Принципы создания больших цифровых интегральных схем

В настоящее время цифровая электроника в подавляющем большинстве базируется на больших и сверхбольших интегральных схемах. В то же время можно сказать, что в основе БИС и СБИС лежит интеграция простых ИС.

Кристалл процессора "Пентиум-4" (55 млн. транзисторов, 146 мм²)

Общая характеристика БИС. Примером простых ИС являются логические вентили типа ТТЛ, КМОП, ЭСЛ и др., а также простые триггеры. Следующее место по сложности занимают СИС, которые включают сумматоры, счетчики ОЗУ и ПЗУ небольшой емкости. На основе БИС реализуются, например, арифметико-логические и управляющие устройства ЭВМ, цифровые фильтры и т. д. Современные процессоры вычислительных устройств, сложные многофункциональные устройства реализуются в СБИС. Наибольшая степень интеграции свойственна однородным структурам – ЗУ и составляет в настоящее время десятки миллиардов элементов на кристалле (гигабайты). Использование БИС приводит к резкому улучшению всех основных показателей по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненным на отдельных ИС: уменьшается количество корпусов, число сборочных и монтажных операций, количество внешних, наиболее ненадежных соединений. Все это способствует уменьшению размеров, массы, стоимости и повышению надежности. Уменьшение длины межсоединений внутри кристалла позволяет повысить быстродействие и помехоустойчивость устройства.

Базовые матричные кристаллы. Главнейший вопрос, возникающий при проектировании БИС, СБИС, – это вопрос об их технически и экономически целесообразной сложности. Необходимо сочетание достаточной сложности (чтобы реализовать преимущества высокой степени интеграции) с достаточной универсальностью (чтобы обеспечить экономически оправданный объем выпуска). Этого компромисса можно достигнуть, обеспечивая элементарную избыточность и многофункциональность. Данный принцип положен в основу БИС на базовых матричных кристаллах (БМК). Базовый матричный кристалл – это набор топологических ячеек или простых ИС, расположенных в виде матрицы, между элементами которой отсутствуют соединения. Для получения БИС с заданными функциями отдельные элементы внутри ячеек и сами ячейки соединяются токоведущими дорожками.

В конкретной БИС, исполненной на БМК, обычно используются не все топологические ячейки, что определяется функциональными особенностями микросхемы.

Другой принцип формирования заданной структуры БИС на БМК состоит в первоначальном создании кристалла, в котором выполнены все возможные межсоединения элементов. Затем в нужных местах межсоединений делаются разрывы путем локального удаления материала межсоединения методом разрушения.

Программируемые логические матрицы. Существенным недостатком описанных выше БИС на БМК является то, что формирование структуры БИС может быть выполнено только в рамках логической структуры, определенной их разработчиками.

Значительно большую гибкость обеспечивают программируемые пользователем логические матрицы ПЛМ. Это специализированные БИС, внутренняя структура которых, подобно БМК, состоит из матрицы базовых логических ячеек и межсоединений, но конфигурация отдельных ячеек и связей между ними осуществляется с помощью специальной схемы, расположенной на этом же кристалле. Базовые ячейки могут реализовать логические операции И (рис. 64) или операции ИЛИ (рис. 65) над входными переменными.

ПЛМ обычно содержит матрицы обоих типов, причем если выходы P_i матрицы М1, например, соединяются с одноименными входами P_i матрицы М2, то реализуемая такой ПЛМ логическая функция будет иметь вид:

Для разных типов ПЛМ установленная конфигурация может либо сохраняться при отключении питания, подобно постоянным запоминающим устройствам, либо требуется перезагрузка при каждом новом включении. Управление перезагрузкой может выполнять сама схема ПЛМ, считывая информацию о конфигурации из внешнего ПЗУ.

Известны три способа соединения элементов ПЛМ, обеспечивающих получение на выходах заданного набора функций.

По первому способу соединения создаются в процессе изготовления микросхемы с помощью разрабатываемого шаблона. Такой способ широко используется при создании ПЛМ, входящих в состав серийно выпускаемых БИС, например микропроцессоров, контроллеров периферийных устройств (дисплеев, принтеров и др.).

Второй способ программирования ПЛМ состоит в использовании плавких перемычек для получения необходимой конфигурации соединений элементов (рис. 64, 65). Такой способ программирования потребителем широко используется для создания специализированных комбинационных схем, которые выполняют набор функций для решения определенных задач.

Оба этих способа создания ПЛМ позволяют сохранять ее конфигурацию после отключения питания.

Кристалл программируемой логической матрицы

Третий способ программирования также осуществляется потребителем, но вместо плавких перемычек в соединении включены МДП-транзисторы. В закрытом состоянии они разрывают соответствующие соединения, в открытом – замыкают. При этом используются специальные МНОП-структуры, в которых проводящий канал индуцируется под действием заряда, накапливаемого на границе раздела двух диэлектриков под затвором транзистора или МОП-транзисторы с изолированным (“плавающим”) затвором.

Комбинация матриц М1 и М2 образует двухуровневую ПЛМ (рис. 66).

Рис.66. Условное обозначение двухуровневой ПЛМ (S, t, g),

где S – число входов,
t – число выходов,
g – число промежуточных шин

Сложность ПЛМ оценивается информационной емкостью (общим числом пересечений горизонтальных и вертикальных шин обеих матриц), равной (2S + t)Ч g, где коэффициент 2 перед S учитывает наличие прямых и инверсных значений входных переменных в матрице М1.

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.