Расчет и проектирование СБИС. Лекции

Подождите немного. Документ загружается.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБИС

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ............................................................................................ 1

1. ТЕРМИНОЛОГИЯ СБИС .................................................................................. 3

1.1. Введение............................................................................................................ 3

1.2 Терминология .................................................................................................... 3

2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ. ................................................... 5

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ СБИС............................................... 33

3.1 Основные режимы работы биполярных логических ИМС. ....................... 33

3.2. Транзисторно-транзисторная логика ........................................................... 36

3.3. Эмиттерно-связанная логика ........................................................................ 62

3.4. Разновидности базовых логических элементов .......................................... 80

4.Проектирование МДП СБИС............................................................................ 91

4.1. Структуры МДП в СБИС .............................................................................. 91

4.2 Проектирование МДП СБИС на одноканальных структурах .................... 97

4.3. Комплементарные МОП-структуры .......................................................... 105

4.4. Динамические МОП-схемы ........................................................................ 118

5. АРХИТЕКТУРА СБИС .................................................................................. 129

5.1 Классификация архитектуры СБИС............................................................ 129

6. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА........................................................... 142

6.1 Запоминающие устройства (ЗУ).................................................................. 142

7 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБИС.......................................................................... 151

7.1 Виды проектирования СБИС. ...................................................................... 151

7.2 Этапы проектирования СБИС..................................................................... 158

7.3 Проблемы проектирования СБИС................................................................... 7

1. ТЕРМИНОЛОГИЯ СБИС

1.1. Введение

Создание СБИС, являющихся элементной базой современной электронной

аппаратуры, предопределилось наличием многих трудноразрешимых

проблем, возникших в процессе развития электронной аппаратуры на

дискретных элементах, а именно:

— большие габариты (плотность упаковки);

— большая потребляемая и рассеиваемая мощность;

— низкая надежность;

— длительный технологический цикл поэтапного изготовления дискретных

элементов и их монтажа в единую схемотехническую систему;

— высокая трудоемкость в изготовлении;

— низкие динамические параметры обработки сигнала.

Поэтому развитие техники для обработки информации потребовало

создания принципиально нового метода конструирования электронной

аппаратуры. Стала применяться компоновка дискретных элементов в единую

ИС, все элементы которой изготавливались одновременно и в едином

технологическом процессе в (или на) единой подложке.

1.2 Терминология

Интегральная микросхема — микросхема, часть элементов которой

выполнены нераздельно и электрически соединены между собой таким

образом, что с точки зрения технических требований, испытаний, торговли и

эксплуатации устройство рассматривается как единое целое.

Элемент интегральной микросхемы — часть интегральной микросхемы,

реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая

выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть

выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к

испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации.

Компонент интегральной микросхемы — часть интегральной микросхемы,

реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может

быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к

испытаниям, приемке, поставке.

Полупроводниковая интегральная микросхема — интегральная микросхема,

все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме

или на поверхности полупроводникового материала.

Пленочная интегральная микросхема — интегральная микросхема, все

элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок.

Гибридная интегральная микросхема — интегральная микросхема,

содержащая, кроме элементов, компоненты и (или) кристаллы.

Аналоговая интегральная микросхема — интегральная микросхема,

предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся

по закону непрерывной функции.

Цифровая интегральная микросхема — интегральная микросхема,

предназначенная для преобразовании и обработки сигналов, изменяющихся

по закону дискретной функции.

Корпус интегральной микросхемы — часть конструкции интегральной

микросхемы, предназначенная для ее защиты от внешних воздействий и для

соединения с внешними электрическими цепями посредством выводов.

Подложка интегральной микросхемы — заготовка из диэлектрического

материала, предназначенная для нанесения на нее элементов гибридных

интегральных микросхем, межэлементных и (или) межкомпонентных

соединений, а также контактных площадок.

Полупроводниковая пластина — заготовка из полупроводникового материа-

ла, предназначенная для изготовления полупроводниковых интегральных

микросхем.

