Автоматизоване проектування НВІС на базових матричних кристалах
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ
АВТОМАТИЗОВАНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ЗБІС НА БАЗОВИХ МАТРИЧНИХ КРИСТАЛАХ
У цьому рефераті розглядаються технології, пов'язані з особливостями проектування НВІС на базових матричних кристалах. Розповідається про поняття базового матричного кристала. Аналізуються основні етапи автоматизованого процесу проектування
ПОТРІБНІСТЬ ЕФЕКТИВНОГО ПРЕКТУВАННЯ СБИС
СТАНДАРТНІ ТА НАПІВЗАМОВНІ ІС
БАЗОВІ КРИСТАЛИ І ТИПОВІ ЕЛЕМЕНТИ
Характерною тенденцією розвитку елементної бази сучасної електронно-обчислювальної апаратури є швидке зростання рівня інтеграції. У цих умовах актуальною стає проблема прискорення темпів розробки вузлів апаратури, що є БІС і НВІС. При вирішенні цієї проблеми важливо враховувати існування двох різних класів інтегральних схем: стандартних (або великосерійних) та замовних. До перших належать схеми, обсяги виробництва яких досягають мільйонів штук на рік. Тому відносно великі витрати на їх проектування та конструювання виправдовуються. Цей клас схем включає мікропроцесори, різного виду напівпровідникові пристрої пам'яті (ПЗУ, ОЗУ і т.д.), серії стандартних мікросхем та ін. галузей промисловості. Значна частина вартості таких схем визначається витратами на їхнє проектування.
Основним засобом зниження вартості проектування та, головне, прискорення темпів розробки нових видів мікроелектронної апаратури є системи автоматизованого проектування(САПР). В результаті спільних дій конструкторів, спрямованих на зменшення термінів та зниження вартості проектування ВІС та НВІС, з'явилися так звані напівзамовні інтегральні мікросхеми, в яких топологія значною мірою визначається уніфікованою конструкцією кристала. Перші схеми, які можна зарахувати до цього класу, з'явилися торік у 60-ті роки. Вони виготовлялися на уніфікованому кристалі із фіксованим розташуванням функціональних елементів. При цьому проектування полягало у призначенні функціональних елементів схеми на місця розташування відповідних функціональних елементів кристала та проведенні сполук. Такий кристал отримав назву базового, оскільки всі фотошаблони (виключаючи шари комутації) для його виготовлення є постійними і не залежать від схеми, що реалізується. Ці кристали, однак, знайшли обмежене застосування через неефективне використання площі кристала, викликаного фіксованим положенням функціональних елементів на кристалі
Для часткової уніфікації топології інтегральних мікросхем (ІС) використовувалося проектування схем з урахуванням набору типових осередків. У даному випадку уніфікація полягала в розробці топології набору функціональних (типових осередків, що мають стандартизовані параметри (зокрема різні розміри по вертикалі). Процес проектування при цьому полягав у розміщенні у вигляді горизонтальних лінійок типових осередків, що відповідають функціональним елементам схеми, в розміщенні кристалі та реалізації зв'язків, що з'єднують елементи, у проміжках між лінійками.Ширина таких проміжків, званих каналами, визначається в процесі трасування.Відзначимо, що хоча в даному випадку має місце уніфікація топології, кристал не є базовим, оскільки вигляд всіх фотошаблоніввизначається під час проектування
Сучасні напівзамовні схеми реалізуються на базовому матричному кристалі (БМК), що містить не з'єднані між собою найпростіші елементи (наприклад, транзистори), а не функціональні елементи, як у розглянутому вище базовому кристалі. Зазначені елементи розташовуються на кристалі матричним способом (у вузлах прямокутних ґрат). Тому такі схеми часто називають матричними ВІС. Як і схемах на типових осередках топологія набору логічних елементів розробляється заздалегідь. Однак у разі топологія логічного елемента створюється з урахуванням регулярно розташованих найпростіших елементів. Тому в ході проектування логічних елемент може бути розміщений у будь-якому місці кристала, а для створення всієї схеми потрібно виготовити лише фотошаблони шарів комутації. Основні переваги БМК, що полягають у зниженні вартості та часу проектування, зумовлені: застосуванням БМК для проектування та виготовлення широкого класу ВІС; зменшенням кількості деталізованих рішень під час проектування БІС; спрощенням контролю та внесення змін до топології; можливістю ефективного використання автоматизованих методів конструювання, яка обумовлена однорідною структурою БМК
Поряд з зазначеними перевагами БІС на БМК не мають граничні для даного рівня технології параметри і, як правило, поступаються як замовним, так і стандартним схемам. При цьому слід розрізняти технологічні параметри інтегральних мікросхем та функціональних вузлів (пристроїв), реалізованих цих мікросхем. Хоча технологічні параметри стандартних мікросхем малого та середнього ступеня інтеграції найвищі, параметри пристроїв, реалізованих на їх основі, виявляються відносно низькими.
ОСНОВНІ ТИПИ БМКБазовий кристал є прямокутною багатошаровою пластиною фіксованих розмірів, на якій виділяють периферійну і внутрішню області (рис. 1). У периферійній області розміщуються зовнішні контактні майданчики (ВКП) для здійснення зовнішнього під'єднання та периферійні осередки для реалізації буферних схем (рис. 2). Кожен зовнішній осередок пов'язана з однією ВКП і включає діодно-транзисторну структуру, що дозволяє реалізувати різні буферні схеми за рахунок відповідного з'єднання елементів цієї структури. У випадку в периферійної області можуть бути комірки різних типів. Причому периферійні осередки можуть розташовуватися на БМК у різних орієнтаціях (отриманих поворотом на кут, кратний 90', та дзеркальним відображенням). Під базовою орієнтацією комірки розуміють положення комірки, розташованої на нижній стороні кристала
У внутрішній області кристала матричним способом розташовуються макроосередки для реалізації елементів схем, що проектуються (рис. 3). Проміжки між макроосередками використовуються для електричних з'єднань. При матричному розташуванні макроосередків область для трасування природним чином розбивається на горизонтальні та вертикальні канали. У свою чергу, в межах макроосередку матричним способом розташовуються внутрішні осередки для реалізації логічних елементів. Різні способи розташування внутрішніх осередків і макрокомірках показані на рис. 4. Причому поряд із розміщенням осередків "встик" застосовується розміщення із зазорами, в яких можуть проводитися траси електричних з'єднань
L------------------------- Приклади структур макроосередків.
Особливістю комірки є спеціальне розташування висновків, узгоджене зі структурою макрокомірки. А саме, осередки розміщуються таким чином, щоб висновки осередків опинилися напериферії макрокомірки. Так, в одній із макроосередків висновки кожного осередку дублюються на верхній та нижній її сторонах. При цьому є можливість підключення до будь-якого висновку з двох сторін комірки, що створює сприятливі умови для трасування. Останнє особливо важливо при проектуванні НВІС
В іншій макроосередку висновки осередку розташовуються тільки на одній стороні, тобто висновки осередків верхнього ряду знаходяться на верхній стороні макроосередку, а нижнього - на нижній. Застосування таких макроосередків дозволяє скоротити необхідну площу кристала, але призводить до погіршення умов трасування. Тому даний тип макроосередків використовується лише при ступені інтеграції, що не перевищує 100 200 вентилів на кристал. Зазначимо, що в деяких типах БМК, крім однотипних макроосередків, у внутрішній області можуть бути спеціалізовані макроосередки, що реалізують типові функціональні вузли (наприклад, пристрій, що запам'ятовує)
Крім осередків, що є заготовками для реалізації елементів, на БМК можуть бути фіксовані частини з'єднань. До них відносяться шини живлення, землі, синхронізації та заготівлі для реалізації частин сигнальних з'єднань. Наприклад, для макроосередків (b) шини живлення та землі проводяться вздовж верхньої та нижньої сторін відповідно. Для макроосередків (a,d) шини проводяться вздовж лінії, що розділяє верхній і нижній ряди осередків, що призводить до зменшення втрат площі кристала. Для реалізації сигнальних з'єднань на БМК набули поширення два види заготовок: фіксоване розташування односпрямованих (горизонтальних або вертикальних) ділянок трас у масному шарі; фіксоване розташування ділянок трас в одному шарі та контрактних вікон, що забезпечують вихід фіксованих трас у другий шар
У першому випадку для реалізації комутаціїпроектованої схеми не потрібно розробка фотошаблону фіксованого шару, тобто число фотошаблонів, що розробляються, зменшується на одиницю. У другому випадку кількість фотошаблонів, що розробляються, зменшується на два (не потрібно також фотошаблон контактних вікон). Зазначимо, що в даний час набули поширення різні види форми та розташування фіксованих трас та контактних вікон. Доцільність використання того чи іншого виду визначається типом макроосередків, ступеня інтеграції кристала та обсягом виробництва