9.5.Базовые матричные кристаллы (вентильные матрицы с масочным программированием)

Первые образцы базовых матричных кристаллов (БМК) появились в 1975 году как экономически оправданное средство реализации нестандартных схем быстродействующих ЭВМ без применения микросхем малого и среднего уровней интеграции.

Стоимость проектирования БИС/СБИС велика и достигает десятков и даже сотен миллионов долларов. Ясно, что производство СБИС становится рентабельным только при достаточно большом объеме их потребления, чего нет при разработке нестандартных частей конкретных систем. Выход был найден на путях разработки СБИС, функционирование которых может быть приспособлено к решению той или иной задачи на заключительных этапах их производства. При этом полуфабрикаты производятся в массовом количестве без ориентации на конкретного заказчика. Придание полуфабрикатам индивидуального характера лишь на заключительных стадиях производства БИС/СБИС обходится значительно дешевле и требует значительно меньшего времени на проектирование. Такие БИС/СБИ называются полузаказными в отличие от полностью заказных.

9.5.1. Основные понятия и определения

Необходимо уточнить терминологию. Термин БМК характерен для литературы на русском языке. В английской терминологии принят термин GA (GateArray), чему соответствует русский термин – вентильная матрица. В учебном пособии [13], рекомендованном для студентов направления 552800 “Информатика и вычислительная техника” и специальности 220100 “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети” используются оба термина, хотя отмечается предпочтительность термина “вентильная матрица”.

До описания БМК рассмотрим основные понятия и определения, связанные с БМК.

Базовая ячейка (БЯ) – некоторый набор схемных элементов, регулярно повторяющийся на определенной площади кристалла. Этот набор может состоять из некоммутированных элементов, а также из частично скоммутированных. Базовые ячейки внутренней области БМК именуются матричными базовыми ячейками (МБЯ), ячейки периферийной зоны – периферийными базовыми ячейками (ПБЯ). Применяются два способа организации ячеек БМК:

1. из элементов МБЯ может быть сформирован один логический элемент, а для реализации более сложных функций используются несколько ячеек;

2. из элементов МБЯ может быть сформирован любой функциональный узел, а состав элементов ячейки определяется схемой самого сложного узла.

Функциональная ячейка (ФЯ) – функционально законченная схема, реализуемая путем соединения элементов в пределах одной или нескольких БЯ.

Библиотека функциональных ячеек – совокупность ФЯ, используемых при проектировании полузаказной БИС. Эта библиотека создается при разработке БМК и избавляет проектировщика полузаказной БИС от работы по созданию на кристалле тех или иных типовых систем, так как предоставляет готовые решения. Библиотека содержит большое число (сотни) функциональных элементов, узлов и их частей. Пользуясь библиотекой, проектировщик реализует схемы, работоспособность которых уже проверена, а параметры известны. Работая с библиотекой, проектировщик ведет проектирование на функционально-логическом уровне, поскольку проблемы схемотехнического уровня уже решены при создании библиотеки. Библиотечные элементы имеют различную сложность (логические элементы, триггеры, более сложные узлы). В состав библиотечного элемента могут входить одна или несколько БЯ. Площадь библиотечного элемента кратна площади БЯ. При проектировании полузаказной БИС функциональная схема изготавливаемого устройства, как принято говорить, должна быть покрыта элементами библиотеки.

Эквивалентный вентиль – группа элементов БМК, соответствующая возможности реализации логической функции вентиля (обычно это двухвходовый элемент И-НЕ либо ИЛИ-НЕ). Понятие «эквивалентный вентиль» предназначено для оценки логической сложности БМК.

Каналы трассировки – пути на БМК для возможного размещения межсоединений.

Трассировочная способность БМК определяется, прежде всего, площадью, отводимой для межэлементных связей. Учитывается также число слоев межсоединений. Недостаточная трассировочная способность приводит к уменьшению числа задействованных при построении полузаказной БИС БЯ. Избыточная трассировочная способность ведет к нерациональному использованию площади кристалла, что понижает уровень интеграции БМК и повышает его стоимость. Примерно то же можно сказать и о числе внешних выводов БМК. При проектировании БМК требуемые трассировочная способность и число внешних выводов рассчитываются по эмпирическим формулам, основанным на статистических данных, полученных из опыта построения систем различного назначения. Эта работа выполняется производителем БМК и не входит в компетенцию схемотехника-разработчика аппаратуры. Схемотехник-потребитель БМК должен иметь представление о существующих БМК, их разновидностях и особенностях, а также о средствах и методике разработки полузаказных СБИС.