Автоматизоване проектування НВІС на базових матричних кристалах

Предварительные відомості.

У цьому рефераті розглядаються технології, пов’язані особливостям проектування СБИС на базових матричних кристалах. Розповідається саме поняття базового матричного кристала. Аналізуються основні етапи автоматизованого процесу пректирования.

ПОТРЕБА ЕФЕКТИВНОГО ПРЕКТИРОВАНИЯ СБИС.

СТАНДАРТНІ І ПОЛУЗАКАЗНЫЕ ІВ.

БАЗОВІ КРИСТАЛИ І ТИПОВІ ЕЛЕМЕНТИ.

Характерною тенденцією розвитку елементної бази сучасної електронно-обчислювальної апаратури є швидке зростання ступеня інтеграції. У умовах актуальною стає проблема прискорення темпів розробки вузлів апаратури, що становлять БІС і СБИС. За позитивного рішення цієї проблеми важливо враховувати існування двох різних класів інтегральних схем: стандартних (чи крупносерийных) і замовних. До перших належать схеми, обсяги виробництва яких нині сягає мільйонів штук в рік. Тому щодо великі видатки їх проектування конструювання виправдовуються. Цей клас схем включає мікропроцесори, різного виду напівпровідникові устрою пам’яті (ПЗУ, ОЗУ тощо.), серії стандартних мікросхем та інших. Схеми, належать до другому класу, при обсязі виробництва за кілька десятків тисяч на рік, випускаються задоволення потреб окремих галузей промисловості. Значна частина коштів вартості таких схем визначається витратами їх проектування.

Основним засобом зниження вартості проектування й, головне, прискорення темпів розробки нових видів мікроелектронної апаратури є системи автоматизованого проектування (САПР). Через війну співдії конструкторів, вкладених у зменшення термінів та подальше зниження вартості проектування БІС і СБИС, постали звані полузаказные інтегральні мікросхеми, у яких топологія значною мірою визначається уніфікованої конструкцією кристала. Перші схеми, які можна зарахувати до даному класу, з’явилися торік у 60-х роках. Вони виготовлялися уніфікованому кристалі з фіксованим розташуванням функціональних елементів. У цьому проектування полягала в призначенні функціональних елементів схеми на місця розташування відповідних функціональних елементів кристала і проведенні сполук. Такий кристал отримав назва базового, бо всі фотошаблоны (виключаючи верстви комутації) для його виготовлення є постійними і залежить від реалізованої схеми. Ці кристали, проте, знайшли обмежений застосування через неефективного використання площі кристала, викликаного фіксованим становищем функціональних елементів на кристалі.

Для часткової уніфікації топології інтегральних мікросхем (ІВ) використовувалося також проектування схем з урахуванням набору типових осередків. У разі уніфікація полягало у розробці топології набору функціональних (типових осередків, мають стандартизованные параметри (зокрема, різні розміри по вертикалі). Процес проектування у своїй був у розміщенні у вигляді горизонтальних лінійок типових осередків, відповідних функціональним елементам схеми, в розміщення лінійок на кристалі і реалізації зв’язків, що з'єднують елементи, у проміжках між лінійками. Ширина таких проміжків, званих каналами, визначається процесі трасування. Зазначимо, хоча у разі має місце уніфікація топології, кристал перестав бути базовим, оскільки вид всіх фотошаблонів визначається ході проектування.

Сучасні полузаказные схеми реалізуються на базовому матричному кристалі (БМК), що містить не з'єднані між собою найпростіші елементи (наприклад, транзистори), а не функціональні елементи, як в розглянутий вище базовому кристалі. Зазначені елементи розташовуються на кристалі матричним способом (в вузлах прямокутної грати). Тому такі схеми часто називають матричними БІС. Як і схемах на типових осередках топологія набору логічних елементів розробляється заздалегідь. Однак у цьому разі топологія логическиго елемента створюється з урахуванням регулярно розташованих найпростіших елементів. Тому під час проектування логическимих елемент то, можливо розміщений у кожному місці кристала, а до створення всієї схеми потрібно виготовити лише фотошаблоны верств комутації. Основні переваги БМК, які полягають в зниженні вартості і часу проектування, обумовлені: застосуванням БМК для проектування й виготовлення широкого класу БІС; зменшенням числа деталізованих рішень на ході проектування БІС; спрощенням контролю та внесення змін — у топологію; можливістю ефективне використання автоматизованих методів конструювання, яка обумовлена однорідної структурою БМК.

