книги / Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах

Рис. 5.23. Синтезированная ММЛС, выполняющая функции Ф|,

®2, Фз

лизовать схему с тремя выходами [76], выполняющую сле­ дующие функции:

ф 1 = х 1х 2х 3+ х 1х 3 = х 1 х 2 £ 3- % х 3 = ¥ [ Т 3,

ф2 = X i х2x3+xtхгха+хгх2=х1хгх3-хгх2Х3-Щх~г=

Ф3 = Х х Х 2 Х 3 + Х 2 Х 2 Х 3 + Х хх2=

= Х г х г Х 3'Хг Х2 X r X^W2 Fx FzFb.

Заданные функции Ф1} Ф2, Ф3 преобразованы таким обра­ зом, что .они представлены через общие функции Fu i = =■ 1....... 5. Причем Fx является общей для Фъ Ф2, Ф3, / 2 — общей для Ф2 и Ф 3. Выберем в качестве образующей функ­ цию Fx. Тогда Ф2 может быть реализована в виде конъюнк-

тивно-инверсного ЛЭ-(рис. 5.23). Произведение Fx F 2так­

же реализуется на том же самом образующем элементе с присоединением конъюнктивно ступени с элементом, вы­ полняющим функцию F 2. После чего реализация Ф2 и Ф3

заключается в подключении конъюнктивно элементов треть­ ей ступени, выполняющих функции Ft и F5.

Сравнявая рис. 5.23 с реализацией тех же функций на типовых элементах [76], нетрудно подсчитать, что схема на рис. 5.23 реализуется на 24 транзисторах, а с учетом це­ пей восстановления уровней на 32 транзисторах. Схема на типовых элементах требует для реализации 40 транзисто­ ров. Таким образом, выигрыш по числу транзисторов 20

...40%. Нетрудно убедиться, что чем сложнее набор выпол­ няемых функций, тем больше выигрыш.

Таким образом, последовательность непосредственного синтеза ММЛС при реализации семейства логических функ­ ций сводится к следующему. Анализируются функции,: вы-

Рис. 5.24. Способы реализации ММЛС и улучшения их электрических характеристик

деляются общие импликанты. Выбирается образующая функция (как правило, общая для большинства функций заданного семейства). Исходные логические выражения преобразуются, представляются в виде функций И—ИЛИ— И— ...—НЕ, ИЛИ—И—И Л И — ...—HÈ, где аргументами являются функции, соответствующие общим имшшкантам.

с разделением, восстановлением и ускорением переклю­ чения схемы (рис. 5.24, ж, э).

Таким образом, достоинством рассмотренных ММЛС являются: простота синтеза на основе естественной формы записи логических функций; возможность использования

на каждой ступени как типовых, так и синтезированных и оптимизированных (см. гл. 2) схем, выполняющих слож­ ные логические функции; уменьшение числа транзисторов, необходимых для. реализации семейств сложных логичес­ ких выражений.

5.10. Выводы

Морфологический анализ способов соединения логичес­ ких каскадов позволил выявить новые пути создания мноГовыходовых многофункциональных схем ряда классов за счет их ступенчатого соединения. ММЛС обеспечивают вы­ игрыш по числу транзисторов, площади и быстродействию по сравнению с традиционной каскадной реализацией схем, выполняющих аналогичные логические функции. Диапа­ зон эффективности применения ММЛС зависит от числа входных логических переменных и числа реализуемых функ­ ций. Использование ММЛС на инверторах эффективно при реализации шести логических функций; реализация ММЛС на двухвходовых элементах эффективна при реализации трех функций; на трехвходовых элементах — при реали­ зации двух функций. Разработанные методы восстановления логических уровней и повышения быстродействия ММЛС улучшают электрические характеристики и делают их эф­ фективными при реализации большого числа функций от большого числа переменных (при создании систем управ­ ления объектами). Выявленные особенности ММЛС форма­ лизованы, что позволило алгоритмизировать процесс их синтеза.

