книги / Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах
..pdfла переменных фотошаблонов) уменьшается потребляемая мощность, повышается быстродействие ЛЭ, уменьшается площадь логической матрицы. Все это обусловлено в пер вую очередь уменьшением средней длины трасс соединений. Уменьшение длины каналов транзисторов ведет к росту быстродействия, и при L K ~ 1,5 мкм следует ожидать сдвига задержек элементов в субнаносекундную область. Отметим, что увеличение активной площади транзисторов в ячейке (суммарной ширины каналов) не ведет к пропор циональному росту быстродействия.
Ячейки логической матрицы разрабатываются с учетом удобства конструирования на них цифровых элементов или требования реализации некоторого набора логических функций при минимальной площади или с учетом и того и другого принципа. В ячейках используются в основном транзисторы с линейной, гребенчатой или кольцевой гео метрией [90]. Структура всех ячеек должна обеспечивать удобство объединения их для выполнения сложных логичес ких функций и удобство трассировки связей между ячей ками. Наибольшее распространение в КМДП-матрицах получила ячейка с кольцевой геометрией транзисторов (С2 L-логика (рис. 6.3.). Кольцевая геометрия позволяет об разовать последовательное соединение пар транзисторов л- и /7-типа. Причем истоки V T 2 и V T 4— общие области для
всех ячеек |
и являются |
шиной питания и общей шиной. |
||||||||
Как видно из рис. 6.3, а, ширина канала |
V T 2 и |
V T 4 |
||||||||
больше, |
чем у |
T V 1 и V T 3. Очевидно, |
можно |
было бы, |
||||||
наращивая |
число |
колец, |
увеличивать |
число |
последова |
|||||
тельно |
соединенных транзисторов, |
однако при этом очень |
||||||||
быстро |
растет |
площадь |
ячейки, |
и такая |
конструкция |
|||||
|
|
|
|
|
1 1 |
|
|
|
иип |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
"ТТг- |
|
Рис. 6.3. |
Топология |
(а) |
|
|
|
|
~ С |
г - |
||
и принципиальная |
схема |
|
|
|
|
VT1 р |
| — |
(б) ячейки КМДП логи ческой матрицы
1 , 3 — стоки первого и вто рого транзисторов р-типа; 2, 4 — затворы первого и второго транзисторов р-ти па; 5 — исток второго тран
зистора |
p-типа; |
б, |
8 — стоки |
первого |
и второго |
транзи |
|
сторов |
я-типа; |
7, 5 — затво |
ры первого и второго тран
зисторов |
я-тнпа; 10 — исток |
второго |
транзистора я-типа; |
/ / — подложка кристалла
v nг-И __
5)
становится неэффективной. Большая ширина каналов V T 2 и V T 4 способствует уменьшению времени переключения в стоковых цепях транзисторов, однако входные емкости транзисторов оказываются разными, и это влияет на кас кадное быстродействие цепей логических элементов. Одна логическая ячейка имеет небольшие функциональные воз можности. На ее основе можно реализовать функции 2И—
НЕ, 2ИЛИ — НЕ, |
НЕ, двунаправленные ключи, 2И — |
|
ИЛИ — НЕ с искажением уровней |
логических сигналов. |
|
Однако соединяя |
несколько ячеек, |
удается реализовать |
большие библиотеки логических функций. В матрице могут быть и изолированные друг от друга ячейки с разделенны ми общими шинами и шинами питания. Сочетая их с ячей ками, привязанными к шинам, удается значительно расши рить функциональные возможности таких соединений.
