Базовые матричные кристаллы

Наиболее успешно задача разработки специализированной элементной базы решается с помощью матричных БИС (МаБИС).

В основе подобных БИС лежит специальная заготовка – базовый матричный кристалл (БМК), который представляет собой прямоугольную пластину определенного размера из монокристаллического полупроводникового материала, на которой размещена матрица нескоммутированных базовых ячеек. Каждая ячейка состоит из нескоммутированных транзисторов, диодов, резисторов. Соединения в БИС можно представить в виде многоуровневой системы. На первом уровне реализуются связи между отдельными элементами, образующими простейшие логические схемы. На втором уровне соединяют схемы типа триггеры, полусумматоры и т. д.. На третьем уровне формируют связи в регистрах, сумматорах и т. п.. Таким образом, БИС, реализованные на одинаковых БМК, отличаются только слоями коммутации, при построении которых (настройке БМК) решаются две задачи: формируются библиотечные логические элементы (для каждого из них может использоваться одна или несколько соседних групп транзисторов) и строится индивидуальная система внутрисхемных связей.

Сложность проектирования матричных БИС в основном проявляется при решении задач синтеза и контроля их топологии, включающих начальное размещение элементов БИС на БМК, оптимизацию размещения, предварительную трассировку соединений, окончательную трассировку соединений, контроль конструкторско-технологических ограничений, проверку соответствия топологии и принципиальной электрической схемы БИС, схемотехнических ограничений. Трудность решения этих задач связана с необходимостью их формального математического описания, сложностью выбора критериев структурной и параметрической оптимизации.

Все межсоединения на БМК делают в слоях металлизации. В качестве дополнительного коммутационного слоя иногда используют шины поликремния.

Набор логических элементов, каждый из которых реализуется на базе одной или нескольких ячеек матрицы с помощью тех же слоев металлизации, определяют заранее при конструировании БМК и в дальнейшем не меняют.

Таким образом, чтобы разработать БИС на основе БМК достаточно спроектировать и изготовить межсодинения. Созданную таким способом БИС называют матричной БИС.

Различие в требованиях, которые предъявляются к микроэлектронной аппаратуре в соответствии с областью ее применения, обусловливает многообразие типов БМК. Существующие БМК можно условно разделить на четыре группы: 1) КМОП-цифровые матрицы; 2)биполярные цифровые матрицы; 3) аналоговые; 4) аналого-цифровые матрицы.

Выбор конкретного типа БМК определяется требованиями совместимости реализуемого устройства с остальными частями микроэлектронной системы, а также такими характеристиками, как быстродействие, энергопотребление, степень интеграции. Эти характеристики зависят от технологии изготовления БМК. Так, матрицы на эмиттерно-связанной логике отличаются наивысшим быстродействием, но при этом потребляют наибольшую мощность. БМК, изготовленные по интегральной инжекционной технологии, наоборот, позволяют уменьшить энергопотребление, но обладают низким быстродействием. Промежуточное положение занимают БМК на основе транзисторно-транзисторной логики и транзисторно-транзисторной логике с диодами Шоттки. Особое место принадлежит КМОП БМК, сочетающим наибольшую степень интеграции и низкий уровень потребления энергии. Кроме того, благодаря уменьшению линейных размеров полупроводниковых структур (длина затвора современного полевого транзистора может быть меньше 1 мкм) БИС на основе КМОП БМК в ряде случаев достигают быстродействия схем на эмиттерно-связанной логике.

Дальнейшее совершенствование КМОП базовых матричных кристаллов идет по пути увеличения степени интеграции и повышения быстродействия. Основным препятствием на этом пути является необходимость сохранения места для коммутации, достаточного для трассировки соединений при высокой (до 80%) плотности заполнения матрицы ячеек БМК. Поэтому уменьшение резервируемой для реализации межсоединений площади кристалла добиваются прежде всего за счет усовершенствования конструкции БМК. Наряду с уменьшением ширины проводников увеличивается число слоев коммутации.

Таким образом, проблема проектирования БИС на БМК очень сложна и может быть успешно решена только с использованием системы автоматизированного проектирования, так как требуется учесть очень большое количество факторов.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В данной лекции были рассмотрены проблемы, возникающие при повышении степени интеграции, при проектировании больших интегральных схем, Частично рассмотрено, как эти проблемы могут быть решены с помощью матричных БИС. Дальнейшее развитие данные вопросы получат при изучении дисциплины “Вычислительная техника и информационные технологии”

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить материал по учебнику (Л1) стр. 431-433.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент п/п Г. Подлеский

Рецензент:

Доцент п/п

Б. Степанов