Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Базовые матричные кристаллы (вентильные матрицы)



Класс БМК выпадает из общего ряда перечис­ленных ИСПС, поскольку для него программирование микросхем произво­дится не пользователем, а изготовителем, т. е. на предприятии электронной промышленности с помощью сложных технологических процессов. Тем не менее, ознакомление с БМК необходимо, т. к. они являются предшествен­никами FPGA — важного класса ИСПС — имеют с ними ряд родственных черт. Кроме того, задача проектирования устройств и сис­тем на основе БМК близка к задаче проектирования на ИСПС, поскольку, как правило, в значительной мере ложится на плечи пользователя.

Базовые матричные кристаллы называют также вентильными матрицами (ВМ), что соответствует принятому для БМК английскому термину GA (Gate Array). Термин БМК преобладает в отечественной литературе, хотя термин " вентильная матрица" был бы предпочтителен как не противоречащий международной терминологии.

Базовые матричные кристаллы известны с 1975 года, когда американская фирма Amdahl Corp применила их в составе высокопроизводительной ЭВМ с целью исключения из нее микросхем малого и среднего уровней интегра­ции. Результаты оказались удачными, и в последующие годы БМК получили широкое распространение.

БМК — кристалл, на прямоугольной поверхности которого размещены внутренняя и периферийная области (ВО и ПО). Во внутренней области по строкам и столбцам (в виде матрицы) расположены базовые ячейки — груп­пы нескоммутированных схемных элементов (транзисторов, резисторов). Элементный состав базовой ячейки при разных вариантах межсоединений элементов допускает реализацию некоторого множества схем определенного класса, каждая из которых соответствует определенной функциональной ячей­ке (ФЯ). Для выпускаемого в продажу БМК создается библиотека функцио­нальных ячеек, т. е., в сущности, рисунков межсоединений, дающих ту или иную схему. Библиотеки функциональных ячеек БМК насчитывают обычно десятки или сотни типовых узлов, реализованных на одной или нескольких базовых ячейках.

В БМК канальной структуры между строками и столбцами базовых ячеек или их компактных групп оставляются горизонтальные и вертикальные сво­бодные зоны (каналы) для межсоединений.

В периферийной области кристалла размещаются периферийные ячейки, вы­полняющие операции ввода/вывода сигналов через контактные площадки, расположенные по краям кристалла.

Переход от биполярной схемотехники к МОП-транзисторным схемам сде­лал возможным более плотное размещение схемных элементов на кристал­ле. При росте сложности логической части схемы, т. е. числа логических элементов на кристалле, еще быстрее растет сложность межсоединений. Для снижения потерь площади кристалла, затрачиваемой на трассировочные ка­налы, была разработана бесканальная структура БМК типа " море вентилей" или " море транзисторов", в которой конструкторы отказались от свободных зон кристалла, заранее отведенных для межсоединений. В таких БМК вся внутренняя область плотно заполняется базовыми ячейками, а межсоедине­ния проводятся только там, где это необходимо, причем находящиеся под ними базовые ячейки оказываются в данной конкретной схеме неисполь­зуемыми.

Еще одной разновидностью БМК являются блочные, в которых на кристалле выделяются специализированные области-подматрицы для выполнения за­ранее определенных функций (логической обработки данных, памяти и др.). Между подматрицами размещаются специальные трассировочные каналы, на периферии подматриц изготовляются внутренние периферийные ячейки для передачи сигналов по межблочным связям.

Изобретение базовых матричных кристаллов означало появление нового класса специализируемых БИС/СБИС — полузаказных.

Для реализации конкретной полузаказной схемы на основе БМК нужны только шаблоны рисунков межсоединений. Например, при внедрении первых БМК в фирме Amdahl Corp для заказных схем требова­лась разработка 13 шаблонов, а для полузаказных БМК только трех.