Ячейка логической матрицы фирмы IMI [90] состоит из двух групп по пять п- и р-канальных транзисторов. Каж дая группа представляет собой соединение двух и трех последовательно соединенных транзисторов. Рост числа тран зисторов в ячейке расширяет их функциональные возмож ности, но при этом возможно уменьшение числа задейство ванных транзисторов для выполнения тех или иных функ ций. Одной из тенденций развития логических матриц яв ляется включение в состав кристалла специализированных ячеек, представляющих собой функционально закончен ные цифровые и аналоговые элементы [98]. Причем пло щадь, занимаемая специализированными элементами, ока зывается вдвое меньше площади, занимаемой теми же эле ментами, реализованными на логических ячейках. Вопросы создания библиотек и разработки макроэлементов для ло гических матриц будут рассмотрены ниже, так как это является самостоятельной проблемой.
Процесс создания матричной БИС начинается с деком позиции функционально-логической схемы устройства и вы деления таких его частей, которые будут изготовляться в виде БИС. Существуют формальные методы разбиения функ ционально-логических схем на составные части, однако они используются редко. Чаще всего такое деление осуществляет ся эвристически. При этом разработчик аппаратуры стре мится минимизировать число типов микросхем, по возмож ности сделать их функционально законченными, миними зировать число входов и выходов. После декомпозиции схе мы устройства необходимо покрыть ее элементами из схемотехнической библиотеки. При этом критерием качест ва является обеспечение требуемых электрических х аракте*
рйстик при минимальном числе используемых ячеек. Предварительный функционально-логический проект завер шается логическим моделированием устройства, формирова нием временной диаграммы, определением набора тестовых последовательностей для контроля работоспособности уст ройства и технических норм на электрические параметры БИС. Затем осуществляется подготовка информации для программ автоматического размещения элементов и трас сировки соединений между ними в БИС. Если такая про грамма отсутствует, то размещение и трассировка выполня ются вручную. В этом случае для сокращения сроков про ектирования используют макроэлементы и их графическое представление в виде масштабированных ЛЭ. Такие изо бражения элементов изготовляют в виде наклеек [99], ко торые компонуются в нужной для разработчика последова тельности и размещаются на специально расчерченном рабочем поле, на котором также изображены каналы для проведения трасс соединений. При ручном проектировании конструкции БИС матрица обычно специализируется с по мощью одного слоя металлизации, который определяет как схему внутренних соединений в ячейках, так и схему соединений между элементами в БИС.
Следует отметить, что создание программ размещения и трассировки соединений в БИС является сложной задачей. В отличие от трассировки и размещения элементов на пе чатных платах в БИС нужно учитывать микротопологию элементов, физические свойства и разные КТПН для слоев трассировки, ограниченную пропускную способность ка налов, следует также стремиться к оптимизации БИС по числу используемых ячеек в логической матрице. Поэтому дальнейшее развитие метода проектирования БИС на логи ческих матрицах, по-видимому, станет невозможным без программ размещения и трассировки. Использование такой программы не ограничивается только конструирова нием БИС. Результаты ее работы влияют и на функцио нально-логическую схему и на электрические характеристи ки БИС. Действительно, в начале проектирования неиз вестны длины трасс соединений между элементами, нагру зочные и паразитные емкости во всех точках схемы. Све дения о средней длине трассы позволяют учесть ее емкость только в среднем, в то время как в БИС каждый элемент работает в специфических условиях и нагружен на вполне определенную емкость. Если такая проблема для биполяр ных схем пока не является актуальной, так как ток, проте кающий через элемент, может регулироваться резистором,
то для схем на МДП-транзисторах она оказывается cyujècîвенной, так как затрагивает микротопологию элементов и их схемотехнику. Очевидно, в зависимости от емкости нагрузки должны использоваться элементы с разными быстродейст вием и током в выходной цепи. Следовательно, после соз дания функционально-логической схемы, покрытия ее эле ментами библиотеки, размещения и трассировки соедине ний может потребоваться изменение как функционально-ло гической схемы (если не удовлетворяются требования тех нического задания), так и принципиальной: заменить одни элементы другими, обеспечив работу на заданную емкост ную нагрузку. Эти операции по введению изменений в ис ходную схему целесообразно выполнять также на основе автоматизированного анализа быстродействия в логических цепях цифрового устройства, ибо, как показывает опыт, следует вносить изменения не только в принципиальные схемы тех элементов, которые непосредственно нагружены на большие емкости, но и ряда предшествующих каскадов.
