Классификация интегральных схем по характеру их разработки, производства и применения

Выбор технической базы и технологического способа реализации проекта – одна из важнейших проблем, стоящих перед разработчиком. Как правило, одно и то же электронное изделие может быть реализовано различными способами. При выборе должен быть дан ответ на вопрос – будет ли проект построен на стандартных микросхемах или будут использоваться те или иные специализированные ИС и (или) комбинация различных типов ИС.

Классификация ИС по типу их проектирования и производства (массовое или по заказу) и зависящему от этих факторов характеру взаимодействия между заказчиком проекта, разработчиком и изготовителем продукции при­ведена на рис. 12.3.

К стандартным относятся микросхемы разных уровней интеграции (рис. 12.3, б). Микросхемы малой и средней степени интеграции МИС и СИС производятся массовыми тиражами в различных схемных и технологи­ческих вариантах и реализуют стандартные элементы и узлы, функциониро­вание которых предопределено и никак не зависит от конкретных потреби­телей. К этой группе ИС принадлежат логические элементы вентильного уровня, буферные элементы, регистровые схемы, к которым относятся и триггерные элементы, а также комбинационные функциональные узлы (ФУ) типа дешифраторов, мультиплексоров и т. п.

К стандартным схемам высокого уровня интеграции (БИС/СБИС) с фикси­рованным функционированием относятся микросхемы памяти (ЗУ), интер­фейсные схемы микропроцессорных систем и аналого-цифровые схемы: цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), аналого-цифровые преобразова­тели (АЦП).

Общим свойством обеих названных выше групп стандартных микросхем является неизменность их структуры и независимость функционирования от места применения, т. е. от устройств и систем, в которых они используются.

Две следующие группы микросхем являются стандартными для производите­ля, но способны изменять свое функционирование и (или) структуру соот­ветственно нуждам разработчика проекта. При этом такие БИС/СБИС, как микропроцессоры (МП) или микроконтроллеры (МК) настраиваются на решение определенной задачи методом изменения программы при независи­мости структуры от решаемой задачи, а БИС/СБИС с программируемой структурой, напротив, приспосабливаются к решаемым задачам путем изме­нения структуры. Для этой группы микросхем в английской литературе вы­работан термин ASSP (Application Specific Standard Products).

а

б

в

Рис. 12.3. Классификация ИС по типу их производства (а), по характеру разработки (б) и применения (в)

Заметим, что с точки зрения терминологии целесообразным было бы различать два метода настройки микросхем на решение конкретных задач и называть МП и МК программируемыми БИС/СБИС, а ИС с изменяемой структурой – конфи­гурируемыми. Однако в практике уже закрепилось терминологическое смеше­ние понятий "программирование" и "конфигурирование" (в частности, микро­схемы конфигурируемой логики чаще всего называют ПЛИС– программи­руемые логические ИС).

К стандартной продукции относятся и базовые матричные кристаллы БМК, являющиеся полуфабрикатами, которые используются проектировщиками для заказа на их основе нужных им схем. Подвергая БМК индивидуальным операциям разводки межсоединений элементов, выполняемым на предпри­ятиях электронной промышленности с помощью небольшого числа заказ­ных шаблонов, получают так называемую матричную БИС (МАБИС).

Существуют две разновидности БМК. Описанная ранее разновидность с ма­сочным программированием межсоединений относится к MPGA (Mask Programmable Gate Arrays). Другая разновидность – лазерно-программируемые кристаллы (LPGA – Laser-Programmable Gate Arrays). В этих кри­сталлах стандартный полуфабрикат (полупроводниковый кристалл) доводится до готового изделия путем удаления избыточных соединений лазерным лучом. Проигрывая в стоимости как самих кристаллов, так и процесса изго­товления, изготовители обеспечивают очень высокие показатели по скоро­сти создания первых образцов конечного продукта и меньшие затраты при необходимости внесения изменений в проект. Некоторые фирмы – производители MPGA предваряют их массовый выпуск передачей заказчику опытных образцов кристаллов, выполненных по технологии LPGA.

Достоинством стандартных ИС является то, что они по своему функциониро­ванию приспосабливаются к требованиям конкретного проекта, но этот про­цесс не затрагивает изготовителя, для которого схемы являются стандартным продуктом со всеми вытекающими из этого выгодами. Стандартные ИС име­ют обширный рынок, что благоприятно для снижения их стоимости.