 

Заказные БИС/СБИС существенно дороже полузаказных в проектировании, но затраты на изготовление каждого экземпляра уже спроектированной схе­мы у них меньше. Затраты на проектирование (подготовку производства) однократны, затраты на изготовление присущи каждому экземпляру микро­схемы. Отсюда видны экономически обоснованные области применения заказных и полузаказных БИС/СБИС. Для массового производства, когда стоимость подготовки производства (проектирования) раскладывается на большое число микросхем, в общей стоимости экземпляра микросхемы бу­дет преобладать стоимость его изготовления и целесообразно заказное про­ектирование. Так проектируются микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти. Для специализированных средств с меньшими тиража­ми заказное проектирование чаше всего неприемлемо. В эпоху появления БМК альтернативным вариантом проектирования БИС/СБИС с тиражностью в десятки тысяч экземпляров стало полузаказное. Позднее возмож­ности упрощения и удешевления процесса разработки БИС/СБИС много­кратно возросли в связи с появлением новых и эффективных вариантов ИС с программируемыми структурами.

БМК выпускаются рядом зарубежных фирм, а также отечественной фирмой " Ангстрем" (семейства 1806ХМ1, 1515ХМ1, 1593ХМ1, 1537ХМ1, 1592ХМ1) и белорусским объединением " Интеграл" (семейства 1532ХМ, 1540ХМ, 1547ХМ, 1574ХМ, 1575ХМ). Для ориентировки укажем некоторые параметры отдель­ных БМК. Предварительно заметим, что оценкой сложности БМК служит число эквивалентных вентилей (обычно, вентилей 2И-НЕ) в его составе.

БМК 1592ХМ1 содержит 100 тыс. эквивалентных вентилей, имеет библиоте­ку из 230 функциональных ячеек и рабочую частоту 50 МГц. Корпус БМК имеет 132 внешних вывода, из которых пользовательских (функциональных) 100. Диапазон рабочих температур от -60 до +85 °С.

БМК G10, G11, G12 американской фирмы LSI Logic имеют беспрецедентно высокую сложность и содержат до 33 млн. эквивалентных вентилей, а бипо­лярный БМК SH100K фирмы Infinion (ранее Siemens Semiconductor), имеющий до 10 тыс. эквивалентных вентилей и матрицу аналоговых эле­ментов на одном и том же кристалле, работает на тактовой частоте 5 ГГц.

В заключение отметим, что для более четкого отражения места БМК в иерархии микросхем полезно дополнить английскую аббревиатуру GA до аббревиатуры MPGA, Mask Programmable Gate Array.

Заметим также, что наряду с описанным выше вариантом БМК существуют и БМК с лазерным программированием межсоединений (LPGA, Laser Programmable Gate Arrays). В этих БМК первоначально изготовляются металлизированными дорожками все возможные межсоединения элементов, а при программировании часть соединений под воздействием точно сфокуси­рованных управляемых лазерных лучей разрывается. Такие БМК подобны обычным в том, что для конфигурирования МАБИС потребитель должен обращаться к изготовителю, т. е. на предприятие электронной промышлен­ности, однако сроки и стоимость выполнения заказа в сравнении с обыч­ными БМК оказываются иными. Сроки выполнения заказа сокращаются, что благоприятно с точки зрения ускорения выхода продукции на рынок, однако в настоящее время БМК с лазерным программированием распро­странены меньше, чем обычные, хотя имеются фирмы, развивающие их производство, в частности фирма Chip Express.

 

 


Литература

 

Основная

1. Жаворонков М.А. Электротехника и электроника. – М.: Академия, 2005. – 400 с.

2. Новиков Ю.Н. Электротехника и электроника. – СПб.: Питер, 2005. – 384 с.: ил.

3. Схемотехника электронных систем / Под ред. В.И. Бойко. – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 496 с.

 

Дополнительная

1. Касаткин А.С. Курс электротехники. – М.: Высшая школа, 2005. – 542 с.: ил.

2. Миловзоров О.В. Электроника. – М.: Высшая школа, 2005. – 288 с.: ил.

3. Стешенко В.Б. P-CAD. Технология проектирования печатных плат. – СПб.: Питер, 2005. – 720 с.: ил.

4. Хамахер К. Организация ЭВМ. – СПб.: Питер, 2003. – 848 с.: ил.

5. Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем. – СПб.: Питер, 2006. – 668 с.: ил.


 

Специальность (шифр), форма обучения Вычислительные машины, комплексы, системы и сети (230101.65), очная
Название дисциплины Схемотехника
Курс, семестр IV, VII
Ф.И.О. преподавателя – разработчика материалов Ткачук И.Ю.

Лекция 15


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-26; Просмотров: 1335; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.015 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь