Базовые матричные кристаллы

Проектирование и изготовление БИС/СБИС — весьма дорогостоящий процесс, поэтому их производство экономически оправдано лишь при большой серийности. В то же время возможности интегральной схемотехники позволяют в виде одной микросхемы выполнить целое устройство. Базовые матричные кристаллы (БМК) явились тем средством, на основе которого при сравнительно низких затратах стало возможным выполнение специализированных устройств в виде БИС/СБИС. БМК представляют собой совокупность регулярно расположенных на полупроводниковом кристалле ячеек, каждая из которых содержит типовой набор элементов — транзисторов, резисторов. Такой кристалл является полуфабрикатом, который производится в массовых количествах без ориентации на конкретного потребителя. Чтобы на его основе было получено конкретное устройство, необходимо выполнить требуемые соединения элементов и ячеек. Выполнение соединений осуществляется на заключительных этапах изготовления, а проектирование устройства, таким образом, сводится к созданию рисунка межсоединений. Для упрощения процесса проектирования имеются библиотеки готовых решений. Каждое готовое решение предлагает определенный вариант межсоединений элементов внутри ячейки, позволяющий на базе одной или нескольких ячеек получить готовый функциональный узел — логический элемент, триггер и т. п. Проектирование устройства сводится к выбору готовых узлов и трассировке соединений между ними. Такие БИС/СБИС называются полу заказными. Естественно, что процесс проектирования и изготовления такой микросхемы значительно дешевле, чем разработка и изготовление оригинальной БИС.

Первоначально структура БМК представляла собой матрицу ячеек, называемых базовыми, которые располагались в центральной области кристалла и были изолированы друг от друга (рис. 4.32, а). Области кристалла, не занятые ячейками, служили для выполнения соединений между ячейками — трассировки каналов. Такая структура называется канальной. У канальных БМК большие возможности по созданию связей, но низкая плотность упаковки из-за значительных затрат площади кристалла на области межсоединений. Эта структура характерна для БМК, выполненных по биполярной технологии, так как биполярные элементы, в отличие от КМОП-элементов, обладают сравнительно высокой мощностью рассеивания.

В отличие от БМК с канальной структурой у БМК с бесканальной структурой (рис. 4.32, б) вся внутренняя область кристалла заполнена ячейками. В этом кристалле любая область может быть использована как для создания логической схемы, так и для создания межсоединений. Бесканальные БМК характерны для КМОП-схемотехники, в которой малая мощность рассеяния базовых ячеек позволяет добиваться высокой плотности упаковки. Бесканальные БМК реализуются в вариантах " море вентилей" и " море транзисторов" . Первый содержит массив законченных логических элементов, второй — массив транзисторов.

Рис. 4.32. Структура канального (а) и бесканалыюго (б) БМК:

1 — базовые ячейки; 2 — канаты для трассировки Так как в бесканальных БМК положение трассировочных каналов и ячеек не является жестким, и при проектировании конкретной БИС площадь кристалла может распределяться между трассировочными каналами и функциональными ячейками, потери площади кристалла снижаются. Например, в БМК, содержащем массив транзисторов, в некоторых рядах реализуются логические элементы, а другие ряды используются под трассировочные каналы, в них транзисторы остаются нескоммутированными и над ними проходят трассы.

Внутренняя область кристалла бесканального БМК окружена периферийной областью, расположенной по краям прямоугольной пластины БМК. Ячейки в периферийной области отличаются от базовых ячеек внутренней области. Они предназначены для решения задач ввода/вывода сигналов, поэтому они содержат набор специальных элементов и контактные площадки, через которые осуществляется подключение кристалла к внешним контактам микросхемы.

Возможности БМК во многом определяются числом слоев межсоединений (в настоящее время это 2:6). Многослойность облегчает трассировку и позволяет изготовлять БМК более высокого уровня интеграции. В простейшем случае двухслойной трассировки на нижнем уровне выполняют соединения внутри базовых ячеек и связи по вертикальным каналам. Этот слой делают либо в виде диффузионной области самого кристалла, либо в виде металлических дорожек. Второй слой металлизированных соединений дает разводку горизонтальных трасс и обслуживающих линий.

Рост уровня интеграции ведет к возможностям реализации на одном кристалле все более сложных устройств и систем. Это породило блочные структуры БМК. Такие БМК содержат как блоки логической обработки данных, так и память или другие специализированные блоки. Каждый из таких блоков представляет собой как бы «мини» -БМК. Между этими блоками располагаются трассировочные каналы. На периферии блоков изготовляют внутренние буферные каскады для формирования достаточно мощных сигналов, обеспечивающих передачу сигналов по межблочным связям, имеющим относительно большую длину.

В зависимости от назначения БМК подразделяются на цифровые, аналоговые и цифроаналоговые. Аналоговые и цифроаналоговые БМК, появившиеся позднее цифровых, имеют состав базовых ячеек, позволяющий получать на их основе такие схемы, как операционные усилители, аналоговые ключи и компараторы и т. д. Для их реализации используется биполярная технология. Цифровые БМК выполняют на базе КМОП-технологии.