 |
Базовые матричные кристаллы
|
|
|
|
Базовые матричные кристаллы (БМК) или, как их называют за рубежом, вентильные матрицы (gate arrays) являются примерами больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).
Можно выделить три пути реализации интегральных СБИС:
- производство стандартных универсальных схем;
- проектирование специализированных схем по индивидуальному заказу;
- изготовление унифицированных полузаказных схем, программируемых на последней стадии производства по заказу конкретного потребителя.
Вентильные матрицы БМК относят к третьему направлению.
Базовый матричный кристалл содержит сотни и тысячи не соединенных между собой вентилей. Их коммутация в конкретную схему осуществляется персонально для каждого потребителя, на небольших предприятиях – "кремниевых мастерских". Такие схемы называются многофункциональными (один и тот же БМК реализует различные алгоритмы). При большом объеме производства они дешевле, чем специализированные СБИС. Кроме того, здесь решена проблема минимального числа выводов из корпуса микросхемы. Все необходимые соединения осуществляются внутри корпуса ИМС и к наружным выводам присоединены только необходимые участки схемы: питание, входные, выходные и управляющие цепи.
Хотя за рубежом такие схемы называются вентильными матрицами, но этот термин не всегда соответствует действительности. Внутри матрицы в качестве базовых ячеек могут быть не обязательно вентили, но и любые другие цифровые и логические устройства и схемы. В общем случае, базовая ячейка БМК – это набор из нескольких (двух-трех пар) комплементарных транзисторов, которые соединяются, затем, в схему нужного вентиля.
На рисуноке 4.86 в виде матрицы изображены базовые ячейки (БЯ) с проведенными между ними трассами вертикальных и горизонтальных соединений.
|
|
|
Существенно то, что связи между элементами занимают такое же пространство площади кристалла, как и сами базовые ячейки.
В теории матричных БИС важным параметром является степенной показатель Рента. Он находится в пределах от 0 до 1 и определяет зависимость числа выводов интегральной схемы от степени ее интеграции (рисунок 4.87).
Рис.4.86. Топология заготовки кристалла матричной СБИС
где:
а – расстояние между базовыми ячейками;
dr – шаг трассированных соединений;
tx,ty – ширина трассы;
Тх,Ту – общее количество трасс;
Lkp – линейный размер кристалла.
Рис.4.87. Зависимость числа выводов от числа элементов
для СБИС и для типовых модулей
где:
m – это (р = 2/3);
k – это (р = 1/2)
Здесь представлена область характеристик расположенных между значениями р = 2/3 и р = 1/2 для отечественных БМК (▲) и зарубежных (●). Для сравнения отметим, что подобные семейства характеристик для панелей и типовых элементов замены (ТЭЗ) ЕС ЭВМ находятся в той же области, т.е. подтверждают фундаментальность степенного соотношения Рента.
4.18.1. Конструкция БМК
Рассмотрим особенности конструкции отечественных базовых матричных кристаллов типа И-300. Кристалл размером 5.1 х 5.3 мм размещен в корпусе со 108 планарными выводами с четырех сторон корпуса. Каждая базовая ячейка БЯ содержит 4 одинаковых фрагмента из 17 транзисторов и 10 резисторов. Базовый матричный кристалл является многослойной интегральной схемой. Связи внутри базовых ячеек выполнены в первой слое (нижнем), а соединения между ячейками – в двух верхних слоях. Для сложных схем при необходимости делают 3-й слой соединений, при этом во втором слое проводят только горизонтальные трассы, в 3-м – только вертикальные, причем они могут проходить над базовыми элементами.
|
|
|
Рис.4.88. Конструкция базового матричного кристалла типа И-300.
Внешний прямоугольник – это границы полупроводникового кристалла размером 5,1 х 5,3 мм. Внутри базовых ячеек (72 штуки для этого типа) имеется контактных площадок 108 штук, выходных буферных усилителей 24 штуки, нагрузочных резисторов 90 штук. Имеются также источники опорных напряжений.
Рис.4.89. Набор элементов одной базовой ячейки кристалла
На базе БМК типа И-300 разработана микросхема К1520ХМ2. Считается, что уровень интеграции этой БИС эквивалентен 1100 логическим вентилям. Известны и более сложные БМК, например К1520ХМ1, К1515ХМ1, К1801 ВП1033, К1806 ВП1, К1801 ВП1034, К1801 ВП1035.
Интегральные микросхемы базовых матричных кристаллов применены, например, в ЭВМ диалогового вычислительного комплекса для реализации интерфейса накопителя на гибких магнитных дисках. Здесь использована ИМС БМК типа К1801ВП1097.
Кроме БМК с цифровыми логическими элементами существуют комбинированные матричные СБИС, в частности матрицы с аналоговыми и цифровыми элементами. Они могут содержать несколько операционных усилителей, компараторов, генераторов, отдельных резисторов, конденсаторов и собственно логических вентилей. Кроме этих цифровых и аналоговых элементов, внутри кристалла сформированы также схемы, обеспечивающие взаимодействие аналоговой и цифровой частей между собой, согласование уровней и формирование выходных сигналов. Такая комбинированная структура позволяет собирать из элементов этой матричной СБИС большое многообразие систем с преобладанием цифровых или аналоговых функций – это цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП), активные фильтры, генераторы функций, сигналов и т.д.
4.18.2. СБИС с изменяемой внутренней структурой
В этом методе внутри кристалла СБИС размещают несколько функциональных элементов, выпускавшихся ранее как самостоятельные интегральные схемы. Это могут быть, например, схемы памяти, процессоры, контроллеры, логические устройства. Размещая такие крупные элементы внутри кристалла матричных СБИС, в дополнение к сети ее логических вентилей, можно получать законченные схемы для конкретного применения. Спроектированная таким образом СБИС, является работоспособной практически с первого включения, т.к. топология входящих в нее элементов разработана ранее и проверена в работе. Отличительной особенностью таких СБИС является то, что коэффициент полезного использования кристалла приближается к 100%.
|
|
|
4.18.3. Матрицы “Море вентилей”
В этом методе базовые ячейки БМК не располагаются регулярно в виде узлов сети, а занимают всю площадь кристалла, включая предусмотренные ранее трассы соединений между ячейками. Фактически это длинные ряды последовательно соединенных комплиментарных р- и n- транзисторов. Из этих транзисторов формируется требуемый вентиль или базовая ячейка с требуемой функцией. Электрическая изоляция от соседней ячейки, сформированной из транзисторов этого же ряда, осуществляется закрытием КМОП транзисторов, оказавшихся на этой границе. Границы устанавливаются произвольно в зависимости от того, сколько транзисторов данного ряда задействовано для реализации конкретного вентиля.
|
|
|