Для повышения качества логического моделирования исходными следует принять реальные характеристики эле ментов. Поэтому для каждого элемента библиотек и долж ны быть определены зависимости их динамических харак теристик от емкости нагрузки и напряжения питания. Таким образом, методы логического моделирования долж ны позволять проверить не только функционирование ло гического устройства, но правильность временных соотно шений в нем. Последняя задача может быть решена и с помощью программ электрического анализа на основе мак ромоделей ЛЭ.
Проектирование матричных БИС ведется, как правило, в интерактивном режиме, с применением ряда программ, позволяющих выполнять операции в автоматическом ре жиме [100, 103, 105, 106].
Большие проблемы возникают при контроле правиль ности результатов проектирования. При ручном проектиро вании это в первую очередь относится к контролю соблю дения КТПН. Исключить контроль на всех этапах (при соз дании функционально-логической, принципиальной схем, топологии и т. д.) можно, если проектирование будет осно вано на синтезе технических решений. В этом случае все естественные ограничения, которые требуют вмешательст ва человека и сопровождаются ошибками, будут использо ваться в качестве исходных данных для программ автомати зированного синтеза. Например, КТПН будут соблюдены,
если ширина трасс и расстояния между ними будут учтены при выполнении автоматической трассировки соединений.
Сам процесс проектирования является творческим. Ре зультаты проектирования зависят от функций, структуры схемы (регулярная или нерегулярная), последовательности выполнения отдельных операций. При автоматизирован ном проектировании [106] каждая операция связана с вы полнением отдельных макрокоманд. Последовательность применения макрокоманд создает стратегию проектирова ния, Набор наиболее оправдавших себя стратегий со ставляет библиотеку стратегий, которая может исполь зоваться в процессе проектирования новых схем, что обес печит непрерывную автоматизацию процесса проектиро вания. Таким образом, стретегия применения стратегий проектирования является важной научной проблемой при массовом изготовлении БИС на основе нескоммутированных логических матриц.
6.3. Взаимодействие заказчика и исполнителя
впроцессе проектирования и производства БИС на логических матрицах
Разработчик аппаратуры с использованием БИС выступает обычно в качестве заказчика микросхем определенной номенкла туры, а изготовитель полупроводниковых приборов — в качестве исполнителя. Даже в том случае, когда аппаратура и БИС создаются на одном предприятии, такое деление на заказчика и исполнителя сохраняется между непосредственными исполнителями—разработ чиками аппаратуры и разработчиками элементной базы. Такое деле ние обусловлено тем, что каждый участник разработки выполняет свои специфические функции. Нужно отметить, что метод проектиро вания на основе логических матриц призван взаимно обогатить знаниями как заказчика, так и исполнителя. Заказчик вынужден вникать в суть технологических и конструкторских проблем, испол нитель — в суть проблем логического проектирования. Заказчик заинтересован получить БИС, выполняющую заданную функцию, не участвуя в процессе проектирования, исполнитель — в прове дении только технологического процесса на основе тех фотошабло нов, которые для него разрабатывает заказчик.
Реально процесс проектирования носит итерационный харак тер и в нем участвуют как заказчик, так и исполнитель [103]. Заказ чик ставит цель разработки, формулирует требования технического задания, требования к элементной базе, которая позволит полу чить требуемые характеристики БИС, выбирает исполнителя, го тового осуществить изготовление БИС. Как правило, исполнитель располагает не только технологией изготовления микросхем, но и средствами и технологией их проектирования. Уровень взаимодей ствия, с которого начинается совместная работа заказчика и испол нителя над проектом, зависит от степени совершенства и уровня автоматизации системы проектирования. Как правило, исполнитель предпочитает начинать разработку с готовой функциональио-логи-
ческой схемы. Поэтому заказчику предоставляются сведения об обес печенности процесса проектирования автоматизированными сред ствами, способе подготовки исходных данных, условиях взаимо действия при использовании технических средств, структуре и номенклатуре библиотеки элементов, их характеристиках, структу ре ячейки матрицы и микротопологии элементов. Вообще говоря, последняя информация является избыточной. Она предоставляется в том случае, если в процессе проектирования допускается пополне ние и изменение библиотеки элементов, т. е. создание функционально ориентированной библиотеки для данного заказчика.
