Базовые матричные кристаллы (вентильные матрицы)

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 12

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

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 9 10 1112