Суворова Е.А., Шейнин Ю.Е. Проектирование цифровых систем на VHDL (2003), страница 6

Разработка виртуальных компонентов для проектирования СнК (компонентов многократного применения в различных проектах СВИС) превращается в самостоятельную форму деятельности. Сами виртуальные компоненты всех перечисленных выше классов получили собирательное название интеллектуальньп продуктов для построения СнК (1пгейесша! Ргореггу, сокращенно — 1Р). В отечественной практике такие виртуальные компоненты называют также сложными функциональными блоками (СФ-блоками). Компоненты-1Р разрабатываются и применяются фирмами-разработчиками СБИС, как традиционными фирмами-изготовителями СБИС, так и новыми независимыми фирмами, не имеющими своего производства интегральных схем (для них даже появилось специальное название — (аЫезз сошрап!ез), для которых собственно разработка и продажа 1Р-компонентов, проектирование СнК становятся основным бизнесом.

Технологии создания Систем-на-кристалле, поддерживающие их иерархические системы автоматизированного проектирования, унифицированные процедуры взаимодействия, сложившаяся система разделения труда между разработчиками и изготовителями СБИС, делает создание систем на СБИС доступным небывало широкому кругу пользователей, создает качественно новые возможности для создания высокоэффективных и экономичных систем на СВИС. Уровни и процесс проектирования СБИС В этих процессах особую роль играют методики и языки спецификации проекта на разных уровнях, реализующие их системы автоматизации программирования, моделирования и проектирования. Язык ЧН!)! решает значительную часть этих задач, от системного до логического уровня. ЧН!)1 стал фактическим стандартом в проектировании СБИС (включая СнК), он является важной составляющей рынка (Р, поддерживается практически всеми основными современными системами автоматизации проектирования СБИС.

Синтез реализации проектируемых схем на кристалле СБИС Синтез схемы по ее модели-спецификации на языке высокого уровня (в нашей книге — на языке ЧНО!.) выполняется воплощением проектируемого цифрового устройства в виде так называемого логического проекта— схемы на вентильном уровне (Оа!е-(ече!), то есть схемы, детализированной до уровня отдельных вентилей — примитивов представления цифрового устройства на логическом уровне. Элементная база технической реализации СБИС Наиболее часто говорят о представлении схемы на вентильном уровне. Сложность реализации схемы оценивают в числе вентилей, однако далеко не всегда в современной интегральной схемотехнике фактическая реализация проектируемого устройства идет в логических вентилях. Специалистам в области цифровой техники хорошо известно, что цифровая схема может быть представлена в различных базисах г28]. Выбор логических элементов при синтезе схемы определяется элементной базой технической реализации, которая обычно связана с классом СБИС, используемым для воплощения проектируемого устройства.

Полностпью заказные СБИС. Вентильное представление схем логического проекта, полученное в ходе проектирования, реализуется последующим прямым переводом в принципиальную схему на уровне транзисторов, с дальнейшей разработкой послойного рисунка топологии проектируемого кристалла. Разработанная СВИС требует постановки серийного производства в полном объеме, для всех этапов изготовления СБИС. Разработка и освоение серийного производства СБИС такого рода требует огромных затрат, которые оказываются оправданными только при массовом производстве подобных изделий, выпуске многомиллионными сериями.

Это определяет необходимость либо высокой универсальности применения заказных СБИС, многоцелевого использования их в изделиях (например, Глава 1 СБИС памяти), либо ориентации на рынки, сферы применения, которые сами могут обеспечить многомиллионные объемы рынка для них (например, периферийные СВИС, чипсеты для ПЭВМ, СБИС для мобильных телефонов, и др.).

Обычный проектировщик устройств и систем на СБИС, систем в интегральном исполнении, редко имеет дело с разработкой СБИС такого рода. При заданном уровне интегральной технологии заказные СБИС обеспечивают наилучшие характеристики по плотности размещения схемы на кристалле (а значит — по сложности схем, которые можно разместить на кристалле СВИС), по быстродействию реализуемых в СБИС устройств.

Проблема этого класса СБИС вЂ” большая трудоемкость, а следовательно, высокая стоимость разработки и постановки производства. Полузаказные СБИС (АЯС) на Базовых матричных кристаллах (БМК, бА). При проектировании цифровых устройств в интегральном исполнении, не ориентированных на многомиллионный выпуск устройств для конкретных изделий, во многих случаях наиболее приемлемым вариантом является их реализация на основе базовых матричных кристаллов (БМК).

Иные названия этого класса СВИС вЂ” вентильная матрица (Оше Аггау„ОА), вентильная матрица с масочным программированием. В этом классе интегральных схем проектирование и производство СБИС разбивается на две стадии. Первая стадия, общая для всех устройств, реализуемых на данном БМК, — общая и по проектированию, и по серийному производству. Вторая стадия — индивидуальная для каждого проектируемого устройства. На первой стадии проектируется кристалл, как универсальное техническое средство для реализации самых разных устройств. В силу универсальности, кристалл может производиться в массовом количестве, что обеспечивает его приемлемую стоимость.

