Конструкция быстродействующего устройства ЭВМ с интеграцией 50000 ЛЭ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Факультет ВАВТ

Кафедра ВТ

Специальность 220100

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему:

«Конструкция быстродействующего устройства ЭВМ с интеграцией

50000 ЛЭ в объёме сверхбольшой интегральной схемы (СБИС)»

Дисциплина: «Электронное конструирование ЭВМ»

Задание № 1

Студент

Группа

Шифр

Начало работы 7 февраля 2006 г. Окончание работы _____________

Руководитель проф. Микитин В.И.

Допущен к защите _________________

МОСКВА

2006

ЗАДАНИЕ

на КУРСОВУЮ РАБОТУ по дисциплине "Электронное конструирование ЭВМ”

Вариант типового задания № 1

I. ТЕМА РАБОТЫ:

Спроектировать конструкцию быстродействующего обра­батывающего устройства ЭВМ в объеме одной СБИС.

Обеспечить помехоустойчивость конструкции, ее ремонтопригодность и разъем­ный принцип монтажа в изделиях.

Оценить уровень системного и функционального быст­родействия устройства на уровне СБИС.

II. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

1) Максимальная эффективная интеграция СБИС: N_эф.max = 50000 ЭЛЭ;

2) Принцип компоновки элементов в СБИС на всех уровнях: микропроцессорный;

3) Общее число уровней компоновки элементов в СБИС: четыре (i=1, 2, 3, 4);

4) Число элементов на последнем уровне компоновки: М4 = 25;

5) Библиотечные функции микросхем характеризуются

двумя уровнями (i=1, 2) компоновки и составляют: М1 = 10; (М2, М3 – определяются студентом в процессе проектирования);

6) Критерий качества конструкции: максимальное быстродействие и плотность компоновки;

7) Тип коммутационного элемента и условия

трассировки соединений: Кристалл СБИС, 2 логических слоя.

8) Условия монтажа в конструктивном модуле

более высокого уровня: с использованием МУС соединение

III. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ:

(Перечень вопросов, подлежащих разработке)

1) титульный лист;

2) задание, утвержденное преподавателем;

3) оглавление;

4) введение;

5) выбор схемотехники, уровня технологии и параметров базо­вого матричного кристалла;

6) расчет основных компоновочных параметров логической схе­мы;

7) расчет энергетических параметров (U, Р, I);

8) выбор системы охлаждения и обоснование требо­ваний к конструктивным элементам;

9) описание принципов обеспечения помехоустойчивости конс­трукции;

10) расчет конструкции коммутационного элемента;

11) выбор и обоснование общей конструкции;

12) расчет параметров системного и функционального быстро­действия;

13) выбор и обоснование технических решений по конструкции соединителей для разъемного монтажа;

14) технологическая часть – описание технологического процесса изготовления (или сборки);

15) заключение;

16) листинги программ и результаты расчета на ЭВМ (если программы разрабатывались или использовались);

17) список литературы.

IV. ПЕРЕЧЕНЬ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА:

(с точным указанием обязательных чертежей в объеме 2-3 листов)

- схема электрическая принципиальная БЛЭ – 0,5 листа;

- топологический чертеж БМК – 0,5 листа;

- чертеж общего вида коммутационного элемента – 1 лист;

- сборочный чертеж устройства – 1 лист;

- сборочный чертеж разъемного соединителя – 1 лист;

- схема техпроцесса изготовления коммутационного элемента (или техпроцесса сборки) – 1 лист.

Оглавление

Оглавление 5

Введение 6

Раздел 1. Выбор схемотехники, уровня технологии и параметров базо­вого матричного кристалла. 7

Структура БМК

Раздел 2. Расчет основных компоновочных параметров логической схемы 8

Уровни компоновки

Определение максимальной интеграции

Уровень полупроводниковой технологии

Габаритные размеры БМК

Расчет основных компоновочных параметров

Раздел 3. Расчет энергетических параметров (U, Р, I) 10

Мощность потребления ЭЛЭ

Рассеиваемая мощность

Раздел 4. Выбор системы охлаждения и обоснование требо­ваний к конструктивным элементам 11

Раздел 5. Описание принципов обеспечения помехоустойчивости конс­трукции 12

Раздел 6. Расчет конструкции коммутационного элемента 13

Среднее число связей

Средние длины связей и логических цепей

Трассировочная способность

Слойность структуры

Раздел 7. Выбор и обоснование общей конструкции 15

Число контактов

Количество выводов

Габариты корпуса СБИС

Топология подложки

Требования к корпусу СБИС

Раздел 8. Расчет параметров системного и функционального быстро­действия 17

Раздел 9. Выбор и обоснование технических решений по конструкции соединителей для разъемного монтажа 18

Обоснование введения

Электрические параметры

Раздел 10. Технологическая часть – описание технологического процесса изготовления (или сборки) 19

Заключение 20

Список литературы 21

Графическая часть:

Элемент логический КМОП

Корпусная СБИС

Соединитель МУС

ВВЕДЕНИЕ

Для обозначения микросхем со степенью интеграции выше 10⁴ элементов на кристалле в конце 70-х годов появился термин "сверхбольшие интегральные схемы" (СБИС).