На основе полученной информации заказчик создает функцио нально-логический проект комплекта матричных БИС. При этом решаются системные вопросы выбора структуры и способа реали зации устройства: способ сборки устройства на микросхемах, опре деление номенклатуры микросхем и разбиение устройства на кристаллы, определение нагрузочной способности каждой БИС по каждому выходу исходя из метода сборки устройства, допустимых входных емкостей и входных токов по каждому входу каждой БИС. Составляется временная диаграмма и определяются ее параметры, предъявляются требования по быстродействию к каждой цепи, сое диняющей вход и выход каждой микросхемы, моделируется ло гика работы микросхем и устройства в целом, разрабатывается система функциональных тестов и определяется объем контроля, разрабатываются средства для входного контроля готовой продук ции. Приведенный перечень работ проводится для функционально логического проекта, представленного вэлементах библиотечного на бора. Так как номенклатура библиотеки обычно велика, тщатель ная работа по созданию функционально-логической схемы позволя ет на этапе ее разработки оптимизировать быстродействие, потреб ляемую мощность, площадь будущей БИС. При создании проекта необходимо предусмотреть доступ к внутренним точкам схемы для контроля правильности функционирования отдельных узлов после изготовления. Проектирование завершается оценкой возможности размещения схемы и выбором (по степени интеграции) матрицы для реализации БИС. В процессе проектирования у заказчика может возникнуть потребность в разработке новых библиотечных элементов и ее пополнения. Поэтому средства проектирования исполнителя должны предусматривать возможность пополнения библиотеки.
После получения функционально-логического проекта испол нитель изучает схему, проводит моделирование, контролирует тесты, оценивает объем контрольно-измерительных испытаний, выявляет ошибки, вносит изменения в проект, производит пред варительные размещение и трассировку соединений и дает заклю чение о возможности реализовать набор БИС при существующем технологическом цикле. На этом этапе работы заказчик и испол нитель тесно взаимодействуют, ибо коррекции, которые вносит испол нитель, направлены на создание действительно работоспособных микросхем. Заказчик, как правило, не зная особенностей техноло гии, конкретного варианта размещения и трассировки, не может
свысокой точностью предсказать характеристики каждого вентиля,
аименно они определяют на практике работоспособность БИС в целом.
Врезультате итерационного процесса уточняется функцио нальная и электрическая схемы, компоновка кристалла и его ха рактеристики. Таким образом, изготовителю приходится до не которой степени дублировать работу заказчика. Однако это про цесс доработки готового варианта, а не разработка нового проекта,
Поэтому в данном случае изготовитель приобретает дополнительный опыт в функционально-логическом проектировании и делится опы том с заказчиком в схемотехническом и топологическом проектиро вании. Затем — окончательные размещение и трассировка, созда ние переменных фотошаблонов. Следующий уровень взаимодействия заказчика и исполнителя — утверждение опытных образцов, уточ нение требований к схемам, необходимые корректировки и изго товление матричных БИС.
Отметим одну особенность взаимодействия заказчика и испол нителя, которая заключается в ограниченной ответственности каж дой стороны за правильность проектирования и в общей цели — наиболее простым и экономичным способом создать необходимую номенклатуру матричных БИС для реализации цифрового устрой ства.
