Автоматизированное проектування СБИС на базових матричних кристаллах

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Предварительные сведения.

У цьому рефераті розглядаються технології, пов’язані с
особливостями проектування СБИС на базових матричних кристаллах.
Розповідається саме поняття базового матричного кристала. Ана-
лизируются основні етапи автоматизованого процесу пректирова-
ния.

ПОТРЕБА ЕФЕКТИВНОГО ПРЕКТИРОВАНИЯ СБИС.
СТАНДАРТНІ І ПОЛУЗАКАЗНЫЕ ИС.
БАЗОВІ КРИСТАЛИ І ТИПОВІ ЭЛЕМЕНТЫ.

Характерною тенденцією розвитку елементної бази современной
електронно-обчислювальної апаратури є швидке зростання степени
інтеграції. У умовах актуальною стає проблема ускоре-
ния темпів розробки вузлів апаратури, що становлять БІС и
СБИС. За позитивного рішення цієї проблеми важливо враховувати существование
двох різних класів інтегральних схем: стандартних (чи крупно-
серійних) і замовних. До перших належать схеми, обсяг производства
яких нині сягає мільйонів штук на рік. Тому относительно
великі видатки їх проектування конструювання оправдыва-
ются. Цей клас схем включає мікропроцесори, різного вида
напівпровідникові устрою пам’яті (ПЗУ, ОЗУ тощо.), серії стан-
дартных мікросхем та інших. Схеми, належать до другого классу,
при обсязі виробництва за кілька десятків тисяч на рік, выпус-
каються задоволення потреб окремих галузей промышленности.
Значна частина коштів вартості таких схем визначається витратами на
їх проектирование.

Основним засобом зниження вартості проектування й, глав-
ное, прискорення темпів розробки нових видів мікроелектронної ап-
паратуры є системи автоматизованого проектирования
(САПР). Через війну співдії конструкторів, направлен-
ных зменшення термінів та подальше зниження вартості проектування БІС и
СБИС, постали звані полузаказные інтегральні микросхе-
ми, у яких топологія значною мірою визначається унифи-
цированной конструкцією кристала. Перші схеми, які можна от-
нести до цього класу, з’явилися торік у 60-ті роки. Вони изготавлива-
лисій на уніфікованому кристалі з фіксованою расположением
функціональних елементів. У цьому проектування полягала в
призначенні функціональних елементів схеми на місця расположения
відповідних функціональних елементів кристала і проведении
сполук. Такий кристал отримав назву базового, поскольку
все фотошаблоны (виключаючи верстви комутації) щодо його изготовления
є постійними і залежить від реалізованої схеми. Ці крис-
таллы, проте, знайшли обмежений застосування через неэффективного
використання площі кристала, викликаного фіксованим положе-
нием функціональних елементів на кристалле.

Для часткової уніфікації топології інтегральних микросхем
(ІВ) використовувалося також проектування схем з урахуванням набору ти-
повых осередків. У разі уніфікація полягало у розробці то-
пологии набору функціональних (типових осередків, мають стандартизо-
ванні параметри (зокрема, різні розміри за вертикаллю). Про-
цесс проектування у своїй був у розміщенні у вигляді гори-
зонтальных лінійок типових осередків, відповідних функциональным
елементам схеми, в розміщення лінійок на кристалі і реализации
зв’язків, що з'єднують елементи, у проміжках між лінійками. Шири-
на таких проміжків, званих каналами, визначається процессе
трасування. Зазначимо, хоча у разі має місце унифи-
кация топології, кристал перестав бути базовим, оскільки вид всех
фотошаблонів визначається ході проектирования.

Сучасні полузаказные схеми реалізуються на базовому матрич-
ном кристалі (БМК), що містить не з'єднані між собою прост-
ейшие елементи (наприклад, транзистори), а чи не функціональні эле-

менти як і розглянутий вище базовому кристалі. Зазначені эле-
менти розташовуються на кристалі матричним способом (в вузлах пря-
моугольной грати). Тому такі схеми часто називають матричными
БІС. Як і схемах на типових осередках топологія набору логических
елементів розробляється заздалегідь. Однак у цьому разі тополо-
гія логическиго елемента створюється з урахуванням регулярно расположен-
ных найпростіших елементів. Тому під час проектування логически-
мих елемент то, можливо розміщений будь-де кристала, а для
створення всієї схеми потрібно виготовити лише фотошаблоны слоев
комутації. Основні переваги БМК, які у снижении
вартості і часу проектування, обумовлені: застосуванням БМК
для проектування й виготовлення широкого класу БІС; уменьшением
числа деталізованих рішень на ході проектування БІС; упроще-
нием контролю та внесення змін — у топологію; можливістю эф-
фективного використання автоматизованих методів конструирова-
ния, яка обумовлена однорідної структурою БМК.

Поруч із зазначеними достоїнствами БІС на БМК не обладают
граничними для даного рівня, технології параметрами як і пра-
вило, поступаються як замовним, і стандартним схемами. При этом
слід розрізняти технологічні параметри інтегральних микросхем
і функціональних вузлів (пристроїв), реалізованих цих микрос-
хемах. Хоча технологічні параметри стандартних мікросхем малой
і середній ступеня інтеграції найвищі, параметри устройств,
реалізованих з їхньої основі, виявляються щодо низкими.

ОСНОВНІ ТИПИ БМК

Базовий кристал є прямокутну многослой-
ную пластину фіксованих розмірів, де виділяють перифе-
рийную і внутрішню області (рис. 1). У периферійної області рас-
покладаються зовнішні контактні майданчики (ВКП) для осуществления
зовнішнього під'єднання і периферійні ячеики для реалізації буфер-
ных схем (рис. 2). Кожна зовнішня осередок пов’язані з однієї ВКП и
включає диодно-транзисторную структуру, що дозволить реализовать
різні буферні схеми з допомогою відповідного сполуки эле-
ментів цієї структури. У випадку в периферійної області могут
перебувати осередки різних типів. Причому периферійні осередки мо-
гут розташовуватися на БМК у різних орієнтаціях (отриманих пово-
ротом на кут, кратний 90 ", і дзеркальним відбитком). Під базовой
орієнтацією осередки розуміють становище осередки, розташованої на
нижньої боці кристалла.
???
??? ?? ?
? Переферийная? ?? ?
? ???? ??? ВО
? ?Внутрен.? ?? ?
? ?область? ? ?? ?
? ???? ???
? область? ПО??? ???? ???? ??? ?
??? ???
ПЯ ВКП
рис. 1 рис 2.

У внутрішній області кристала матричним способом располага-
ются макроячейки для реалізації елементів проектованих схем (рис.
3). Проміжки між макроячейками йдуть на электрических
сполук. При матричному розташуванні макроячеек область для
трасування природним чином розбивається на горизонтальні и
вертикальні канали. Натомість не більше макроячейки матрич-
ным способом розташовуються внутрішні осередки для реалізації логи-
ческих елементів. Різні способи розташування внутрішніх ячеек
і макроячейках показані на рис. 4. Причому поруч із размещением
осередків «впритул «застосовується розміщення з зазорами, у яких могут
проводитися траси електричних соединений.

? ??? ??? ???
? ??? a)??? c)???
? ??? ??? ??? ???
? ??? ??? ??? ???
? ??? ??? b)??? d)???
? ??? ???
??? Приклади структур макроячеек.
Структура ВО

рис. 3 рис. 4

Особливістю осередки є спеціальне розташування выво-
дов, узгоджене з структурою макроячейки. Як-от, ячейки
розміщуються в такий спосіб, щоб висновки осередків затрималися у перифе-
вдз макроячейки. Так було в одній з макроячеек висновки кожної ячейки
дублюються верхній та нижньої її сторони. У цьому є воз-
можность підключення до будь-якого висновку обабіч осередки, что
створює сприятливі умови для трасування. Останнє особенно
важливо під час проектування СБИС.

У другій макроячейке висновки осередки розташовуються лише на
одному боці, т. е. висновки осередків верхнього низки перебувають на
верхньої боці макроячейки, а нижнього -- на нижньої. Применение
таких макроячеек дозволяє скоротити необхідну площа кристалла,
але призводить до погіршення умов трасування. Тому данный
тип макроячеек використовується лише за ступеня інтеграції, не превы-
шаюшей 100 — 200 вентилів на кристал. Зазначимо, що у некоторых
типах БМК, крім однотипних макроячеек, у внутрішній області мо-
гут може бути спеціалізовані макроячейки, реалізують ти-
повые функціональні вузли (наприклад, запам’ятовуючий устройство).