Однако такой кристалл является еще только заготовкой для создания СВИС проектируемых устройств. На второй стадии, для того чтобы реализовать на кристалле конкретную функцию, конкретное устройство, набор схемных компонентов заготовки преобразуется в нужную схему посредством выполнения дополнительных соединений между ними. Эти соединения реализуются на кристалле путем напыления дополнительных слоев на уже готовый кристалл-заготовку. Для задания индивидуального рисунка межсоединений, соответствующих конкретному устройству, проектируется несколько специальных фотошаблонов (масок), число которых в несколько раз меньше, чем общее число шаблонов для изготовления законченной СВИС.

Таким образом, с помощью нескольких дополнительных шаблонов универсальный кристалл массового выпуска как бы программируется на выполнение конкретных функций, на реализацию конкретного устройства. Уровни и процесс проектирования СБИС Такие СБИС называются полузаказными (в англоязычной литературе им соответствует термин АБ1С вЂ” Арр1(салоп Бресгйс 1пгеягагед Сггсшг). Схемные компоненты кристалла-заготовки БМК вЂ” некоторый набор элементов схем, называют базовыми ячейками. Базовые ячейки регулярно, в большом количестве повторяются на плошади кристалла БМК.

Они занимают внутреннюю область кристалла БМК. Периферийную область кристалла занимают другие схемные компоненты — базовые ячейки ввода/вывода, ориентированные на реализацию внешних связей БМК. Для формирования связей поверх базового кристалла-заготовки, в БМК могут быть предусмотрены специальные свободные зоны между базовыми ячейками (такие БМК называют канальными БМК). Если таких зон на плошади кристалла не выделяется, то вся плошадь заполняется базовыми ячейками, и любая область может быть использована как для создания логической схемы, так и для создания соединений (бесканальные БМК). БМК могут строиться как массив базовых ячеек — законченных логических элементов, или как массив не скоммутированных в логическую схему транзисторов.

В классе бесканальных БМК их называют, соответственно, море вентилей и море транзисторов. Для повышения эффективности реализации, на БМК функционально-сложных устройств, включающих не только комбинационные схемы, но и значительное число элементов памяти, в современные БМК высокой степени интеграции, кроме базовых ячеек, включаются специализированные блоки памяти, реализованные на уровне топологии кристалла-заготовки. Такие БМК называют блочными БМК. В однородную структуру БМК как моря вентилей или море транзисторов как бы погружаются специализированные блоки различного назначения — блоки памяти, блоки умножителей. Реализованные на уровне топологии кристалла, они обладают существенно большей компактностью и лучшими скоростными характеристиками.

При всем разнообразии видов БМК, сохраняется традиция оценивать их сложность в эквивалентных вентивях, под которыми понимается группа элементов, соответствующая возможности' реализации функции логического вентиля — двухвходового элемента И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Заданием дополнительных соединений внутри и между базовыми ячейками реализуются функционально-законченные компоненты схемы устройства, которые принято называть функциональными ячейками. Функциональная ячейка может строиться внутри одной базовой ячейки, или на нескольких базовых ячейках.

Создание функциональных ячеек идет уже на второй из указанных стадий — на стадии создания СБИС конкретного вида путем наложения дополнительных слоев соединений на кристалл-заготовку БМК. Функциональные ячейки могут формироваться на этапе синтеза схемы проектируемого устройства по его описанию, на языке ЧНП1., или проектиро- Глава 1 ваться заранее, могут объединяться в библиотеки и уже оттуда включаться в качестве готовых компонентов схемной реализации устройства.

Обычно выпускаемые БМК сопровождаются библиотеками функциональных ячеек, которые поставляются разработчиками и производителями БМК. Сделанные вручную, высококвалифицированными проектировщиками, досконально знающими возможности и специфику своего БМК, функциональные ячейки из таких библиотек, как правило, обладают лучшими характеристиками, чем аналогичные фрагменты схем, синтезируемые автоматически. Поэтому библиотеки функциональных элементов активно используются как программными пакетами автоматического синтеза, так и проектировщиками устройств на БМК. Функциональные ячейки в значительной степени формируют базис реализации устройства, проектируемого на языке высокого уровня. Учет их состава и характеристик может оказывать существенное влияние на структурное проектирование синтезируемых моделей-спецификаций разрабатываемых устройств на СБИС.

Полузаказные СБИС имеют существенно меньшую трудоемкость и стоимость производства, чем заказные СБИС. При этом они обеспечивают достаточно хорошие характеристики — как по сложности реализуемых схем, так и по быстродействию. По сравнению с рассматриваемыми ниже РРОА, полузаказные СБИС эффективнее по техническим характеристикам (сложность, быстродействие), а при достаточном серийном выпуске изделий — и по стоимости.