Характерной тенденцией развития элементной базы современной электронно-вычислительной аппаратуры является быстрый рост степени интеграции. В этих условиях актуальной становится проблема ускорения темпов разработки узлов аппаратуры, представляющих собой БИС и СБИС. При решении данной проблемы важно учитывать существование двух различных классов интегральных схем: стандартных (или крупносерийных) и заказных. К первым относятся схемы, объем производства которых достигает миллионов штук в год. Поэтому относительно большие затраты на их проектирование и конструирование оправдываются. Этот класс схем включает микропроцессоры, различного вида полупроводниковые устройства памяти (ПЗУ, ОЗУ и т.д.), серии стандартных микросхем и др. Схемы, принадлежащие ко второму классу, при объеме производства до нескольких десятков тысяч в год, выпускаются для удовлетворения нужд отдельных отраслей промышленности. Значительная часть стоимости таких схем определяется затратами на их проектирование.
Основным средством снижения стоимости проектирования и, главное, ускорения темпов разработки новых видов микроэлектронной аппаратуры являются системы автоматизированного проектирования (САПР). В результате совместных действий конструкторов, направленных на уменьшение сроков и снижение стоимости проектирования БИС и СБИС, появились так называемые полузаказные интегральные микросхемы, в которых топология в значительной степени определяется унифицированной конструкцией кристалла. Первые схемы, которые можно отнести к данному классу, появились в 60‑х годах. Они изготавливались на унифицированном кристалле с фиксированным расположением функциональных элементов. При этом проектирование заключалось в назначении функциональных элементов схемы на места расположения соответствующих функциональных элементов кристалла и проведении соединений. Такой кристалл получил название базового, поскольку все фотошаблоны (исключая слои коммутации) для его изготовления являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Эти кристаллы, однако, нашли ограниченное применение из-за неэффективного использования площади кристалла, вызванного фиксированным положением функциональных элементов на кристалле.
Для частичной унификации топологии интегральных микросхем (ИС) использовалось также проектирование схем на основе набора типовых ячеек. В данном случае унификация состояла в разработке топологии набора функциональных (типовых ячеек, имеющих стандартизованные параметры (в частности, разные размеры по вертикали). Процесс проектирования при этом заключался в размещении в виде горизонтальных линеек типовых ячеек, соответствующих функциональным элементам схемы, в размещении линеек на кристалле и реализации связей, соединяющих элементы, в промежутках между линейками. Ширина таких промежутков, называемых каналами, определяется в процессе трассировки. Отметим, что хотя в данном случае имеет место унификация топологии, кристалл не является базовым, поскольку вид всех фотошаблонов определяется в ходе проектирования.
Современные полузаказные схемы реализуются на базовом матричном кристалле (БМК), содержащем не соединенные между собой простейшие элементы (например, транзисторы), а не функциональные элементы как в рассмотренном выше базовом кристалле. Указанные элементы располагаются на кристалле матричным способом (в узлах прямоугольной решетки). Поэтому такие схемы часто называют матричными БИС. Как и в схемах на типовых ячейках топология набора логических элементов разрабатывается заранее. Однако в данном случае топология логического элемента создается на основе регулярно расположенных простейших элементов. Поэтому в ходе проектирования логическими элемент может быть размещен в любом месте кристалла, а для создания всей схемы требуется изготовить только фотошаблоны слоев коммутации. Основные достоинства БМК, заключающиеся в снижении стоимости и времени проектирования, обусловлены: применением БМК для проектирования и изготовления широкого класса БИС; уменьшением числа детализированных решений в ходе проектирования БИС; упрощением контроля и внесения изменений в топологию; возможностью эффективного использования автоматизированных методов конструирования, которая обусловлена однородной структурой БМК.
Наряду с отмеченными достоинствами БИС на БМК не обладают предельными для данного уровня технологии параметрами и, как правило, уступают как заказным, так и стандартным схемам. При этом следует различать технологические параметры интегральных микросхем и функциональных узлов (устройств), реализованных на этих микросхемах. Хотя технологические параметры стандартных микросхем малой и средней степени интеграции наиболее высоки, параметры устройств, реализованных на их основе, оказываются относительно низкими.
Основные типы БМК
Базовый кристалл представляет собой многослойную прямоугольную пластину фиксированных размеров, на которой выделяют периферийную и внутреннюю области (рис. 1). В периферийной области располагаются внешние контактные площадки (ВКП) для осуществления внешнего подсоединения и периферийные ячейки для реализации буферных схем (рис. 2). Каждая внешняя ячейка связана с одной ВКП и включает диодно-транзисторную структуру, позволяющую реализовать различные буферные схемы за счет соответствующего соединения элементов этой структуры. В общем случае в периферийной области могут находиться ячейки различных типов. Причем периферийные ячейки могут располагаться на БМК в различных ориентациях (полученных поворотом на угол, кратный 90', и зеркальным отражением). Под базовой ориентацией ячейки понимают положение ячейки, расположенной на нижней стороне кристалла.