Специализированные ИС (СпИС) в отличие от стандартных ИС массового производства изготавливаются по конкретному заказу в соответствии с тре­бованиями реализуемого проекта (рис. 12.3, в). В английской терминологии СпИС именуются ASICs (Application Specific Integrated Circuits). Реальные взаимоотношения между изготовителем СпИС и заказчиком зависят от их возможностей и варьируются в широких пределах – от проекта "под ключ' до проектов с передачей масок от разработчика к изготовителю. Среди СпИС различают классы полузаказных и заказных, имеющих различ­ную технологию проектирования. Заказные ИС в свою очередь разделяются на полностью заказные и схемы на основе стандартных ячеек. Полностью заказные схемы целиком проектируются по требованиям кон­кретного заказчика. Проектировщик имеет полную свободу действий, определяя схему по своему усмотрению вплоть до уровня схемных компонентов (отдельных транзисторов и т. п.). Для изготовления схемы требуется разра­ботка всего комплекта фотошаблонов, верификация и отладка всех схемных фрагментов. Такие схемы очень дороги и имеют длительные циклы проек­тирования. Таким способом, например, имеет смысл проектировать очеред­ную модификацию популярного микропроцессора, который будет иметь за­ведомо широкий спрос и это оправдает высокие затраты на его разработку.

Схемы на стандартных ячейках отличаются от полностью заказных тем, что их фрагменты берутся из заранее разработанной библиотеки схемных реше­ний. Такие фрагменты уже хорошо отработаны, стоимость и длительность проектирования при этом снижаются. Для производства схем тоже требуется изготовление полного комплекта фотошаблонов, но разработка их облегче­на. Потери сравнительно с полностью заказными ИС состоят в том, что проектировщик имеет меньше свободы в построении схемы, т. е. результаты оптимизации ее по критериям площади кристалла, быстродействию и т. д. менее эффективны. Наивысших технических параметров добиваются от полностью заказных схем, однако метод стандартных ячеек популярен, т. к. при небольших потерях в технических характеристиках с его помощью можно заметно упростить проектирование схемы. Полностью заказные схе­мы разрабатываются за время, превышающее время разработки методом стандартных ячеек приблизительно в два раза.

К полузаказным схемам относятся МАБИС, о которых сказано ранее. Техно­логия подготовки к изготовлению на основе БМК требуемых МАБИС про­ще и дешевле по сравнению с заказными ИС. В этом случае стандартный полуфабрикат доводится до готового изделия с помощью индивидуальных межсоединений. Реализация требует изготовления лишь малого числа фо­тошаблонов (только ответственных за межсоединения). Стоимость и дли­тельность проектирования в сравнении с полностью заказными схемами сокращаются в 3-4 раза, но результат еще дальше от оптимального, по­скольку в МАБИС менее рационально используется площадь кристалла (на кристалле остаются неиспользованные элементы и т. п.), длины связей не минимальны и быстродействие не максимально.

Сходство методов проектирования на БМК и стандартных ячейках состоит в использовании библиотек функциональных элементов. Различие в том, что для схем, проектируемых по методу стандартных ячеек, библиотечный набор элементов имеет более выраженную топологическую свободу. Например, стандартизируется только высота ячеек, а их длины могут быть различными. При проектировании из набора библиотечных элементов вначале подбира­ются необходимые функциональные блоки, а затем решаются задачи их размещения и трассировки.

Методика, а соответственно и САПР для проектирования по методу стан­дартных ячеек более сложны, чем для проектирования на основе БМК, которому свойственны более жесткие топологические ограничения. Ограниче­ния вводятся и для метода стандартных ячеек (постоянство высоты ячеек, предопределенность геометрических размеров и положения шин питания, тактирования и др.), но по мере применения более мощных САПР ограни­чения ослабляются.

Длительность изготовления БИС/СБИС методом стандартных ячеек превы­шает этот же показатель для МАБИС на основе БМК в 1,3-1,8 раз.

Приведенное классификационное деление является в известной мере услов­ным. Ряд фирм использует методологию проектирования смешанного типа БМК/СЯ (GA/SC1 – Gate-Array/Standard Cell Intermix), размещая в одной СБИС области, выполненные по методу стандартных ячеек СЯ и по методу БМК. При этом более компактные и быстродействующие схемы типа СЯ используются в критических трактах обработки сигналов, остальная пло­щадь занимается транзисторами БМК.

Другие фирмы, изготавливающие СБИС, реализованные по методу стан­дартных ячеек или базовых матричных кристаллов, включают стандартные фрагменты, соответствующие МП системам и ПЛИС, либо в состав кри­сталла, либо в состав своих библиотек. К какому классу СБИС при этом их относить? Чаще всего этот тип ИС относят к классу "система на кристалле".

Заказные ИС разрабатываются на основе стандартных или специально созданных элементов и узлов по функциональной схеме заказчика. Топологические слои заказной ИС проектируется и изготовляется по индивидуальным фотошаблонам, что позволяет достичь предельных значений технических параметров в данной технологии. Заказные БИС могут также проектироваться на основе стандартных элементов, находящихся в составе библиотеки, которая может включать как простые логические элементы (И-НЕ, ИЛИ-НЕ, триггеры), так и более сложные (сумматоры, умножители, арифметико-логические устройства).

Полузаказные БИС состоят из заранее спроектированной изготовителем постоянной части. При использовании БК специализация БИС достигается на заключительном этапе производства за счет нанесения переменных слоев межсоединений. ПЛИС поставляется потребителю в конструктивно-законченном виде и программирование производится электрическим способом.