6.4. Библиотека элементов для проектирования матричных БИС и ее формирование
Методы определения числа компонентов в ячейках ’логических матриц. Разработка конструкции ячейки матричной БИС и форми рование библиотеки элементов — взаимосвязанные задачи, хотя каждая из них может решаться независимо. При реализации схем
сиспользованием ячейки с заданными топологией (конструкцией)
ичислом компонентов решается задача наиболее эффективного ис пользования возможностей, предоставляемых ячейкой, в формирова нии библиотеки элементов и библиотеки их специализаций (соеди нений компонентов, реализующих функции). При заданном наборе функций или структуре цифровых устройств решается задача опре деления функций, выполняемых ячейками, или набора компонентов
вячейках, обеспечивающих оптимальную реализацию проектируе мых цифровых устройств [95].
Каждый библиотечный элемент характеризуется коэффициен
том использования компонентов выбранной ячейки
Ки = Л^ти/Л^тя*
где ДОТИ — число транзисторов ячейки, использованных для вы полнения функций; ЛЛгя — общее число транзисторов в ячейке* Очевидно, если для реализации цифровой схемы требуется Na ячеек, то
/Си = (ЛГТИ/ЛГТЯ) Na.
Более сложная задача решается при выборе числа компонентов в ячейке. В [95] предложена методика решения такой задачи. Сущ ность методики заключается в том, что набор компонентов определя ется таким образом, чтобы на них можно было реализовать несколь ко функций. Определяется класс устройств, которые предполага ется реализовать в виде матричных БИС, и осуществляется перевод заданного класса устройств в функциональный базис каждого ва рианта ячейки или каждого набора ячеек. При этом определяются суммарные затраты площади, среднее время задержки на каскад, мощность, потребляемая БИС. Все это проделывается для разных схемотехнических базисов [97], что позволяет определить не только функции ячейки, но и технологическое направление реализации матричной БИС. Для уменьшения затрат времени на поиск оптималь ных в функциональном отношении наборов ячеек предварительно
Сами Межсоединений. На основе приведенных в [95] результатов моэкно сделать вывод о том, что все показатели матричных БИС улучша ются, если использовать в ячейке набор компонентов, соответству ющий трем-четырем ЛЭ, выполняющим функции
F = ( Х х + Х 2 + Х 3) (Х 4 + Х б + Х с),
F = ( Х г + Х 2 + Х 3 + X, ) (Х б + Х в + Х , + Х 8)
и обладающим прямым и инверсным выходами. Следует отметить, что в качестве кандидатов рассматривались в основном элементы ИЛИ—НЕ и ИЛИ—И—НЕ; начиная с элементов, число входных логических переменных которых равнялось трем-четырем, сравни ваемые характеристики цифровых БИС отличались незначительно. С ростом числа элементов в ячейке уменьшается площадь под внеш нюю трассировку соединений. Это объясняется, по-видимому, тем, что в таких ячейках можно реализовать достаточно сложные схемы, так как число компонентов в них позволяет создавать рязряды регистров, счетчиков, сумматоров и других функционально закон ченных схем. Тем не менее средняя задержка на каскад и потребляе мая мощность слабо изменяются с увеличением числа компонентов в ячейке. Заметим, что все результаты, приведенные в [95], относятся к схемам на биполярных транзисторах — к многоуровневым схемам эмиттерно-связанной логики. Однако тенденция развития ячеек логических матриц, направленная на увеличение числа компонен тов [100], характерна и для схемотехнического КМДП-базиса. Например, в [98] описана ячейка, содержащая 20 транзисторов (Юл- и 10 p-типа), которых достаточно, чтобы реализовать masterslave триггер, являющийся основой регистровых схем.
