстродействием до 125 МГц, аналогичным для быстродействующих биполярных ТТЛШ ИМС. Однако малая потребляемая мощность таких схем характерна на частотах до 10...30 МГц. С увеличением рабочей частоты переключения КМОП ИМС растет динамическая потребляемая мощность. На частотах свыше 10 МГц мощность потребления возрастает и становится соизмеримой с мощностью потребления ТТЛШ ИМС.
Наибольшее быстродействие в биполярных схемах на кремнии достигнуто на ЛЭ ЭСЛ -типа, однако работа переключения таких микросхем довольно велика из-за большой мощности потребления. Минимальное время задержки, полученное в ЭСЛ ИМС (К1500), составляет 0,7 нс/ЛЭ при мощности потребления 40 мВт .
Рисунок 2.24 - Зависимость динамической потребляемой мощности от частоты для ТТЛШ и КМОП ИМС
Сверхвысокое быстродействие при малой мощности потребления удалось достичь в микросхемах на арсениде галлия. Работа переключения ЛЭ таких схем составляет десятые доли пикоджоуля при быстродействии 100...150 пс.
Снижение работы переключения цифровых микросхем различных схемотехнических решений за последнее десятилетие составило несколько порядков. Дальнейшее ее уменьшение связано с технологическими ограничениями (минимальными размерами элементов, глубинами залегания переходов и т. д.).
Минимальные топологические размеры, реализованные в микросхемах, близки к предельно достижимым значениям, поэтому дальнейший прогресс в микроэлектронике возможен в результате использования новых полупроводниковых материалов со значительно большей подвижностью носителей заряда. Такими перспективными материалами являются арсенид галлия GaAs, фосфид индияInР и др. Реально ограничения работы переключения обусловлены физическими процессами в транзисторах и основными свойствами, полупроводникового материала.