Крім осередків, є заготовки для реалізації элемен-
тов, на БМК можуть бути присутні фіксовані частини сполук. К
до них відносяться шини харчування, землі, синхронізації і заготівлі для
реалізації частин сигнальних сполук. Наприклад, для макроячеек
(b) шини харчування і землі проводяться вздовж верхньої та нижньої сторон
відповідно. Для макроячеек (a, d) шини проводяться вздовж линии,
разделяюшей верхній і нижній ряди осередків, що зумовлює уменьшению
втрат площі кристала. Задля реалізації сигнальних сполук на
БМК набули поширення два виду заготовок: фиксированное
розташування односпрямованих (горизонтальних чи вертикальных)
ділянок трас в олном шарі; фіксований розташування участков
трас щодо одного прошарку й контрактних вікон, обеспечиваюших вихід фикси-
рованных трас на другий слой.

У першому випадку для реалізації комутації проектованої схемы
непотрібен розробка фотошаблона фіксованого шару, т. е.
число розроблюваних фотошаблонів зменшується на одиницю. У вто-
ром разі число розроблюваних фотошаблонів зменшується на два
(непотрібен також фотошаблон контактних вікон). Зазначимо, що в
час набули поширення різні види форми и
розташування фіксованих трас і контактних вікон. Целесообраз-
ность використання тієї чи іншої виду визначається типом макроя-
чеек, степеныо інтеграції кристала і обсягом производства.

При реалізації сполук на БМК часто виникає необходи-
мость проведення траси через область, зайняту макроячейкой. Такую
трасу називатимемо транзитної. Задля більшої такий возможнос-
ти допускається: проведення сполуки через область, зайняту ячей-
дідька лисого, проведення через зазори між осередками. Перший спосіб может
застосовуватися, тоді як осередку не реалізується елемент, чи реализация
елемента допускає використання фіксованих трас і неподклю-
ченных висновків щодо транзитної трассы.

Отже, нині розроблено велику многооб-
разие типів БМК, які мають різні пераметры. При проектиро-
вании мікросхем на БМК необхідно враховувати конструктивно-техноло-
гические характеристики кристала. До них належать геометрические
параметри кристала, форма і місцезнаходження макроячеек на кристалле
і осередків всередині макроячеек, розташування шин і загальнодосяжний спосіб коммутации
сигнальних соединений.

Отже, треба сказати, що завдання визначення структури БМК
є дуже складної, й у час вона решается
конструктором переважно з засобів автоматиза-
ции.

РЕАЛІЗАЦІЯ ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ НА БМК

Вище показано, що БМК є заготівлю, на
якої належним чином розміщені електронні прилади (тран-
зисторы та інших.). Отже, проектування мікросхеми можна бы-
ло здійснювати і приладовому рівні. Однак це спосіб не находит
поширення практиці з таких причин. По-перше, воз-
никает завдання великий розмірності. По-друге, враховуючи повторяе-
мость структури частин кристала і логічного схеми, приходится
багаторазово вирішувати однотипні завдання. Тому застосування БМК пред-
вважає використання бібліотеки типових логічних злелентов,
яка розробляється разом з конструкцією БМК. У этом
відношенні проектування матричних БІС подібно проектування пе-
чатных плат з урахуванням типових серій микросхем.

Отже, при застосуванні БМК проектируемая схема описы-
вается лише на рівні логічних елементів, а кожен елемент содержится
у бібліотеці. Ця бібліотека формується заздалегідь. Вона має обла-
дати функціональної повнотою для реалізації широкого спектра схем.
Традиційно подібні бібліотеки містять такі елементи: И-НЕ,
ИЛИ-НЕ, тригер, вхідні, вихідні підсилювачі та інших. Для реализации
елемента використовується одна чи кілька осередків кристала, т. е.
розміри елемента завжди кратні розмірам осередки. Топологія элемента
розробляється з урахуванням конструкції чарунки й представляє собой
сукупність трас, які що з наявними на кристалле
постійними частинами реалізують необхідну функцію. Саме описание
зазначених сполук і зберігається в библиотеке.