Кристалл интегральной микросхемы — часть полупроводниковой пластины,

в объеме и на поверхности которой сформированы элементы

полупроводниковой интегральной микросхемы, межэлементные соединения

и контактные площадки.

Базовый кристалл интегральной микросхемы — часть полупроводниковой

пластины с определенным набором сформированных элементов, в том числе

электрически соединенных и (или) не соединенных между собой,

используемая для создания интегральных микросхем путем изготовления

межэлементных соединений.

Базовый матричный кристалл — базовый кристалл интегральной схемы с

интегральной микросхемы регулярным в виде матрицы расположением

базовых ячеек.

Контактная площадка интегральной микросхемы — металлизированный

участок на подложке, кристалле или корпусе интегральной микросхемы,

служащий для присоединения выводов компонентов и кристаллов, пере-

мычек, а также для контроля ее электрических параметров и режимов.

Бескорпусная интегральная микросхема — кристалл интегральной

микросхемы, предназначенный для монтажа в гибридную интегральную

микросхему или микросборку.

Вывод бескорпусной интегральной микросхемы — провод, соединенный с

контактной площадкой бескорпусной интегральной микросхемы и

предназначенный для электрического соединения с внешними

электрическими цепями.

Плотность упаковки интегральной микросхемы — отношение суммы

элементов интегральной микросхемы и (или) элементов, содержащихся в

составе компонентов, к объему интегральной микросхемы.

Степень интеграции интегральной микросхемы — показатель степени

сложности интегральной микросхемы, характеризуемый числом

содержащихся в ней элементов и (или) компонентов.

Интегральная микросхема первой степени интеграции — интегральная

микросхема, содержащая от 1 до 10 элементов и (или) компонентов

включительно.

Малая интегральная микросхема МИС — интегральная микросхема,

содержащая до 100 элементов и (или) компонентов включительно.

Средняя интегральная микросхема СИС — интегральная микросхема,

содержащая свыше 100 и до 1000 элементов и (или) компонентом для

цифровых интегральных микросхем: свыше 100 и до 500 - для аналоговых

интегральных микросхем.

Большая интегральная микросхема БИС — интегральная микросхема,

содержащая свыше 1000 элементов и (или) компонентов для цифровых

интегральных микросхем и свыше 500 — для аналоговых интегральных

микросхем.

Сверхбольшая интегральная микросхема СБИС — интегральная микросхема,

содержащая свыше 100000 элементов и (или) компонентов для цифровых

интегральных микросхем с регулярной структурой построения; свыше 50000

- для цифровых интегральных микросхем с нерегулярной структурой

построения и свыше 10000 - для аналоговых интегральных микросхем.

сверхскоростная интегральная микросхема ССИС — цифровая интегральная

микросхема, функциональное быстродействие которой

не менее 1

Гц/см

на 1 логический элемент.

Типономинал интегральной микросхемы — интегральная микросхема

конкретного типа, отличающаяся от других микросхем того же типа одним

или несколькими параметрами или требованиями к внешним

воздействующим факторам.

Серия интегральных микросхем — совокупность типов интегральных микро-

схем, обладающих конструктивной электрической и при необходимости

информационной и программной совместимостью и предназначенных для

совместного применения.

Микропроцессорная интегральная микросхема — интегральная микросхема,

выполняющая функцию процессора или его части.

Микропроцессорный комплект интегральных микросхем МПК —

совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем,

совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и

электрическим параметрам и обеспечивающих возможность совместного

применения.

2. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ.

В отличие от проектирования цифровых систем на дискретных

компонентах при проектировании цифровых систем или ЭВМ на

БИС/СБИС становится необходимым проведение стоимостного

анализа, что связано с очень сложной зависимостью между стоимостью

БИС/СБИС и методами проектирования. Как будет показано ниже,

было разработано большое число различных и сложных методов

проектирования устройств. Проектировщик должен выбрать какой-то

один из них с учетом рационального сочетания эксплуатационных

характеристик, стоимости, времени проектирования, объема выпуска

изделий, гибкости проекта и многих других факторов, определяемых

конкретными условиями разработки. Число этих факторов может быть

значительным. Другими словами, разработка проекта не может быть

отделена от производственных условий его реализации, они тесно

взаимосвязаны.

В то же время при разработке и производстве цифровых систем на

дискретных компонентах (а также на МИС или СИС) в распоряжении

проектировщиков имеется ограниченное число методов проектирования,

каждый из которых достаточно прост и понятен. Поэтому в данном

случае проектирование и производство могут вестись почти

независимо. Выражение «интегральная схема» применительно к

БИС/СБИС используется не "только в смысле объединения множества

компонентов в одном кристалле, но и в том смысле, что разработчики

должны обладать совокупностью всех знаний относительно

производства и применения ИС: анализ стоимости, различные методы

проектирования, обеспечение гибкости проекта и др. Таким образом,

стоимостной анализ является необходимым этапом проектирования ИС,

обосновывающим выбор соответствующей степени интеграции и методов

проектирования.

На величину стоимости ИС влияют главным образом следующие

факторы.

1. Начальные вложения. При принятии решения о разработке кристалла

БИС/СБИС, реализующегонекоторую цифровуюсистему или

логическую схему, потребуется значительное время (месяцы или годы) на

проектирование архитектуры, логической

и электрической схем и топологии ИС. Затем проект проверятся на

опытном образце ИС, и лишь после этого принятый вариант ИС

подготавливается к серийному производству. Затраты на этом этапе

(этапе проектирования) состоят в основном из заработной платы

инженеров и чертежников, стоимости машинного времени и стоимости

оригиналов масок, пластин и ИС опытного образца.

Если степень интеграции невысока, то описанная выше стадия

проектирования достаточно проста, а соответствующие начальные

затраты (в частности, заработная плата) невелики.

2. Стоимость изготовления. Данный показатель состоит из затрат на

изготовление каждой ИС, ее установку в корпус и проверку.

Приближенное значение стоимости изготовления одной ИС можно

получить, разделив стоимость изготовления пластины на количество

получаемых из нее бездефектных ИС. Прибавление к этой величине

затрат на сборку и контроль ИС дает значение стоимости изготовления

одной ИС.

С учетом вышесказанного стоимость одной ИС может быть выражена

следующей зависимостью:

Стоимость одной ИС = A/V + B, (2.1.1)

где А – начальные вложения, В — стоимость изготовления одной ИС,

V — объем выпуска ИС.

Параметр А растет с увеличением степени интеграции ИС. Значение А

составляет большую величину для БИС/СБИС и очень малую для

СИС/МИС. Однако, при достаточно большом объеме выпуска изделий

первый член в правой части уравнения (2.1.1) становится пренебрежимо

малым по сравнению со вторым членом В, а стоимость ИС —

практически равной В. Таким образом, даже если А для некоторой БИС

(например, серийного микропроцессора) равно миллиону долларов, одна

БИС может стоить всего несколько долларов при условии, что объем

выпуска V составляет несколько миллионов и процент выхода годных

изделий достаточно высокий. Однако, как правило, с увеличением степени

интеграции значение V уменьшается, так как область применения ИС

сужается, если только она не является сверхуниверсальной.

Другой крайний случай — дискретные компоненты или МИС, области

применения которых настолько широки, что объем выпуска изделий может

быть исключительно высоким, а их стоимость соответственно очень

низкой. Но при этом следует иметь в виду, что на печатных платах

должно устанавливаться большое количество дискретных компонентов

или МИС, в результате чего стоимость блока цифровой системы

[вычисляемая no формуле (2.1.2)] гораздо выше, чем стоимость

аналогичного блока на БИС. При очень малом значении V стоимость

БИС/СБИС становится настолько высокой, что их применение не-

целесообразно. Отсюда вытекает необходимость поиска подходящего

метода проектирования ИС. Правильное определение рационального

сочетания степени интеграции, величины начальных вложений А и

рыночного спроса (т. е. V) имеет принципиальное значение при

планировании разработки БИС/СБИС.

Отметим, что при низком выходе годных изделий значение В становится

большим. Поскольку стоимость производства одной пластины относительно

постоянна, увеличение выхода годных изделий непосредственно ведет к

уменьшению В.

Рыночная цена ИС складывается из стоимости, определяемой формулой

(2.1.1), а также из косвенных затрат и прибыли. Косвенные затраты – это

затраты, связанные с обеспечением сбыта и содержанием

административного аппарата. Составляющие косвенных затрат и прибыль,

являются обычно величинами того же порядка, что и стоимость,

выражаемая формулой (2.1.1).

Для случая проектирования и производства цифровой системы с

использованием дискретных компонентов, МИС, СИС или сочетания этих

компонентов можно получить формулу аналогичную выражению (2.1.1):

Стоимость блока цифровой системы = a/v + b, (2.1.2)

где а – начальные вложения, Ь – стоимость изготовления блока, v —

объем выпуска блоков.

Если намеченная к проектированию и производству цифровая система

состоит из большого числа дискретных компонентов, МИС или СИС,

значение b велико. Поэтому не играет никакой роли, насколько мало

отношение a/v в выражении (2.1.2). Причем величина b намного

превышает величину В (в 100 —11000 раз и даже больше), так как

большое количество компонентов ИС монтируется на множестве печатных

плат, которые в свою очередь устанавливаются в стойки, снабженные,

как правило, вентиляторами для охлаждения, а платы и стойки

соединяются между собой проводами и кабелями. Очевидно, что если

проектируемая цифровая система слишком велика, чтобы уместиться в

одной БИС/СБИС, стоимость блока системы можно вычислить по формуле

(2.1.2), используя стоимость ИС, определяемую формулой (2.1.1), для

расчета стоимости.

Ниже приводится детальный анализ начальных вложений А и

стоимости изготовления интегральных схем В.

Начальные вложения

Разработку кристалла микропроцессора на основе БИС самой

сложной технологии в конце 70-х годов обычно выполняли пять

проектировщиков и три чертежника в течение двух лет. Таким

образом, их заработная плата составляла примерно полмиллиона

долларов. В зависимости от сложности ИС эти затраты могут

увеличиться на порядок. Проектировщики определяют архитектуру

цифровой системы, реализуемой посредством ИС, и разрабатывают

логические схемы. Функционирование схем проверяется с помощью

логического моделирования, а зачастую и с использованием макета.

Затем с привлечением программ системы автоматизации проектирования

(САПР) проектируются электрические схемы. Разработку топологии

электрических схем, требующую наибольших затрат времени, выполняют

чертежники под руководством проектировщиков. Проверка топологии

обычно осуществляется на опытных образцах ИС. Эта процедура

повторяется по крайней мере несколько раз до тех пор, пока в основном

не будут устранены ошибки проектирования. В результате получается

окончательный вариант топологии. Если приходится изготавливать

слишком большое количество опытных образцов, стоимость разработки

топологии, масок и пластин начинает играть значительную роль. Для

сокращения времени, необходимого на проектирование и проведение

проверки, а соответственно и для уменьшения денежных затрат,

приходящихся на этот этап, как правило, требуется разработать

специальные программы САПР и программы тестирования Все затраты,

связанные с выполнением описанного выше этапа проектирования,

включая заработную плату и расходы на амортизацию необходимого

оборудования, такого, как терминалы САПР, составляют начальные

вложения А. Возможность удержания этих расходов под контролем зависит

как от исполнителей, так и от руководящего состава.

Стоимость изготовления кристалла уменьшается с уменьшением его

площади D. Эта закономерность может быть выраже-наследующей

аппроксимирующей зависимостью:

Стоимость изготовления кристалла = K·10

0.0243D

где К — коэффициент, определяемый технологией изготовления и

особенностями проекта. Поэтому при разработке ИС, планируемой к сбыту

в больших количествах (порядка миллион штук), ее проектирование ведут

тщательнейшим образом, не считаясь с временными затратами и стремясь

обеспечить минимальные размеры ИС. Такой метод разработки

называется полным проектированием.

