Базовые кристаллы
Разработка базовых кристаллов (БК) – новый подход к созданию процессорных БИС. Это важное направление, дополняющее два других – разработку специализированных (заказных) БИС и микропроцессорных комплектов.
Первые БК предназначались для построения высокопроизводительной ЭВМ и появились как средство преодоления следующего противоречия. Для построения узлов ЭВМ можно применить имеющиеся стандартные БИС, но всегда остается часть системы, которая не может быть эффективно реализована на стандартных схемах высокого уровня интеграции. В этом случае ранее можно было поступить двояко: разработать заказные БИС или применить ИМС малого и среднего уровня интеграции. Первое сопряжено с большими затратами времени и средств, а второе резко увеличивает число корпусов в системе и сложность монтажа, снижает быстродействие и компактность.
Использование БК позволило выполнить и нетиповую часть системы на БИС, то есть расширило область применения ИМС высокого уровня интеграции.
Базовый кристалл – это совокупность регулярно расположенных на кристалле топологических фрагментов (ячеек), между которыми имеются свободные зоны для создания межсоединений.
Такой кристалл изготавливается безотносительно к какому-либо заказчику и является заготовкой, которую можно приспособить к определенному функционированию путем выполнения необходимых межсоединений.
Потребитель имеет возможность реализовать на основе БК некоторое множество устройств определенного класса, задав для кристалла тот или иной вариант рисунка межсоединений. Для изготовленных на основе БК БИС - матричных БИС или МаБИС применяют термин «полузаказные».
Стоимость и сроки изготовления МАБИС в 4-5 раз меньше, чем для заказных БИС, так как заказные БИС нужно проектировать и изготавливать от начала до конца, а БИС на основе БК создается путем доработки полуфабриката, прошедшего уже больше половины пути создания БИС.
Плата за сокращение сроков и стоимости – неоптимальность МАБИС. Взаимное расположение элементов схемы, пути межсоединений в МАБИС не являются наилучшими. Часть элементов избыточна, то есть не будет использоваться в этой схеме.
По площади кристалла и быстродействию МАБИС проигрывают заказным БИС. В сравнении с реализациями на МИС и СИС применение БК дает существенное улучшение параметров систем.
Разновидности БК.
Термин базовый кристалл в настоящее время охватывает уже несколько схемотехнических решений. По форме представления информации БК делят на цифровые, аналоговые и смешанные.
Цифровые БК подразделяют на вентильные матрицы (ВМ), некоммутированные логические матрицы (НЛМ) и комбинированные вентильные матрицы.
ВМ – представляют собой некоммутированные матрицы логических ячеек. Чаще всего ячейка – базовый элемент И-НЕ. ИЛИ-НЕ с 2-3 входами. Настройка ВМ на воспроизведение требующейся функции заключается в соединении ячеек матрицы.
НЛМ в составе топологических фрагментов содержат отдельные схемные компоненты – транзисторы, резисторы.
Компоненты образуют ту или иную схему зависимости от заданных потребителем межсоединений.
Amdahl Corporation ЭСЛ кристалл 4´4 мм.
При изготовлении МАБИС использовали 13 фотошаблонов. НЛМ изготовлялась с помощью 10 постоянных шаблонов, а 3 переменных шаблона служили для задания рисунка межсоединений.
Изготовила аналог действующей ЭВМ с архитектурой того же типа, но с заменой МИС и СИС на МАБСИ. Быстродействие возросло в 3 раза, показатель производительности, стоимость улучшилась в 2 раза. При общем количестве 2000 БИС число типов составило 102.
Параметры БК.
I группа оценивает логическую мощность ячеек матрицы – число различных логических элементов, реализуемых на базовой ячейке, число эквивалентных простейших логических элементов, коэффициент разветвления и объединения для этих элементов и т.д.
II группа – электрические параметры – задержка распространения сигналов, потребляемая электрическая мощность, энергия переключения, напряжение питания, уровни напряжения логических сигналов и т.д.
III группа – конструкторско-технологические параметры – площадь фрагмента, площадь кристалла, число БЛ на кристалле и число выводов и т.д.
Проектная норма (минимальный технологический размер) 3мкм в 80 годы (на кристалле несколько тысяч ячеек).
Нормы 2 и 1,2 мкм.
Наибольший уровень интеграции – КМОП (+ малое потребление).
Наибольшее быстродействие – ЭСЛ.
Проектировка на арсениде галлия.
Проектирование БИС на основе БК.
Можно говорить о проектировании самого БК и проектировании БИС на его основе.