В начале своего развития электронная промышленность представляла собой отрасль техники, целиком основанную на операциях сборки, и позволяла реализовать весьма сложные функции путем объединения множества элементов в одном изделии. При этом значительная часть прироста стоимости изделий была связана с процессом сборки. Основными этапами этого процесса являлись этапы проектирования, выполнения и проверки соединений между электронными компонентами.

Исторически сложилось так, что первоначально внимание к ИС привлекли такие их особенности, как малые размеры и масса, а затем развитие техники ИС, позволяющей скомпоновать на поверхности кристалла значительное количество элементов, включая меж соединения, постепенно привело к возможности создания СБИС. Т.о. стало возможным не только "повышение экономичности" электронных схем, но и улучшение их характеристик с одновременным повышением надежности. Развитие техники и технологии СБИС обусловило весьма существенные вменения в специфике электронной промышленности, заключающееся в совершенствовании процесса изготовления ИС и методов их проектирования. Типичным фактором первой группы является совершенствование микро технологии. Уменьшение размеров полупроводниковых приборов позволяет одновременно добиться как улучшения характеристик ИС, формально определяемых законом пропорциональности размеров, так и улучшения их экономических (материальных и энергетических) показателей, связанных с уменьшением площади кристалла.

Совершенствование германиевой технологии сделало возможным создание ряда приборов, включая германиевые точечные и сплавные транзисторы. Однако вскоре германий был заменен кремнием, обладающим таким важным свойством, как возможность получения в окислительной среде тонкого, прочного и влагонепроницаемого диэлектрического слоя аморфной двуокиси кремния (SiO₂).

В 60-х годах наибольшее распространение получили ИС на основе биполярных транзисторах. Начиная с 1975 г. на рынке превалируют цифровые ИС на основе МОП-структур. Преимущества ИС на основе МОП-структур: миниатюризация, низкое потребление мощности, высокий процент выхода, высокое быстродействие, высокий уровень технологичности.

В технологии СБИС степень интеграции превышает 2¹⁵ элементов на кристалл. Уровень миниатюризации, который был использован при производстве процессора Intel Pentium в 1993 году, составлял 0,8 мкм, сейчас используются транзисторы с длиной канала 0,18 мкм, а в перспективе - разработка устройств с длиной канала в 0,13 мкм, что в плотную приближается к пределу физических ограничений на работу такого рода транзисторов.

Технология сверхбольших интегральных схем обеспечивает разработку и промышленное освоение выпуска широкой номенклатуры интегральных схем, составляющих элементную базу высокопроизводительных ЭВМ, специализированной и бытовой радиоэлектронной аппаратуры, средств связи и телекоммуникаций, в том числе космического базирования. При данной технологии возможные минимальные рабочие размеры составляют 0,1-0,5 мкм и менее (до 70 нм к 2010 году), достигаются высокая производительность за счет использования пластин большого диаметра (200 и более мм) и полной автоматизации процессов, значительный процент выхода годных электронных приборов и высокая окупаемость вкладываемых в производство средств.

Нанотехнология станет промышленной приблизительно начиная с 2010 года, что откроет перспективу создания принципиально нового поколения приборов и интегральных схем на новых физических эффектах и приведет в дальнейшем к коренным преобразованиям во многих областях деятельности, в первую очередь - в науке, образовании, управлении производством, в том числе при создании микро роботов.

1. Выбор схемотехники, уровня технологии и параметров

базового матричного кристалла (БМК)

Исходя из предложения ТЗ о необходимости реализации в проектируемой СБИС критериев надёжности, малой потребляемой мощности и площади СБИС, представляется возможным выбор комплиментарной МОП-технологии.

КМОП схемотехника характеризуется сравнительно невысоким быстродействием по сравнению с ЭСЛ и более высоким относительно ТТЛ схемотехникой. Главные достоинства КМОП схемотехники - это малая потребляемая мощность и высокая помехоустойчивость (Uл=Uпит). Из этих достоинств вытекают и преимущества аппаратуры на этих микросхемах:

- дешевые малогабаритные корпуса;

- плотная упаковка корпусов на плате;

- отсутствие специального охлаждения аппаратуры или простота охлаждения с одним вентилятором;

- простота реализации линий связи между ИМС в многослойной плате;

- отсутствие дополнительных резисторов в линиях связи между ИМС на плате.

Внешние логические уровни в цепях связи КМОП микросхем соответствуют напряжению источника питания (0 В и +Uпит). В большинстве случаев Uпит=5 В. Внутренние логические уровни соответствуют внешним и нет необходимости во входных трансляторах.

- Потребляемая мощность ЛЭ в статическом режиме 50 мкВт

- Задержка на КМОП вентиле: от 10 до 50 нс.

Таблица 1.1.

Результаты исследования параметров кристалла СБИС

Структура БМК

Структура БМК включает в себя: