Б. Симонов, Б. Малашевич

Базовые матричные кристаллы

Полузаказные интегральные схемы на основе базовых матричных кристаллов (БМК) для разработчиков и производителей сложной электронной аппаратуры являются незаменимой палочкой-выручалочкой в многочисленных случаях:

• когда требуется быстро разработать и начать производство изделия;
• когда объём производства изделия относительно невысок, а подходящих БИС среди выпускаемых нет;
• при создании специфичной аппаратуры с оригинальной схемотехникой;
• при переработке ранее созданной аппаратуры на новую элементную базу;
• при желании заказчика самостоятельно разработать БИС с целью, например, скрыть своё “know-how”.

Во всех этих и многих подобных случаях возникают противоречивые требования: обеспечение высокой степени интеграции БИС с быстротой создания и относительно низкими объёмами производства, экономически нерентабельными для разработки заказных БИС (под заказной понима-ется микросхема, проектирование и производство которой происходит по индивидуальному полному технологическому циклу, направленному на создание именно этой БИС. К заказным относятся микропроцессоры, микроконтроллеры, периферийные и масса других БИС, поставляемых как стандартные изделия).

Наиболее эффективно это противоречие решается применением по-лузаказных БИС на основе БМК. В этом случае процесс проектирования и изготовления БИС расчленяется на две части, причём по заказу выполняется только вторая, более простая часть (поэтому они и полузаказные):

• разработка и изготовление БМК, то есть стандартной заготовки, из которой впоследствии можно сделать разнообразные микросхемы. В каждом БМК имеется определённый набор нескоммутированных ячеек. Изготовление таких БМК производится по стандартной технологии массового производства БИС. На основе БМК изготавливаются тестовые микросхемы, которые подвергаются всем видам аттестационных испытаний. На БМК выпускаются групповые технические условия (ТУ). Таким образом, все наиболее дорого-стоящие и длительные процедуры проектирования, производства и аттестации БИС выполняются на этапе создания БМК;
• для создания полузаказной БИС выбирается соответствующий БМК (заготовка). Проектирование заключается в разработке топологии 1–2 верхних слоёв металлизации кристалла (определяется электрической схемой устройства и по назначению эквивалентна топологии печатной платы), а производство — в нанесении этих слоёв на ранее изготовленные типовые заготовки. Карта заказа, по которой производится разработка и изготовление полузаказной БИС, одновременно является и приложением к групповым ТУ, аттестационных испытаний проводить не требуется.

Таким образом, БМК сочетают в себе высокую интеграцию заказных БИС и гибкость в проектировании аппаратуры на основе ИС стандартной логики низкой и средней интеграции. При этом значительно сокращаются сроки и затраты на создание новой БИС. Незначительное увеличение стоимости в производстве полузаказной БИС, по сравнению с аналогичной по сложности заказной, обманчиво, так как заказная БИС при объёмах производства, соответствующих объёмам производства полузаказных, на самом деле будет намного дороже: заказные БИС дешевы благодаря их массовому производству.

Базовые матричные кристаллы

Таблица 1. Краткие характеристики БМК

Задача создания полузаказной БИС на основе БМК заключается в разработке и верификации топологии верхних слоёв металлизации кристалла, соединяющей библиотечные ячейки БМК в соответствии с электрической схемой заказчика. Причём заказчик имеет возможность выбора степени своего участия в разработке: от формирования только технического задания на создание БИС до полностью самостоятельной её разработки.

Рис. 1. Типовой маршрут проектирования

Возможно несколько вариантов разработки полузаказной БИС:

• на основе библиотеки стандартных элементов БМК. Заказчик самостоятельно проектирует схему ИС в базисе библиотеки, получив от Изготовителя всю необходимую информацию;
• на основе поведенческого проекта. Заказчик самостоятельно разрабатывает проект на поведенческом уровне в языках VHDL и VerilogHDL. Изготовитель переводит этот проект в базис библиотеки БМК;
• на основе проекта, выполненного на ПЛИС типов XILINX, ACTEL и ALTERA. Изготовитель производит автоматизированный перевод проектов в базис библиотеки БМК;
• на основе электрической схемы, выполненной в любой библиотеке элементов. Изготовитель производит автоматизированный перевод проектов в базис библиотеки БМК;
• на основе технического задания. Заказчик формулирует техническое задание на полузаказную ИС. Изготовитель производит её проектирование в базисе библиотеки БМК.

В зависимости от типа БМК, на полный цикл “карта заказа – поставка первой партии” требуется от полутора до трёх месяцев.

Производители электронной аппаратуры, построенной с применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) имеют возможность их замены на полузаказные БИС на основе БМК, получив при этом, в ряде случаев, заметный экономический эффект и увеличив плотность компоновки аппаратуры. Для обеспечения такой переработки Ангстрем разработал пакет программ, позволяющий производить автоматизированный перевод проектов, выполненных на указанных ниже ПЛИС в базис библиотеки БМК.

Таблица 2. Поддерживаемые ПЛИС

Большинство из перечисленных выше БМК известно многим потребителям, на их основе создано большое число пролузаказных БИС (“прошивок”). Малоизвестным является новый БМК — 1592ХМ1.