На выбор числа компонентов в ячейке влияют и ограничения, связанные с технологическим процессом изготовления. Так, мак симальное число сигналов, объединяемых по И в МДП-схемах, из готовляемых по объемной технологии, не должно превышать трех четырех, в противном случае быстродействие таких элементов оказывается ниже, чем при двухкаскадной реализации тех же функций. Поэтому, как видно из табл. 6.2, соответствующей КМДП-схемам, логические функции содержат не более трех переменных, объеди ненных по И и ИЛИ*
Требования, предъявляемые к библиотеке элементов. Библио тека элементов для проектирования матричных БИС может состоять из одного ЛЭ (например, как это было в первых логических матри цах, из элемента ЗИ—НЕ), может быть определена из личного опыта разработчика, состоять из схем малой и средней степени интеграции, соответствующих какой-либо серии или сериям микросхем (напри мер, К164, К176, К564 — сериям схем на КМДП-транзисторах); может быть синтезирована на основе методов, изложенных в пре дыдущих главах; может состоять из постоянной части, определенной каким-либо способом, и переменной, зависящей от специфических свойств проектируемых БИС. Возможны и другие подходы к фор мированию библиотеки. Библиотека в значительной степени форми руется эвристически с использованием тех элементов и функций, которыми привыкли оперировать разработчики функционально-ло гических схем, на основе ИС малой и средней степени интеграции.
Отличие разработки матричных БИС от разработки аппарату ры на микросхемах малой и средней степени интеграции заключа ется в том, что при создании БИС не требуется изготовлять отдельно каждый элемент, так как они входят в состав библиотеки и ими мож-
но воспользоваться при разработке схемотехники БИС. Эти элемен ты существуют в виде принципиальной схемы и конструкции-топо логии, а не в виде готового к использованию корпуса интегральной микросхемы. Поэтому номенклатура библиотечных элементов может быть гораздо богаче номенклатуры схем, входящих в ту или иную серию*
Со схемотехнической точки зрения библиотека элементов долж на позволять:
согласовывать матричную БИС со схемами других серий и типов, на которых строится аппаратура;
обеспечивать работу выходных цепей на заданную внешнюю ем костную нагрузку и магистрали;
обеспечивать работу на внутреннюю емкостную нагрузку без ухудшения среднего быстродействия;
осуществлять синхронизацию и стробирование работы элемен тов и цепей обработки информации;
контролировать работоспособность отдельных узлов внутри БИС;
обеспечивать защиту цепей от помех по входу, общей шине и шине питания;
изменять некоторые электрические параметры элементов на кристалле.
Библиотечный набор элементов должен обладать логической, электрической и конструктивной гибкостью. Логическая гибкость библиотеки обеспечивается использованием:
прямых и инверсных сигналов; большого числа модификаций элементов и схем, выполняющих
одинаковые функции и отличающихся числом информационных и управляющих сигналов, числом транзисторов, структурой и харак теристиками;
схем, расширяющих логические возможности элементов по входу и выходу;
цепей управления, установки, стробирования, восстановления уровней.
Логическая гибкость библиотеки обусловлена тем, что она включает большое число различных по своим функциям элементов и схем и является иерархически упорядоченной. Упорядоченность заключается в том, что она содержит отдельные компоненты и их соединения, макроэлементы, выполняющие макрофункции, с неогра ниченным или ограниченным числом уровней вложения. Ис пользование макроэлементов, выполняющих макрофункции, — это способ эквивалентного представления сложных комбинационных Схем, схем автоматов и их соединений через более простые схемы, которые входят в библиотеку. Макроэлементы и макрофункции
являются удобным средством разработки функционально-логичес кой схемы устройства и последовательного многоуровневого перехо да от нее к принципиальной схеме и топологии отдельных элемен тов в ячейках логической матрицы.
Однозначного определения макроэлемента нет, так как они могут быть образованы на каждом уровне представления и разра ботки схемы. Отличительная особенность макроэлементов в том, что они мог>т быть разработаны как функционально, конструктив но и схемотехнически законченные элементы или составлены из элементов более низкого уровня. В качестве макроэлементов в библиотеку могут входить функционально законченные узлы: мно горазрядные сумматоры, регистры, счетчики, дешифраторы, ариф-