Залежно від цього, яких осередках реалізуються элементы,
можна назвати зовнішні (согласующие підсилювачі, буферні схеми и
ін.) та внутрішні, чи навіть логічні елементи. Якщо внешние
елементи мають форму прямокутників незалежно від типу кристалла,
то тут для логічних елементів сушествует велика різноманітність форм,
що визначається типом макроячеек. Так, для макроячейки, пока-

??? ??? ??? ???
?? ?? ???? ???
???? ??? ??? ???
???? ??? ??? ???
??? ??? ??? ???

рис. 5

занной на рис. 4(a), можливі форми елементів наведено на рис.
5. У цьому слід пам’ятати, кожна форма то, можливо реа-
лизована з поворотом щодо центру макроячейки на угол,
кратний 90 «. Для можливостей найкращого использования
площі кристала кожному за логічного елемента разрабатываются
варіанти тапологии, дозволяють його реалізовувати різних частях
макроячейки. Оскільки структура макроячейки має симметрией,
то їх топології, зазвичай, можна отримати з ба-
зового обертанням щодо осей симметрии.

Під час проектування лише на рівні елементів суттєвими данными
є форма логічного елемента і місцезнаходження його выводов
(цоколевка).

СИСТЕМИ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ МАТРИЧНИХ БИС

ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Завдання конструювання матричних БІС полягає у переході от
заданої логічного схеми до її фізичної реалізації на основе
БМК. У цьому вихідні дані є опис логичес-
дідька лисого схеми лише на рівні бібліотечних логічних елементів, требования
для її функціонуванню, опис конструкції БМК і библиотечных
елементів, і навіть технологічні обмеження. Потрібна получить
конструкторську документацію виготовлення працездатною мат-
ричной БІС. Важливою характеристикою будь-який електронної аппаратуры
є щільність монтажу. Під час проектування матричних БІС плот-
ность монтажу визначається вихідними даними. У цьому возможна
ситуація, коли шуканий варіант реалізації немає. Тогда
вибирається одне з двох альтернатив: або матрична БІС проектиру-
ется на БМК великих розмірів, чи частину схеми переноситься на дру-
гой кристал, т. е. зменшується обсяг проектованої схемы.

Основним вимогою нині проектом є 100%-ная реализация
сполук схеми, а традиційним критерієм, оцінюючими проект, —
сумарна довжина сполук. Саме це показник пов’язані з такими
експлуатаційними параметрами, як надійність, помехоустойчивость,
швидкодія. У цілому нині завдання конструювання матричних БІС і пе-
чатных плат близькі, що визначається заздалегідь заданої формой
елементів і високий рівень уніфікації конструкцій. Разом з тем
мають місце такі отличия:
— елементи матричних БІС мають складнішу форму (не пря-
моугольную);
— наявність кількох варіантів реалізації однієї й тієї же
типу элемента;
— позиції розміщувати елементів групуються в макроячей-
ки;
— елементи можуть утримувати проходи для транзитних трасс;
— рівномірний розподіл зовнішніх елементів у всій перифе-
вдз кристалла;
— осередок БМК, не зайнята елементом, можна використовувати для
реалізації соединений;
— число елементів матричних БІС значно перевищує значе-
ние відповідного параметра печат ных плат.

Перелічені відмінності неможливо безпосередньо использо-
вать САПР друкованих плат для проектування матричних БІС. Поэтому
нині використовують і розробляють нові САПР, пред-
призначені для проектування матричних БІС, і навіть дорабатыва-
ются і модернізуються вже діючі САПР друкованих плат для ре-
шения нових завдань. Реалізація останнього способу особливо упроща-
ется, як у системі є набір програм вирішення завдань те-
ории графів, які виникають за конструировании.

Оскільки трасування сполук на БМК ведеться від заданным
кроком на дискретному робочому полі (ДРП), необхідно щоб выводы
елементів потрапляли у клітини ДРП. Проте зовнішні висновки макроячеек
можуть розташовуватися з кроком, не кратним кроку ДРП. У цьому вся случае
використовується простий прийом запровадження фіктивних контактних площадок,
що з внутрішніми частинами осередки. Якщо траса до макроячейке
не підходить, то область фіктивної майданчики залишається свободной.