Поруч із зазначеними достоїнствами БІС на БМК не мають граничними для даного рівня, технології параметрами і, зазвичай, поступаються як замовним, і стандартним схемами. При цьому варто розрізняти технологічні параметри інтегральних мікросхем і функціональних вузлів (пристроїв), реалізованих на цих мікросхемах. Хоча технологічні параметри стандартних мікросхем малої і середній ступеня інтеграції найвищі, параметри пристроїв, реалізованих з їхньої основі, виявляються щодо низькими.

ОСНОВНІ ТИПИ БМК.

Базовий кристал є прямокутну багатошарову пластину фіксованих розмірів, на якої виділяють периферійну і внутрішню області (рис. 1). У периферійної області розташовуються зовнішні контактні майданчики (ВКП) для здійснення зовнішнього під'єднання і периферійні ячеики для реалізації буферних схем (рис. 2). Кожна зовнішня осередок пов’язана з однієї ВКП і включає диодно-транзисторную структуру, що дозволить реалізувати різні буферні схеми з допомогою відповідного сполуки елементів цієї структури. У випадку в периферійної області спроможні перебувати осередки різних типів. Причому периферійні осередки можуть розташовуватися на БМК у різних орієнтаціях (отриманих поворотом на кут, кратний 90 ", і дзеркальним відбитком). Під базової орієнтацією осередки розуміють становище осередки, розташованої на нижньої боці кристала.

У внутрішній області кристала матричним способом розташовуються макроячейки для реалізації елементів проектованих схем (рис. 3). Проміжки між макроячейками використовуються для електричних сполук. При матричному розташуванні макроячеек область для трасування природним чином розбивається на горизонтальні і вертикальні канали. Натомість не більше макроячейки матричним способом розташовуються внутрішні осередки для реалізації логічних елементів. Різні способи розташування внутрішніх осередків і макроячейках показані на рис. 4. Причому поряд з розміщенням осередків «впритул «застосовується розміщення з зазорами, в яких можуть відбуватися траси електричних соединений.

¦ ———— —T- —T-T-T-T-T.

¦ L———— a)±±+ c)±±±±±+;

¦ ————— —— L-+— L-±±±±±+.

¦ L————— L—- —T-T-T-T-T —TT-TT-TT-TT-TT.

¦ ————— ——- b) L-±±±±± d) L-+±+±+±++;

¦ L————— L—-;

L—————————- Приклади структур макроячеек.

Структура ВО.

Особливістю осередки є спеціальне розташування висновків, узгоджене з структурою макроячейки. А саме, осередки розміщуються в такий спосіб, щоб висновки осередків затрималися у периферії макроячейки. Так було в одній з макроячеек висновки кожної осередки дублюються верхній та нижньої її сторони. У цьому є можливість підключення до будь-якого висновку з двох сторін осередки, що створює сприятливі умови для трасування. Що особливо важливо під час проектування СБИС.

У другій макроячейке висновки осередки розташовуються лише з одного боку, т. е. висновки осередків верхнього низки перебувають верхній боці макроячейки, а нижнього — на нижньої. Застосування таких макроячеек дозволяє скоротити необхідну площа кристала, але призводить до погіршення умов трасування. Тому даний тип макроячеек використовується лише за ступеня інтеграції, не превышаюшей 100 200 вентилів на кристал. Зазначимо, що в деякі типи БМК, крім однотипних макроячеек, у внутрішній області не можуть може бути спеціалізовані макроячейки, реалізують типові функціональні вузли (наприклад, запам’ятовуючий пристрій).

Крім осередків, є заготовки для реалізації елементів, на БМК можуть бути присутні фіксовані частини сполук. До них належать шини харчування, землі, синхронізації і заготівлі для реалізації частин сигнальних сполук. Наприклад, для макроячеек (b) шини харчування і землі проводяться вздовж верхньої і нижньої сторін відповідно. Для макроячеек (a, d) шини проводяться вздовж лінії, разделяюшей верхній і нижній ряди осередків, що зумовлює зменшенню втрат площі кристала. Задля реалізації сигнальних сполук на БМК набули поширення два виду заготовок: фіксований розташування односпрямованих (горизонтальних чи вертикальних) ділянок трас в олном шарі; фіксований розташування ділянок трас щодо одного прошарку й контрактних вікон, обеспечиваюших вихід фіксованих трас на другий шар

У першому випадку для реалізації комутації проектованої схеми непотрібен розробка фотошаблона фіксованого шару, т. е. число розроблюваних фотошаблонів зменшується на одиницю. У другий випадок число розроблюваних фотошаблонів зменшується на два (непотрібен також фотошаблон контактних вікон). Зазначимо, що нині набули поширення різні види форми і розташування фіксованих трас і контактних вікон. Доцільність використання тієї чи іншої виду визначається типом макроячеек, степеныо інтеграції кристала і обсягом виробництва.

При реалізації сполук на БМК часто виникла потреба проведення траси через область, зайняту макроячейкой. Таку трасу називатимемо транзитної. Задля більшої такої можливості допускається: проведення сполуки через область, зайняту осередком, проведення через зазори між осередками. Перший спосіб може застосовуватися, тоді як осередку не реалізується елемент, чи реалізація елемента допускає використання фіксованих трас і непідключених висновків щодо транзитної траси.

Отже, нині розроблено велику розмаїття типів БМК, які мають різні пераметры. Під час проектування мікросхем на БМК необхідно враховувати конструктивно-технологічні характеристики кристала. До них ставляться геометричні параметри кристала, форма і місцезнаходження макроячеек на кристалі і осередків всередині макроячеек, розташування шин і спосіб комутації сигнальних сполук.

Отже, треба сказати, що завдання визначення структури БМК є дуже складної, і в справжнє час вона вирішується конструктором переважно з засобів автоматизації.

РЕАЛІЗАЦІЯ ЛОГІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ НА БМК.

Вище показано, що БМК є заготівлю, де належним чином розміщені електронні прилади (транзистори та інших.). Отже, проектування мікросхеми можна було здійснювати і приладовому рівні. Однак це спосіб не знаходить поширення практиці з таких причин. По-перше, виникає завдання великий розмірності. По-друге, враховуючи повторюваність структури частин кристала і логічного схеми, доводиться багаторазово вирішувати однотипні завдання. Тому застосування БМК припускає використання бібліотеки типових логічних злелентов, яка розробляється разом з конструкцією БМК. У такому випадку проектування матричних БІС подібно проектування друкованих плат з урахуванням типових серій мікросхем.

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

Залежно від цього, яких осередках реалізуються елементи, можна назвати зовнішні (согласующие підсилювачі, буферні схеми та інших.) та внутрішні, чи навіть логічні елементи. Якщо зовнішні елементи мають форму прямокутників незалежно від типу кристала, то тут для логічних елементів сушествует велике різноманітні форми, що визначається типом макроячеек. Так, для макроячейки, можливі форми елементів наведено на рис. 5. У цьому слід пам’ятати, кожна форма може бути з поворотом щодо центру макроячейки на кут, кратний 90 ". Для можливостей найкращого використання площі кристала кожному за логічного елемента розробляються варіанти тапологии, дозволяють його реалізовувати різних частинах макроячейки. Оскільки структура макроячейки має симетрією, то їх топології, зазвичай, можна отримати з базового обертанням щодо осей симетрії.

Під час проектування лише на рівні елементів суттєвими даними є форма логічного елемента і розташування його висновків (цоколевка).

СИСТЕМИ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ МАТРИЧНИХ БІС ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

Завдання конструювання матричних БІС полягає в переході від заданої логічного схеми до її фізичної реалізації на основі БМК. У цьому вихідні дані є опис логічного схеми лише на рівні бібліотечних логічних елементів, вимоги для її функціонуванню, опис конструкції БМК і бібліотечних елементів, і навіть технологічні обмеження. Потрібна отримати конструкторську документацію виготовлення працездатною матричної БІС. Важливою характеристикою будь-який електронної апаратури є щільність монтажу. Під час проектування матричних БІС щільність монтажу визначається вихідними даними. При цьому не виключено, коли шуканий варіант реалізації не існує. Тоді вибирається одне з двох альтернатив: або матрична БІС проектується на БМК великих розмірів, чи частину схеми переноситься в інший кристал, т. е. зменшується обсяг проектованої схеми.

Основним вимогою нині проектом є 100%-ная реалізація сполук схеми, а традиційним критерієм, оцінюючими проект, сумарна довжина сполук. Саме це показник пов’язані з такими експлуатаційними параметрами, як надійність, стійкість перед перешкодами, швидкодія. У цілому нині завдання конструювання матричних БІС і більшістю друкованих плат близькі, що визначається заздалегідь заданої формою елементів і високий рівень уніфікації конструкцій. Разом з тим мають місце такі відмінності: елементи матричних БІС мають складнішу форму (не прямокутну); наявність кількох варіантів реалізації одного і того типу елемента; позиції розміщувати елементів групуються в макроячейки; елементи можуть утримувати проходи для транзитних трас; рівномірний розподіл зовнішніх елементів у всій периферії кристала; осередок БМК, не зайнята елементом, може використовуватися для реалізації сполук; число елементів матричних БІС значно перевищує значення відповідного параметра друкованих плат.

Перелічені відмінності неможливо безпосередньо використовувати САПР друкованих плат для проектування матричних БІС. Тож у час використовують і розробляють нові САПР, призначені для проектування матричних БІС, а також доопрацьовуються і модернізуються вже діючі САПР друкованих плат на вирішення нових завдань. Реалізація останнього способу особливо спрощується, як у системі є набір програм вирішення завдань теорії графів, які виникають за конструюванні.

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

Під час розробки САПР БІС на БМК необхідно враховувати вимоги до систем, які диктуються специфікою розв’язуваної завдання. До до них відносяться: 1. Реалізація наскрізного циклу проектування від схеми до комплектів машинних документів на виготовлення, контроль експлуатацію матричних БІС.

2. Наявність архіву даних про розробку, закладеного на довгострокових машинних носіях інформації.

3. Широке застосування інтерактивних режимів на всіх етапах проектування.

4. Забезпечення роботи САПР в режимі колективного користування. З огляду на велику розмірність залачи проектування, більшість існуючих САПР матричних БІС реалізовано на високопродуктивних ЕОМ. Однак у останнє брешемо все більше зарубіжних фірм застосовує і мини-ЭВМ.

ОСНОВНІ ЕТАПИ ПРОЕКТУВАННЯ.

Процес проектування матричних БІС традиційно ділиться ми такі укрупнені етапи:

1. Моделювання функціонування об'єкта проектування.

2. Розробка топології.

3. Контроль результатів проектування й доопрацювання.

4. Випуск конструкторської документації.

Розглянемо кожен крок у окремішності. Оскільки матрична БІС є ненастраиваемым і ремонтоспособным об'єктом, необхідно ще на етапі проектування забезпечити його правильне функціонування. Досягнення цього можливо двома способами: створенням макета матричних БІС з урахуванням дискретних елементів та її випробуванням і математичним моделюванням. Перший спосіб пов’язані з великими тимчасовими і вартісними витратами. Тому макет використовується тоді, що він спеціально не розробляється, а потім уже існує (наприклад, під час переходу від пристроїв на друкованих платах до матричним БІС). Другий спосіб потребує створення ефективну систему моделювання схем великого розміру, бо за моделюванні необхідно враховувати схемне оточення матричних БІС, які з числу елементів в багато разів більше від самої схеми.

Етап розробки топології пов’язані з рішенням наступних завдань: розміщення елементів на БМК, трасування сполук, коригування топології. Іноді як попереднього кроку розміщення вирішується спеціальна завдання компонування (розподілу елементів по макроячейкам). І тут можливі різні на методи вирішення завдання розміщення. Перший метод у тому, щоб після компонування розміщувати групи елементів, відповідних макроячейкам, та був розміщувати елементи всередині кожної макроячейки. При цьому критерій оптимальності компонування включає складові, зумовлені щільністю заповнення макроячеек і связностью елементів макроячейки. Достоїнствами цього є скорочення розмірності завдання розміщення й зведення вихідної завдання до традиційним завданням компонування і розміщення. Можливість застосування традиційних методів компонування визначається тим, що умова існування реалізації групи елементів в макроячейке для отримали поширення БМК легко виражається через сумарну площа елементів і ставлення сумісності пар елементів. Зазначимо, що оскільки розташування елементів всередині макроячеек істотно впливає на умови трасування сполук між макроячейками, розглянутий метод виконання завдання розміщення декому типів БМК може давати порівняно низькі результати.

Інший метод розміщення полягає у розподілі елементів по макроячейкам з урахуванням координат макроячеек. І тут в ході компонування визначаються координати елементів з точністю до розмірів макроячеек і можливість обліку становища транзитних трас. Для матричних схем невеличкий ступеня інтеграції (до 1000 елементів на кристалі) застосовуються модифікації традиційних алгоритмів розміщення акцій і трасування. Для СБИС на БМК необхідна розробка спеціальних методів.

Завдання коригування топології виникає у зв’язки й з тим, що наявні алгоритми розміщення акцій і трасування можуть не знайти повну реалізацію об'єкта проектування на БМК. Можлива ситуація, коли алгоритм не знаходить розміщення всіх елементів на кристалі, хоча сумарна площа елементів менше площі осередків на кристалі. Це становище може бути зумовлено як складністю форми елементів, і необхідністю виділення осередків для реалізації транзитних трас. Завдання визначення мінімального числа макроячеек розміщувати елементів складної форми представляє собою певну завдання покриття.

Можливість відсутності повної трасування обумовлена эвристическим характером застосовуваних алгоритмів. З іншого боку, в на відміну від друкованих плат навісні провідники в матричних БІС заборонені. Тому САПР матричних БІС обов’язково включає кошти коригування топології. Причому у процесі коригування виконуються такі операції: виділення лінії соединяемых фрагментів; зміну розташування елементів і трас з контролем внесених змін; автоматична трасування зазначених сполук; контроль відповідності результатів трасування вихідної схемою. Вже зараз попереду стоїть завдання перепроектування будь-якого фрагмента топології. Для матричних БІС таким фрагментом то, можливо канал для трасування, чи макроячейка, у якій варіюється розміщення елементів та інших. Рішення останньої завдання, крім реалізації функцій проектування із наперед заданими граничними умовами (определяемыми оточенням фрагмента), вимагає розробки апарату формування подсхемы, відповідної наголошеного фрагмента.

На етапі контролю перевіряється адекватність отриманого проекту вихідним даним. Для цього він передусім контролюється відповідність топології вихідної принципової (логічного) схемою. Необхідність цього виду контролю обумовлена коригуванням топології, виконаною розробником, оскільки этог процес може супроводжуватися внесенням помилок. У цей час відомі два способу розв’язання аналізованої завдання. Перший зводиться до відновлення схеми по топології і подальшого порівнянню її із вихідною. Це завдання близька до перевірки ізоморфізму графів. Проте за практиці її розв’язання можна отримати прийнятний по трудомісткості алгоритм через існування фіксованого відповідності між деякими елементами порівнюваних об'єктів. Додаткова складність такої завдання пов’язана з тим, що у процесі проектування відбувається розподіл інваріантних об'єктів (наприклад, логічно еквівалентних висновків елементів), тому для логічно тотожних схем можуть існувати однакові описи і, отже, потрібні спеціальні моделі, які відображатимуть інваріантні елементи. У випадку універсальні моделі до подання інваріантних елементів невідомі, що було однієї з причин їхнього розвитку другого способу, за яким проводиться повторне логічне моделювання відновленої схеми.

Функціонування спроектованої схеми мотає відрізнятиметься від необхідного як через помилки, внесених конструктором, а й у результаті освіти паразитних елементів. Тому для повнішої оцінки працездатності матричних БІС при відновленні схеми по топології бажано обраховувати значення параметрів паразитних ємностей і опорів і враховувати їхні при моделюванні на логічному і схемотехническом рівнях.

Існують причини, якими перелічені методи контролю неможливо гарантувати працездатність матричних БІС. До них належать, наприклад, недосконалості моделей і методів моделювання. Тому контроль з допомогою моделювання доповнюється контролем досвідченого зразка. І тому на етапі лроектирования з допомогою спеціальних програм здійснюється генерація тестів для перевірки готових БІС. Зазначимо, що з проектуванні матричних БІС проведення трудомісткого геометричного контролю непотрібен, так як трасування ведеться на ДРП, а топологія елементів контролюється їх розробники.

Заключним етапом проектування матричних БІС є виготовлення конструкторської документації, яка містить інформацію (на відповідних носіях) для управління технологічними станками-автоматами і супровідні креслення і таблиці, склад парламенту й зміст яких регламентуються ГОСТами, а оформлення вимогами ЕСКД. Для автоматизованого випуску графічної і текстовій документації зазвичай розробляється вхідний мову, що дозволяє: компактно і наочно описувати окремі фрагменти документа; розміщувати окремі фрагменти на площі документа; видобувати необхідну інформацію з архіву і включатимуть його в фрагменти документів; роздруковувати необхідний документ.