12.2. Матричные бис

Напомним кратко об эволюции ИС и возможностях их приме­нения.

Интегральные схемы малой степени интеграции (МИС) пред­ставляют собой логические схемы, выполняющие простейшие логические операции (И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ), триггерные схемы (триггеры, сумматоры, дешифраторы и т.п.) или схемы усилителей. По мере совершенствования технологии и соответ­ственно повышения степени интеграции стало возможным реа­лизовать функциональные блоки и узлы традиционных систем обработки и хранения дискретной информации в виде СИС. Это, однако, привело к сужению области применения СИС и увеличе­нию числа типов СИС при одновременном снижении объема про­изводства и, следовательно, к увеличению стоимости. По мере дальнейшего увеличения степени интеграции усилилось проти­воречие между универсальностью применения БИС и степенью их интеграции.

Интегральные схемы стали терять универсальность. Выходом из этой сложной ситуации явилось создание на одном кристалле микропроцессора (МП), который представляет собой универсаль­ную БИС, настраиваемую на решение различных задач путем про­граммирования подобно тому, как это делается при решении раз­личных задач на обычных ЭВМ. Более того, МП позволили создать новый класс электронных вычислительных машин –мини-ЭВМ, в том числе конструктивно на одном кристалле в виде БИС. Но при таком подходе не были решены все проблемы. Осталась необходимость в многочисленных БИС частного применения, предназначенных для преобразования информации в ограничен­ном классе РЭА.

С точки зрения разработчика РЭА ИС могут быть разделены на следующие виды: стандартные МИС, стандартные СИС, полузаказ­ные БИС, заказные БИС, СБИС и УБИС.

Любой тип РЭА может быть создан на перечисленных ИС. Очевидно, что на стандартных ИС, выпускаемых массовыми сери­ями, РЭА будет наиболее дешевой, а на СБИС и УБИС – будет об­ладать лучшими технологическими характеристиками. Конечно, реально в сложной РЭА используют почти все перечисленные ИС, что вызвано стремлением решить компромиссно вопросы стоимо­сти, надежности, быстродействия, массы, радиационной стойко­сти РЭА и др.

Наибольшим разнообразием конструктивно-технологических решений обладают полузаказные БИС.

Полузаказные (матричные) БИС в соответствии с внутренней структурой делятся на четыре типа: нескоммутированные логичес­кие матрицы (НЛМ), матрицы стандартных ячеек (МСЯ), програм­мируемые логические матрицы (ПЛМ) и аналоговые матрицы (AM). Существуют матричные БИС и других типов. Например, широко из­вестны цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) пре­образователи в интегральном исполнении. В этом случае на одном кристалле расположены цифровые и аналоговые матрицы.

Нескоммутированная логическая матрица представляет собой регулярную структуру из отдельных логических элементов или дру­гих компонентов, не соединенных между собой. Технологически процесс изготовления таких НЛМ заканчивается перед последней операцией – выполнением соединений.

НЛМ можно разделить на две группы – со средним и высоким бы­стродействием. Первая предназначена для бытовых систем и сис­тем общего назначения. Их изготовляют по технологии КМДП, И²Л, МДП и ТТЛШ. Вторая предназначена для вычислительных систем и военной техники. В основе второй группы лежит схема эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ).

Значительный прогресс в развитии матричных БИС (МаБИС) был достигнут с введением универсальной логической ячейки, содержащей минимальное число транзисторов, с помощью кото­рой можно реализовать все элементы комбинационной логики при заданном числе входов. Конечно, ее площадь превышает площадь ячеек рассмотренных ранее структур, что ограничивает степень интеграции.

Аналоговые матрицы строятся на основе биполярных и полевых транзисторов. Типовые матрицы содержат от 100 до 200 биполярных транзисторов и резисторов. В качестве стандартных элементов ис­пользуются операционные усилители, генераторы и компораторы.

Выбор конкретного типа базового матричного кристалла (БМК) определяется требованиями совместимости реализуемого уст­ройства с остальными частями микроэлектронной системы, а так­же такими характеристиками, как быстродействие, энергопотреб­ление, степень интеграции. Эти характеристики зависят от техно­логии изготовления БМК. Так, ЭСЛ-матрицы отличаются наивыс­шим быстродействием, но при этом потребляют наибольшую мощность. БМК, изготовленные по И²Л-технологии, наоборот, по­зволяют уменьшить энергопотребление, но обладают низким бы­стродействием. Промежуточное положение занимает БМК, вы­полненные с использованием ТТЛ-, ТТЛШ-, ШТЛ-технологий. Осо­бое место принадлежит КМДП БМК, сочетающим наибольшую степень интеграции и низкий уровень потребления энергии. Кро­ме того, благодаря уменьшению линейных размеров полупровод­никовых структур (длина затвора современного полевого транзи­стора может быть меньше 1 мкм) БИС на основе КМДП БМК в ряде случаев достигает быстродействия ЭСЛ-схем. Область примене­ния БИС, изготовленных по различным технологиям, в зависимо­сти от числа условных вентилей на кристалле N и времени задер­жки вентиля t приведена на рис. 12.1.

Основа МаБИС – базовый матричный кристалл (БМК) предста­вляет собой прямоугольную пластину определенного размера из монокристаллического полупроводникового материала, на которой размещена матрица нескоммутированных базовых ячеек (БЯ). Ка­ждая ячейка состоит из нескоммутированных транзисторов, дио­дов, резисторов.

В периферийной части БМК располагаются внешние контакт­ные площадки для присоединения к выводам корпуса БИС и бу­ферные ячейки (рис. 12.2). Каждая буферная ячейка 2 связана с одной внешней контактной площадкой 3 и представляет собой диодно-транзисторную структуру, на основе которой реализуютсяэлементы ввода-вывода информации. Ба­зовые ячейки на внутренней части кристал­ла, необходимые для построения логичес­ких элементов БИС, группируются в макроячейки 1. Структура макроячеек может быть различной. Чаще всего это симметри­чные группы из четырех БЯ (рис. 12.3,a) ли­бо линейка (ряды) БЯ (рис. 12.3,б-г). Между базовыми ячейками 1 в линейках могут оставаться промежутки 2 (рис. 12.3,г), используе­мые для прокладки соединений через макроячейку. Такие соедине­ния называются транзитными. Помимо однородных макроячеек во внутренней части некоторых БМК могут размещаться специализированные макроячейки, реали­зующие типовые функциональные узлы (запоминающие устройст­ва, сдвиговые и триггерные регистры, аналоговые блоки и т.п.). Об­щий вид подобного БМК приведен на рис. 12.2.

В матричных БИС электрические соединения осуществляются, как правило, с помощью металлических и поликремниевых шин. Наиболее распространены алюминиевые тонкопленочные шины