Программируемые логические интегральные схемы

Средства программируемой матричной логики получили свое развитие в направлении, называемом "программируемые логические интегральные схемы" (ПЛИС). Продолжением ПЛМ и ПМЛ стали микросхемы CPLD (Complex Programmable Logic Devices – сложные программируемые логические устройства), а продолжением БМК – микросхемы FPGA (Field Programmable Gate Arrays – программируемые пользователем вентильные матрицы, где под вентилем понимается любой логический элемент). Рост уровня интеграции дал возможность размещать на кристалле схемы, сложность которых соответствует целым системам. Эти схемы именуются SOC (System On Chip – система на кристалле).

Сфера применения ПЛИС чрезвычайно широка, на них могут строиться не только крупные блоки схем, но и системы в целом, включая память и процессоры.

Средства обеспечения программируемости ПЛИС

Программируемость, т.е. возможность создания конкретного устройства на базе стандартной СБИС, обеспечивается наличием в ней множества ключей, которые в процессе программирования могут стать замкнутыми либо разомкнутыми. Состояния ключей задают ту или иную конфигурацию схемы, формируемой на кристалле. Число программируемых ключей в ПЛИС зависит от ее сложности и может доходить до нескольких миллионов. В ПЛИС используются следующие виды программируемых ключей:

• перемычки типа antifuse;

• ЛИЗМОП-транзисторы с двойным затвором;

• ключевые транзисторы, управляемые триггерами памяти конфигурации ("теневым" ЗУ).

Пробиваемые при программировании диэлектрические перемычки используются в качестве ЗЭ в однократно программируемых ЗУ (см. параграф 4.2). Перемычки типа antifuse, используемые в ПЛИС, также обеспечивают однократное программирование СБИС. Перемычка образуется трсхслойным диэлектриком с чередованием слоев "оксид – нитрид–оксид" и в исходном состоянии имеет очень высокое сопротивление (протекающий через нее ток составляет = 10-15 А).

Программирующий импульс напряжения пробивает перемычку и создает проводящий канал. Величина тока, создаваемого импульсом программирования, влияет на диаметр проводящего канала, что позволяет управлять параметрами проводящей перемычки (ток 5 мА создает перемычку с сопротивлением 600 Ом, а 15 мА – 100 Ом). ПЛИС с программированием на основе перемычек antifuse выпускаются фирмами Actel и Lattice Semiconductor.

ЛИЗМОП-транзисторы с плавающим затвором, используемые в качестве запоминающих элементов в схемах репрограммируемой памяти, также используются в ПЛИС. Из элементов со стиранием информации ультрафиолетовым излучением выделился вариант вообще без возможности стирания данных. В этих схемах в корпусе ИС прозрачное окошко, через которое происходит облучение кристалла, просто отсутствует, т.е. возможность стирания исключается.

Рспрограммируемыс ПЛИС на основе схемотехники EPROM требуют длительного (около часа) стирания старой конфигурации под воздействием ультрафиолетового излучения. Из-за деградации свойств материалов под действием излучения число циклов программирования ограничено. При этом необходимо извлекать СБИС из устройства. В ПЛИС на основе схемотехники EEPROM стирание осуществляется электрическими сигналами, что не требует извлечения микросхемы из устройства. Время стирания старой информации и записи новой составляет несколько миллисекунд, а число таких циклов – 104:106. В последнее время в репрограммируемых ПЛИС все шире используется схемотехника на основе энергонезависимых ячеек флэш-памяти.

Еще одним схемотехническим решением, используемым в ПЛИС для программирования конфигурации СБИС, стали транзисторные ключи, управляемые триггером памяти конфигурации (рис. 4.33).

Рис. 4.33. Ключевой транзистор, управляемый триггером памяти конфигурации

Ключевой транзистор VT2 замыкает или размыкает участок АВ в зависимости от состояния триггера, выход которого подключен к затвору транзистора VT2. При программировании на линию выборки подается высокий потенциал, и транзистор VT1 включается. С линии записи-чтения подается сигнал, устанавливающий триггер в состояние лог. 1 или лог. 0. В рабочем режиме транзистор заперт, и триггер сохраняет установленное состояние.

Память конфигурации представляет собой статическое ОЗУ, поэтому при выключенном питании все триггеры памяти конфигурации сбрасываются, в связи с чем каждый раз при включении требуется программирование ПЛИС. Этот процесс называется инициализацией и на него уходит время, составляющее десятки и даже сотни миллисекунд. ПЛИС с программированием на основе статического ОЗУ производят такие фирмы, как Xilinx и Altera.

Говоря об общих свойствах ПЛИС, следует отметить, что благодаря регулярной структуре они реализуются с уровнем интеграции, близким к максимальному. Так как для средств программирования межсоединений требуются затраты дополнительной площади кристалла, ПЛИС по уровню интеграции несколько уступают БМК. Однако в отличие от БМК ПЛИС не требуют каких-то завершающих технологических операций, выполняемых специально иод определенного заказчика. Потребитель ПЛИС осуществляет формирование требуемой конфигурации устройства, самостоятельно программируя ее. В результате эти СБИС могут выпускаться большими тиражами, что сразу снижает их цену. Стоимость устройства на основе ПЛИС, таким образом, становится значительно ниже, чем на основе БМК. В связи с этим в большинстве применений ПЛИС практически вытеснили БМК.