Когда объем выпуска изделий невелик, первый член выражения (2.1.1)

значительно больше второго. Поэтому не имеет смысла минимизировать

стоимость изготовления ИС, а следовательно, и затраты, идущие на

сборку, проверку и др. В этом случае рациональнее использовать метод,

обеспечивающий сокращение сроков проектирования, основанный на

методологии логического проектирования и средствах САПР. Примером

такого метода, называемого частичным проектированием, является

следующий.

При наличии стандартных схем, разработанных специалистами в течение

длительного времени и с использованием новой технологии компактных

топологий, проектирование новых кристаллов можно ограничить просто

компоновкой этих топологических схем, называемых ячейками. В этом

случае, поскольку ячейки собирают в ИС, соединяя их между собой и не

изменяя внутреннего устройства, общая топология ИС не является оп-

тимальной, но время проектирования значительно сокращается.

Необходимость в моделировании зачастую исчезает. Например, один

инженер может спроектировать ИС за несколько месяцев, в то время как

для проектирования ИС с использованием новейшей технологии

потребуется работа восьми человек в течение двух лет. Такой подход к

проектированию иногда называют методом библиотек ячеек. Он ведет к

существенному сокращению начальных вложений А, однако не позволяет

достичь наилучших эксплуатационных характеристик и наименьшей стои-

мости изготовления кристалла вследствие того, что его размеры

получаются большими, чем при полном проектировании. Другими

словами, при использовании сложного и требующего большого времени

метода проектирования А увеличивается, а B уменьшается, в то время как

применение простого подхода, обеспечивающего минимальные сроки

проектирования, приводит к уменьшению А и увеличению В. Таким

образом, между А и. В имеется сильная зависимость. В отличие от этого а

и b [см. выражение (2.1.2)] практически независимы.

Стоимость изготовления ИС.

Стоимость кремниевой пластины в процессе производства

возрастает с 6 (для пластины диаметром 7,62 см) и 15 (при диаметре

110,16 см) долларов соответственно до 40 и 1150 долл. Следовательно,

если пластина содержит 10 бездефектных ИС,„ то каждая из них стоит ~

4 – 15 долл. перед сборкой и проверкой. Если же пластина включает

1000 бездефектных ИС, то их стоимость составляет 4—15 центов.

Таблица 2.1.1. Стоимостной анализ ИС без учета стоимости тестирования

Доля стоимости ИС,

Наименование затрат

БИС МИС

Стоимость изготовления ИС (уменьшается с

увеличением выхода годных ИС)

Стоимость сбо

ки и ге

метизации

В табл. 2.1.1 показаны составляющие стоимости изготовления ИС.

Эти данные собраны из разных источников, процентное содержание

составляющих изменяется в зависимости от производителя, серий схем,

уровня интеграции компонентов, процента выхода годных изделий,

материала корпуса (пластик или керамика) и заработной платы.

Таблица дает только общее-представление о составляющих стоимости

ИС. Необходимо отметить, что расходы на заработную плату

составляют значительную долю стоимости, хотя они и сильно зависят от

места производства ИС. Кроме того, суммарная стоимость корпуса и»

материала превышает стоимость самой МИС. Основная часть расходов

идет на корпус и заработную плату, как и в случае с-губной помадой,

когда футляр стоит больше заключенной вз него помады. Стоимость

тестирования ИС не входит в табл. 2.1.11. Она становится

чрезвычайно высокой и составляет все большую часть общей стоимости

ИС по мере увеличения степени интеграции.

Таблица 2.1.2. Стоимостной анализ типичных ИС широкого применения

1), 2)

МИС 7400

(ТТЛ)

(биполярная)

СИС 7442

(ТТЛ)

(биполярная)

ОЗУ 1103

(1К) (p-

МОП с

Калькулятор

(БИС)

(p-МОП с

МИС

4000

(КМОП)