├──┐
┌──────────────┐ ├┐ │
│ Периферийная │ ├┘ │
│ ┌────────┐ │ ├──┤ ВО
│ │Внутрен.│ │ ├┐ │
│ │область │ │ ├┘ │
│ └────────┘ │ ├──┼─────┬─────┬─────┬───
│ область │ ПО├─┐│ ┌─┐ │ ┌─┐ │ ┌─┐ │
└──────────────┘ └─┴┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴────
ПЯ ВКП
рис. 1 рис 2.
Во внутренней области кристалла матричным способом располагаются макроячейки для реализации элементов проектируемых схем (рис. 3). Промежутки между макроячейками используются для электрических соединений. При матричном расположении макроячеек область для трассировки естественным образом разбивается на горизонтальные и вертикальные каналы. В свою очередь в пределах макроячейки матричным способом располагаются внутренние ячейки для реализации логических элементов. Различные способы расположения внутренних ячеек и макроячейках показаны на рис. 4. Причем наряду с размещением ячеек “встык” применяется размещение с зазорами, в которых могут проводиться трассы электрических соединений.
│ ┌─────── ┌─┬─┐ ┌─┬─┬─┬─┬─┬
│ └──────── a)├─┼─┤ c)├─┼─┼─┼─┼─┼─
│ ┌─────────┐ ┌─── └─┴─┘ └─┴─┴─┴─┴─┴─┴
│ └─────────┘ └─── ┌─┬─┬─┬─┬─┬ ┌─┬┬─┬┬─┬┬─┬┬─┬┬
│ ┌─────────┐ ┌──── b)└─┴─┴─┴─┴─┴─ d)└─┴┴─┴┴─┴┴─┴┴─
│ └─────────┘ └────
└─────────────────── Примеры структур макроячеек.
Структура ВО
рис. 3 рис. 4
Особенностью ячейки является специальное расположение выводов, согласованное со структурой макроячейки. А именно, ячейки размещаются таким образом, чтобы выводы ячеек оказались на периферии макроячейки. Так, в одной из макроячеек выводы каждой ячейки дублируются на верхней и нижней ее сторонах. При этом имеется возможность подключения к любому выводу с двух сторон ячейки, что создает благоприятные условия для трассировки. Последнее особенно важно при проектировании СБИС.
В другой макроячейке выводы ячейки располагаются только на одной стороне, т. е. выводы ячеек верхнего ряда находятся на верхней стороне макроячейки, а нижнего на нижней. Применение таких макроячеек позволяет сократить требуемую площадь кристалла, но приводит к ухудшению условий для трассировки. Поэтому данный тип макроячеек используется лишь при степени интеграции, не превышающей 100 -200 вентилей на кристалл. Отметим, что в некоторых типах БМК, кроме однотипных макроячеек, во внутренней области могут присутствовать специализированные макроячейки, реализующие функциональные типовые узлы (например, запоминающее устройство).
Помимо ячеек, являющихся заготовками для реализации элементов, на БМК могут присутствовать фиксированные части соединений. К ним относятся шины питания, земли, синхронизации и заготовки для реализации частей сигнальных соединений. Например, для макроячеек (b) шины питания и земли проводятся вдоль верхней и нижней сторон соответственно. Для макроячеек (a,d) шины проводятся вдоль линии, разделяющей верхний и нижний ряды ячеек, что приводит к уменьшению потерь площади кристалла. Для реализации сигнальных соединений на БМК получили распространение два вида заготовок: фиксированное расположение однонаправленных (горизонтальных или вертикальных) участков трасс в полном слое; фиксированное расположение участков трасс в одном слое и контрактных окон, обеспечивающих выход фиксированных трасс во второй слой.
В первом случае для реализации коммутации проектируемой схемы не требуется разработка фотошаблона фиксированного слоя, т. е. число разрабатываемых фотошаблонов уменьшается на единицу. Во втором случае число разрабатываемых фотошаблонов уменьшается на два (не требуется также фотошаблон контактных окон). Отметим, что в настоящее время получили распространение различные виды формы и расположения фиксированных трасс и контактных окон. Целесообразность использования того или иного вида определяется типом макроячеек, степенью интеграции кристалла и объемом производства.
При реализации соединений на БМК часто возникает необходимость проведения трассы через область, занятую макроячейкой. Такую трассу будем называть транзитной. Для обеспечения такой возможности допускается: проведение соединения через область, занятую ячейкой, проведение через зазоры между ячейками. Первый способ может применяться, если в ячейке не реализуется элемент, или реализация элемента допускает использование фиксированных трасс и неподключенных выводов для проведения транзитной трассы.
Таким образом, в настоящее время разработано большое многообразие типов БМК, которые имеют различные параметры. При проектировании микросхем на БМК необходимо учитывать конструктивно-технологические характеристики кристалла. К ним относятся геометрические параметры кристалла, форма и расположение макроячеек на кристалле и ячеек внутри макроячеек, расположение шин и способ коммутации сигнальных соединений.
Итак, следует отметить, что задача определения структуры БМК является достаточно сложной, и в настоящее время она решается конструктором преимущественно с использованием средств автоматизации.