Під час розробки САПР БІС на БМК необхідно враховувати требова-
ния до систем, які диктуються специфікою розв’язуваної завдання. До них отно-
сятся:

1. Реалізація наскрізного циклу проектування від схеми до
комплектів машинних документів на виготовлення, контроль эксплуа-
тацію матричних БИС.

2. Наявність архіву даних про розробку, закладеного на долгов-
ремінних машинних носіях информации.

3. Широке застосування інтерактивних режимів усім этапах
проектирования.

4. Забезпечення роботи САПР як колективного пользова-
ния. З огляду на велику розмірність залачи проектирования,
більшість існуючих САПР матричних БІС реалізовано на высо-
копроизводительных ЕОМ. Однак у останнє брешемо дедалі більше зару-
бежных фірм застосовує і мини-ЭВМ.

ОСНОВНІ ЕТАПИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Процес проектування матричних БІС традиційно ділиться на
такі укрупнені этапы:

1. Моделювання функціонування об'єкта проектирования.
2. Розробка топологии.
3. Контроль результатів проектування й доработка.
4. Випуск конструкторської документации.

Розглянемо кожен крок у окремішності. Оскільки матрична БИС
є ненастраиваемым і ремонтоспособным об'єктом, то необ-
ходимо поки що не етапі проектування забезпечити його правильное
функціонування. Досягнення цього можливо двома способами:
створенням макета матричних БІС з урахуванням дискретних елементів и
його випробуванням і математичним моделюванням. Перший спосіб свя-
зан з більшими на тимчасовими і вартісними витратами. Тому макет
використовується тоді, що він спеціально не розробляється, а уже
існує (наприклад, під час переходу від пристроїв на пе-
чатных платах до матричним БІС). Другий спосіб потребує створення эф-
фективной системи моделювання схем великого розміру, оскільки при
моделюванні необхідно враховувати схемне оточення матричных
БІС, які з числу елементів в багато разів більший — самої схемы.

Етап розробки топології пов’язані з рішенням следуюших задач:
розміщення елементів на БМК, трасування сполук, корректировка
топології. Іноді як попереднього кроку розміщення ре-
шается спеціальна завдання компонування (розподілу елементів по
макроячейкам). І тут можливі різні на методи вирішення за-
дачі розміщення. Перший метод у тому, щоб після компонов-
кі розміщувати групи елементів, відповідних макроячейкам, а за-
тим розміщувати елементи всередині кожної макроячейки. У цьому крите-
рій оптимальності компонування вклкючает складові, определяемые
щільністю заповнення макроячеек і связностью елементів макроячей-
кі. Достоїнствами цього є скорочення розмірності за-
дачі розміщення акцій і зведення вихідної завдання до традиційних задачам
компонування і розміщення. Можливість застосування традиційних мето-
дов компонування визначається тим, що умова існування ре-
ализации групи елементів в макроячейке для отримали распростра-

нение БМК легко виражається через сумарну площа елементів і от-
носіння сумісності пар елементів. Зазначимо, що оскільки располо-
жение елементів всередині макроячеек серйозно впливає на условия
трасування сполук між макроячейками, розглянутий метод
виконання завдання розміщення декому типів БМК може давать
порівняно низькі результаты.

Інший метод розміщення полягає у розподілі елементів по
макроячейкам з урахуванням координат макроячеек. І тут в ходе
компонування визначаються координати елементів з точністю до разме-
рів макроячеек і можливість обліку становища транзитных
трас. Для матричних схем невеличкий ступеня інтеграції (до 1000
елементів на кристалі) застосовуються модифікації традиційних алго-
ритмів розміщення й трасування. Для СБИС на БМК необхідна разра-
ботка спеціальних методов.

Завдання коригування топології виникає у зв’язку з, что
існуючі алгоритми розміщення акцій і трасування можуть найти
повну реалізацію об'єкта проектування на БМК. Можлива ситуа-
ция, коли алгоритм не знаходить розміщення всіх елементів на крист-
аллі, хоча сумарна площа елементів менше площі осередків на
кристалі. Це становище може бути зумовлене як сложностью
форми елементів, і необхідністю виділення осередків для реализа-
ции транзитних трас. Завдання визначення мінімального числа макро-
осередків розміщувати елементів складної форми представляє собой
відому завдання покрытия.