ГЛАВА 6

Проблемы разработки матричных БИС и синтеза схемотехнических решений цифровых элементов для них

6.1. Вводные замечания

Основное достоинство интегральной технологии — мас­ совое производство определенной номенклатуры интеграль­ ных микросхем широкого применения. В этом случае быст­ ро окупаются затраты на проектирование микросхем, соз­ дание фотошаблонов, технологическую обработку и амор-

тизацию оборудования. Массовое производство сопровож­ дается совершенствованием микросхем: ростом степени интеграции, усложнением выполняемых функций и опера­ ций, специализацией. Однако повышение сложности ми­ кросхем приводит к тому, что их применение становится неэффективным при разработке специальной (заказной) аппаратуры, сверхбыстродействующих ЭВМ.

Совершенствование аппаратуры связано как с совершен­ ствованием элементной базы (новыми схемотехническими решениями, более совершенной технологией и т. д.), так, и в большей степени, с новыми архитектурными и функцио­ нально-логическими решениями блоков и устройств. Для практической реализации последних необходимы новые специализированные микросхемы, проектирование и изго­ товление которых сопряжены со значительными материаль­ ными затратами, а кроме того, требуют привлечения боль­ шого штата высококвалифицированных специалистов. Так как номенклатура заказных устройств растет, то растет и потребность в разнообразных заказных микросхемах для их создания. Однако поставщики микросхем заинтересованы в изготовлении и сбыте стандартных приборов, выпускае­ мых массовыми тиражами. Небольшие тиражи и короткие сроки изготовления заказных микросхем, рост степени ин­ теграции, необходимость постоянного совершенствования функционально-логических решений — все это требует соз­ дания метода проектирования, -позволяющего разрешить возникшие противоречия. Это возможно на основе такого подхода к проектированию микросхем, который позволил бы сократить сроки проектирования и перераспределить объем работы между заказчиком и изготовителем с привле­ чением технических специалистов заказчика к процессу проектирования элементной базы.

Известно несколько методов проектирования заказных микросхем: метод логических матриц и базового кристалла, метод на основе библиотечного набора элементов, метод на основе универсальных многофункциональных модулей и др. Все они имеют достоинства и недостатки и ориентиро­ ваны на привлечение к работам по созданию БИС специа­ листов различного профиля. Наибольшее распространение в настоящее время получил метод проектирования заказных микросхем на основе логических матриц,' который в наи­ большей степени соответствует квалификации специалис­ тов, занимающихся проектированием и разработкой функ­ ционально-логических схем и архитектуры цифровых уст­ ройств. Матричные биполярные БИС являются в настоящее

время единственным средством, позволяющим создавать элементную базу сверхбыстродействующих ЭВМ [88, 89, 94, 96], обеспечивая при постоянной мощности, рассеивае­ мой на кристалле, рост быстродействия при уменьшении по сравнению с предельной степени интеграции [88]. Они также являются средством решения проблемы роста номенклату­ ры заказных и полузаказных БИС, моделирования функ­ ционально законченных полупроводниковых приборов по­ следующих поколений.

Главными достоинствами метода проектирования на ос­ нове логических матриц являются:

высокая технологичность за счет создания полуфабри­ катов — неспециализированных полупроводниковых плас­ тин—заготовок с разной степенью интеграции;

создание схем широкой номенклатуры за счет специа­ лизации заготовок с помощью слоев межсоединений;

слабая зависимость процессов проектирования и изго­ товления;

вдвое более короткий цикл проектирования и изготов­ ления изделий по сравнению с заказными функционально законченными БИС;

большие возможности по совершенствованию функцио­ нально-логических и схемотехнических решений при про­ ектировании аппаратуры;

доступность метода и последовательности проектирова­ ния для специалистов по разработке радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры.

Термин «логическая матрица» характеризует главным образом конструкцию кристалла микросхемы, состоящего из регулярно расположенных ячеек (установочных мест), между которыми располагаются каналы для проведения трасс соединений, выполняющие'также (в сверхбыстродей­ ствующих схемах) функции зон тепловой защиты [891. Про­ образами ячеек логических матриц являются так называе­ мые базовые кристаллы [91—93]. Ячейка логической матри­ цы, как и базовый! кристалл, может содержать набор ком­ понентов, ЛЭ, ячеек, в каждой из которых имеется несколь­ ко ЛЭ, выполняющих разные функции, и, наконец, стан­ дартные схемы и узлы, из которых можно собрать более сложные в функциональном отношении схемы. На основе такой ячейки или их совокупности с помощью схем комму тации строится библиотека топологических решений, соот ветствующих библиотеке", функциональных и принципи альных схем цифровых элементов и устройств. Процесс на стройки ячейки и всей матричной микросхемы на выполне

ние соответствующих функций называется специализацией Для различных типов ячеек и логических матриц исполь­ зуются различные методы специализации. Главными из них являются методы с использованием переменных фотошаб­ лонов и методы с электрической настройкой ячеек на вы­ полнение заданных функций.

По степени завершенности ячеек логические матрицы делят на нескоммутированные и скоммутированные. В ос­ нове первых лежат ячейки из стандартно расположенных на кристалле наборов компонентов и их соединений, не вы­ полняющих полностью определенных логических функций. Кроме того, на кристалле могут присутствовать (и чаще все­ го присутствуют) ячейки, содержащие отдельные функцио­ нально законченные специальные элементы. В основе вто­ рых (программируемые логические матрицы — ПЛМ, по­ стоянные и полупостоянные запоминающие устройства — ПЗУ, ППЗУ, вентильные матрицы) — наборы различных ЛЭ и цифровых схем. Очевидно, что от конструкции матрич­ ного кристалла зависит и метод проектирования микросхем на их основе. Поэтому в дальнейшем рассматривается только проектирование матричных микросхем на КМДП-транзис- торах, основанное на нескоммутированных логических ма­ трицах.

Цель данной главы — сформулировать проблемы, стоя­ щие перед разработчиками микросхем на нескоммутиро­ ванных логических матрицах, и определить пути исполь­ зования методов синтеза принципиальных схем для совер­ шенствования схемотехнических решений.

6.2. Проблемы и этапы проектирования логических матриц и микросхем на их основе

Для создания БИС на нескоммутированных логических матрицах необходимо располагать самыми матрицами-заго­ товками, библиотекой логических функций, принципиаль­ ных схем и их микротопологией, функциональной схемой проектируемого устройства, методами или программами размещения элементов в ячейках на рабочем поле матрич­ ного кристалла и трассировки соединений между ними, ме­ тодами логического и электрического моделирования, а так­ же методами или программами тестирования готовой про­ дукции.

Основой для проектирования является логическая ма­ трица, так как от ее конструкции будут зависеть характе-

ристйки й эффективность спроектированных микросхем. Обычно в распоряжении разработчика имеется набор логи­ ческих матриц, отличающихся числом ячеек на кристалле, числом и расположением каналов для трассировки соедине­ ний, конструкцией ячеек, числом компонентов, образую­ щих ячейки, принятым для реализации схемотехническим базисом. В дальнейшем будем считать, что в качестве схе­ мотехнического базиса используется КМДП-базис. Извест­ но, что схемы на КМДП-транзисторах имеют малую потреб­ ляемую мощность, высокое быстродействие, большую по­ мехоустойчивость, и поэтому именно они чаще всего приме­ няются при создании заказных и полузаказных схем.

Логические матрицы характеризуются [90]:

числом переменных фотошаблонов, необходимых для их специализации;

числом и способом размещения ячеек на кристалле; составом ячеек на кристалле (числом логических и спе­

циализированных ячеек); числом контактных площадок ввода-вывода;

числом и пропускной способностью каналов для трас­ сировки соединений;

площадью кристалла.

Число переменных фотошаблонов, которое использует­ ся при проектировании БИС, существенно влияет на сте­ пень интеграции. Совершенно очевидно, что для одной и той же функциональной схемы плотность компоновки будет максимальной в том случае, если все фотошаблоны пере­ менные, т. е. проектируется полностью заказная микро­ схема. Чтобы уменьшить число фотошаблонов, необходимо принять дополнительные соглашения, которые детермини­ руют расположение транзисторов в ячейке и фиксирован­ ных соединений в каналах для трассировки, способы под­ вода общих шин и шин питания, местоположение входов и выходов, шаг координатной сетки для проведения трасс соединений, способ размещения контактных окон и др. Все это накладывает дополнительные ограничения на кон­ струкцию логической матрицы и уменьшает предельно воз­ можную степень интеграции.

Таким образом, выбор числа переменных фотошаблонов является одним из важнейших этапов разработки логичес­ кой матрицы, так как он определяет площадь кристалла и степень интеграции. Однако рост числа переменных фото­ шаблонов усложняет процесс проектирования, хотя и улучшает качество схемы. В настоящее время в логических КМДП-матрицах предусматривается 2—3 переменных фо-

тошаблона. Это обусловлено тем, что цифровые схемы На КМДП-транзисторах для реализации одной и той же функ­ ции требуют большего числа транзисторов, чем схемы, на­ пример, на п-канальных транзисторах. Поэтому, хотя степень интеграции КМДП-матриц не намного ниже сте­ пени интеграции n-канальных, логические возможности последних, определяемые максимальным числом вентилей, которые можно реализовать на матрице, значительно выше. Чтобы добиться степени интеграции в 10 000 вентилей на КМДП-транзисторах (что достигнуто на биполярных тран­ зисторах [102]), необходимо помимо уменьшения КТПН,

.использовать четыре переменных фотошаблона (слой по­ ликремния, два слоя металлизации и контактные окна).

Конструкция кристалла определяется компоновкой яче­ ек на нем, способом проведения трасс соединений, способом подвода общей шины и шины питания. Наиболее распро­ страненная конструкция кристалла представляет собой регу­ лярную матрицу с горизонтальными и вертикальными ка­ налами для проведения трасс (рис. 6.1). Прототипами мат­ риц такой конструкции являются печатные платы с уста­ новочными местами для корпусов микросхем. Возможны и другие конструкции матриц. В частности, в ряде случаев удобно располагать ячейки плотно друг за другом. При этом уменьшается минимальная длина связей между соседними каскадами. На матрице помимо мест для логических ячеек обычно предусматриваются места для размещения элемен­ тов ввода, вывода, защиты, которые часто совмещаются с

p q p g p q p q

дения трасс соединений

Рис. 6.2. Рабочее поле логической матрицы Macrocell [104]:

контактными площадками. Конструкция кристалла за­ висит и от конструкции ячейки. Обычно стремятся к такой конструкции ячейки, чтобы входы и выходы были двусто­ ронними, проходили насквозь через ячейку. Это облегчает проведение трасс и размещение элементов на кристалле.

В последнее время для повышения процента использова­ ния ячеек при создании БИС (обычным является исполь­ зование 60—70% ячеек, и чтобы поднять процент исполь­ зования ячеек до 80%, требуются весьма тщательные раз­ мещение и трассировка [98]) изменяют конструкцию крис­ талла. Это проявляется в более обоснованном и неравномер­ ном распределении входов и выходов по кристаллу, в неравномерном распределении пропускной способности кана­ лов трассировки. Так, например, в логических матрицах Macrocell [104] (рис. 6.2) входные ячейки и элементы рас­ полагаются в левой, а выходные в правой части кристалла. Пропускная способность каналов, как горизонтальных, так и вертикальных, неравномерная. В матрице горизонталь­ ные и вертикальные соединения реализуются в разных слоях металлизации. Такая неоднородность матрицы по­ вышает процент использования ячеек и показывает, что сами матрицы развиваются в направлении их специализа­ ции.