1592ХМ1 — базовый матричный кристалл на 100 000 вентилей

1592ХМ1 — базовый матричный кристалл, предназначенный для автоматизированного проектирования полузаказных интегральных схем с рабочей частотой до 50 МГц.

1592XM1 выполнена по принципу “море вентилей” и содержит 100 000 четырёхтранзисторных нескоммутированных ячеек, предназначенных для построения функциональных узлов ИС. По периферии кристалла на фиксированных местах расположены 232 контактные площадки для подключения элементов ввода/вывода и питания.

Основные характеристики

Количество ячеек	100 000
Библиотека, стандартных элементов: ядро ввод/вывод	более 170 более 60
Слоёв металлической разводки	2
Тактовая частота	до 50 МГц
Напряжение питания	4,5...5,5 В
Максимальный ток в статическом режиме	1,0 мА
Ток нагрузки выходных элементов	до 10 мА
Мощность рассеивания в корпусе 4229.132-3	3,0 Вт
Функциональных выводов в корпусе 4229.132-3	100
Корпус	132-выводной металлокерамический 4229.132-3 или по заказу
Рабочая температура	-60...+85°С

1592ХМ1 используется для быстрого построения полузаказных ИС изделий специального и общего назначения, заменяя большое количество ИС низкой и средней степени интеграции в самой разнообразной электронной аппаратуре.

Для автоматизированного проектирования полузаказных ИС используется библиотека стандартных элементов 1592ХМх и встраиваемые модули ОЗУ и ПЗУ.

Библиотека стандартных элементов

Библиотека стандартных элементов состоит из двух разделов:

• библиотеки ядра (более 170 стандартных элементов);
• библиотеки ввода/вывода (более 60 стандартных элементов).

Библиотека постоянно развивается, при необходимости разрабатываются дополнительные элементы.

Все библиотечные элементы аттестованы с применением программы SPICE на транзисторном уровне. Достоверность результатов подтверждена измерениями тестовых кристаллов.

Библиотека ядра

Библиотека ядра содержит следующие группы стандартных элементов различной мощности:

• комбинационная логика;
• элементы с третьим состоянием;
• усилители тактового сигнала;
• триггеры-защёлки, D-триггеры, JK-триггеры;
• фрагменты сумматора, сумматора-вычитателя, синхронного счётчика;
• дешифраторы;
• мультиплексоры...

Типовое время задержки библиотечных элементов ядра показано на рис. 2.

Рис. 2. Среднее время задержки элементов ядра

Библиотека ввода/вывода

Библиотека ввода/вывода содержит следующие группы стандартных элементов различной мощности:

• КМОП и ТТЛ-входы/выходы с тремя состояниями;
• КМОП и ТТЛ-входы/выходы, повторители шины;
• КМОП и ТТЛ-выходы;
• КМОП и ТТЛ-выходы с тремя состояниями;
• КМОП и ТТЛ-выходы с тремя состояниями, повторители шины;
• инвертирующие и не инвертирующие КМОП и ТТЛ-входы с повторителем шины и подтяжкой к высокому состоянию;
• входы с триггером Шмитта;
• буферы тактового сигнала;
• ячейки кварцевых резонаторов...

Типовое время задержки библиотечных элементов ввода/вывода показано на рис. 3.

Рис. 3. Среднее время задержки элементов ввода/вывода

В элементах библиотеки применены специальные средства повышения динамической помехоустойчивости. С этой целью питание ИС может подаваться по трём парам (питание – общий) независимых шин:

• шина питания ядра кристалла;
• шина питания элементов ввода/вывода в динамическом режиме (в момент переключения);
• шина питания элементов ввода/вывода в статическом режиме.

Встраиваемые модули

Для расширения функциональных возможностей и области применения схем на основе библиотеки 1592ХМх имеются подсистемы автоматической компиляции блоков ОЗУ и ПЗУ. Эти блоки создаются из базовых транзисторов ячеек ядра и могут располагаться в любом месте кристалла.

Емкость блока может быть любой в пределах, указанных на графиках. При максимальной ёмкости каждый из блоков ОЗУ (256x16 или 128x32 бит) или ПЗУ (512x32 бит) занимает около 12% площади ядра кристалла 1592ХМ1. Для увеличения количества слов или (и) разрядности можно использовать несколько блоков. Создание всех необходимых представлений блоков в базе данных проекта производится автоматически. Пользователю необходимо заполнить простую форму, указав необходимые ему параметры блока.

Эксплуатационные режимы

Полузаказные БИС, изготовленные на основе БМК 1592ХМ1, рекомендуется применять в режимах, показанных в табл. 3.

Таблица 3. Таблица режимов

Рис. 4. Емкость блоков ОЗУ и ППЗУ

Конструкция

Полузаказные БИС 1592ХМ1 выполнены по базовой КМОП-технологии с поликремниевыми затворами.

Кристалл БМК содержит 100 000 вентилей ядра и 216 ячеек и контактных площадок ввода/вывода. Всего на кристалле 232 контактных площадки, 32 из них — для шин питания.

Разводка электрических связей проектируемой полузаказной БИС (трассировка) выполняется двумя слоями металлизации.

В настоящее время БИС выпускаются в металлокерамическом 132-выводном корпусе 4229.132-3 с планарными выводами. По заказу БИС могут быть изготовлены в ином исполнении.

Тел.: 532 8102
E-mail: simonov@angstrem.ru