Можливість відсутності повної трасування обумовлена эврист-
ическим характером застосовуваних алгоритмів. З іншого боку, в отличие
від друкованих плат начіпні провідники в матричних БІС запрещены.
Тому САПР матричних БІС обов’язково включає кошти корректи-
ровки топології. Причому у процесі коригування выполненяются
такі операції: виділення лінії содиняемых фрагментів; измене-
ние становища елементів і трас з контролем внесених изменений;
автоматична трасування зазначених сполук; контроль соот-
ветствия результатів трасування вихідної схемою. Вже сьогодні акту-
альной є завдання перепроектування будь-якого фрагмента тополо-
гії. Для матричних БІС таким фрагментом то, можливо канал для трас-
сировки, чи макроячейка, у якій варіюється розміщення элемен-
тов та інших. Рішення останньої завдання, крім реалізації функцій про-
ектирования із наперед заданими граничними умовами (определяемыми окру-
жением фрагмента), вимагає розробки апарату формирования
подсхемы, відповідної наголошеного фрагменту.

На етапі контролю перевіряється адекватність отриманого проек-
та вихідним даним. Для цього він передусім контролюється соот-
ветствие топології вихідної принципової (логічного) схемою. Не-
обходимость цього виду контролю обумовлена коригуванням топо-
логии, виконаною розробником, оскільки этог процес может
супроводжуватися внесенням помилок. Нині відомі два
способу розв’язання аналізованої завдання. Перший зводиться до восста-
новлению схеми по топології і подальшого порівнянню її з исходной.
Це завдання близька до перевірки ізоморфізму графів. Проте за практи-
ке її розв’язання можна отримати прийнятний по трудоемкости
алгоритм через існування фіксованого відповідності між не-
якими елементами порівнюваних об'єктів. Додаткова слож-
ность даного завдання пов’язана з тим, у процесі проектирования
відбувається розподіл інваріантних об'єктів (наприклад, логичес-
кі еквівалентних висновків елементів), для логічно тож-
дественных схем можуть існувати однакові описи і, сле-

довательно, потрібні спеціальні моделі, які відображатимуть инвари-
антные елементи. У випадку універсальні моделі для представ-
ления інваріантних елементів невідомі, що було однієї из
причин розвитку другого способу, за яким проводиться пов-
торное логічне моделювання відновленої схемы.

Функціонування спроектованої схеми мотає відрізнятися от
необхідного як через помилки, внесених конструктором, а й в
результаті освіти паразитних елементів. Тож более
повної оцінки працездатності матричних БІС при восстановлении
схеми по топології бажано обраховувати значення параметрів пара-
зитных ємностей і опорів і враховувати їхні при моделировании
на логічному і схемотехническом уровнях.

Існують причини, якими перелічені методи контроля
неможливо гарантувати працездатність матричних БІС. До ним
ставляться, наприклад, недосконалості моделей і методів моделирова-
ния. Тому контроль з допомогою моделювання доповнюється контро-
лем досвідченого зразка. І тому на етапі лроектирования з помощью
спеціальних програм здійснюється генерація тестів для проверки
готових БІС. Зазначимо, що з проектуванні матричних БІС прове-
дение трудомісткого геометричного контролю непотрібен, так как
трасування ведеться на ДРП, а топологія елементів контролируется
за її разработке.

Заключним етапом проектування матричних БІС является
випуск конструкторської документації, що містить информацию
(на відповідних носіях) керувати технологическими
станками-автоматами і супровідні креслення і таблиці, склад и
зміст яких регламентуються ГОСТами, а оформлення — требо-
ваниями ЕСКД. Для автоматизованого випуску графічної і текст-
овой документації зазвичай розробляється вхідний мову, который
дозволяє: компактно і наочно описувати окремі фрагменти до-
кумента; розміщувати окремі фрагменти площею документа;
видобувати необхідну інформацію з архіву і включатимуть його в фрагмен-
ти документів; роздруковувати необхідний документ.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой