9

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СВТ и

проблемы электронного конструирования

Микитин В.М.

Конструирование современных ЭВМ любого назначения представляет собой сложный процесс создания (разработки) широкого спектра конструкторской документации на элементы (БИС, СБИС), функциональные узлы, блоки, устройства и ЭВМ в целом, предназначенной для последующего изготовления и эксплуатации. Характер решаемых задач в процессе разработки КД самый разнообразный: от задач по обеспечению механической прочности, надежности и тепловых режимов в конструкциях до задач по обеспечению заданного быстродействия, помехоустойчивости и электромагнитной совместимости. В общем процессе конструирования особое место занимают вопросы, связанные с конструированием электронной части устройств ЭВМ. Они имеют свои особенности, которые заключаются в том, что электронная часть предназначена для выполнения главной функции ЭВМ, а именно, для обработки, обмена и получения результатов вычислений по заданным алгоритмам и программам. Поэтому конструирование электронной части связано с решением широкого спектра сложных специфических задач по выбору оптимальных параметров логических элементов, по компоновке и оптимальному выбору параметров конструкций ЭВМ, по обеспечению быстродействия и помехоустойчивости линий связи в общей системе межсоединений и многие другие. Все задачи взаимосвязаны и требуют для своего решения разработки соответствующих методов, правил, принципов и критериев конструирования.

Если при других видах конструирования ЭВМ (механическом, тепловом, художественном и др.) любого поколения характерны главным образом традиционные методы решения задач, то при конструировании электронной части имеет место постоянное изменение и усложнение решаемых задач. Сначала определяющей задачей было конструирование транзисторов и транзисторных схем (II поколение), затем, с появлением ИС (III поколение), определяющей задачей стала компоновка узлов и блоков на ИС и конструирование линий связи. Переход к широкому применению в ЭВМ БИС и СБИС (IV и V поколение) привел к существенному изменению принципов компоновки и появлению новых методов обработки информации, что не могло не отразится на изменении методов конструирования и компоновки электронной части ЭВМ. При этом задача обеспечения заданного быстродействия, помехоустойчивости и помехо-защищенности устройств сохраняла свою определяющую роль и значимость. Таким образом, в рамках конструирования электронной части ЭВМ шел процесс постепенного формирования самостоятельного направления, именуемого сейчас как “электронное конструирование”.

Понятие “электронное конструирование ЭВМ” было введено в конце 60-х годов советскими учеными Левиным В.К., Файзулаевым Б.Н. и Соловьевым В.А., руководившими работами по созданию первых высокопроизводительных ЭВМ на транзисторах и интегральных схемах.

Среди печатных трудов, наиболее полно отражающих вопросы электронного конструирования, следует выделить работы [ 1,2,5,6 ], широко используемые в ряде вузов при чтении курсов, связанных с современным конструированием ЭВМ и средств ВТ. Следует также отметить учебники по конструированию ЭВМ и систем Преснухина Л.А. и Шахнова В.А. [ 3 ], Савельева А.Я. и Овчинни- кова В.А. [ 4 ], отражающие эволюцию поколений ЭВМ и содержащие элементы электронного конструирования, хотя и без употребления соответствующих терминов.

Прогресс в вычислительной технике немыслим без существенных достижений в области электронного конструирования элементов и устройств, являющихся технической основой построения ЭВМ любого класса. Обеспечение быстродействия и помехозащищенности элементов, узлов и устройств ЭВМ, составляющих предмет электронного конструирования, становится сегодня первоочередной и наиболее важной частью конструирования ЭВМ в целом. Особенно остро эта проблема стоит при переходе к сверхскоростным логическим элементам БИС и СБИС. Конструирование узлов ЭВМ в наносекундном диа-пазоне, т.е. конструирование базовых матричных кристаллов и корпусов БИС и СБИС, многослойных печатных плат, многопроводных и кабельных линий связи, компоновка электронного оборудования по различным конструктивным модулям –все это прежде всего электронное конструирование, основным критерием качес-тва которого является быстродействие и помехозащищенность устройств ЭВМ.

По мере повышения степени интеграции и быстродействия БИС метал-лоемкость конструкции ЭВМ будет снижаться и главным объектом констру-ирования станет уже не шкаф, а многослойная печатная плата и, в пределе, кристалл СБИС, на котором будет размещаться большинство электронного оборудования процессора.

Поэтому подготовка специалистов в учебных заведениях в области электронного конструирования ЭВМ имеет чрезвычайно важное значение. В настоящее время, однако, практически отсутствуют книги и учебные пособия, которые наряду с теоретическими вопросами электронного конструирования, охватывали бы и практические аспекты выбора оптимальных параметров элементной и конструктивно-технологической базы проектируемых ЭВМ. Эти вопросы, как правило, изложены в журнальных статьях, диссертациях, доложены на семинарах и конференциях. А имеющиеся монографии [1,2,3,4] освещают вопросы в области электронного конструирования технических средств ЭВМ на ИС малой степени интеграции и практически не затрагивают вопросов электронного конструирования перспективных средств на основе БИС и СБИС. В связи с этим данная статья, отражающая только малую часть вопросов электрон-ного конструирования, направлена на устранение имеющихся недостатков.

Поколения средств ВТ и их связь со степенью интеграции, размерами кристалла и уровнем развития микроэлектронной технологии

Развитие средств ВТ обусловлено, как правило, уровнем развития элементной базы, одной из основных характеристик которой является степень интеграции ЛЭ на кристалле (N). Поэтому принято считать, что если степень интеграции ЛЭ на кристалле соответствует уровню ИС, то ее и СВТ на ней построенные относят к III поколению, если же уровню БИС или СБИС – то к IV или V поколению и т.д. При этом степень интеграции микросхем (ИС, БИС, СБИС) в пределах каждого поколения может изменяться в широком диапазоне значений и не всегда является объективным показателем уровня микроэлектронной технологии. Так, например, степень интеграции элементов КМОП и ЭСЛ может существенно (напр., на порядок и более) отличаться друг от друга, хотя они могут быть выполнены на одном технологическом уровне и иметь одинаковые размеры кристаллов.

Поэтому целесообразно рассматривать (что в принципе в последние годы уже имеет место) развитие поколений элементов и СВТ не только от уровня интеграции микросхем N, а также в зависимости от достигнутого уровня микроэлектронной (полупроводниковой) технологии, т.е. в зависимости от достигнутого в технологии минимального топологического (литографического) размера, лежащего в основе роста степени интеграции элементов. В качестве такого минимального литогра-фического размера, как правило, используется длина канала транзистора (  ). Такой подход отводит полупроводниковой технологии естественное лидирующее место и значение, а степень интеграции элементов представляется как следствие достигнутого технологического уровня.

Увеличение степени интеграции элементов на кристалле связано не только с уменьшением минимального литографического размера. Оно в существенной мере связано также с одновременным увеличением размера самого кристалла (L_кр), что собственно и отражает комплексное повышение интеграции и технологического уровня в микроэлектронике. Уместно говорить о наличии некоей комплексной взаимосвязи между размерами кристалла микросхемы и степенью интеграции элементов, с одной стороны, и уровнем полупроводниковой технологии кристалла, с другой стороны.

Рассмотрим сначала взаимосвязь размера стороны кристалла (в предполо-жении, что кристалл имеет квадратную форму) с уровнем полупроводниковой технологии. Такую взаимосвязь нетрудно установить, если использовать новое понятие, именуемое автором как базовый фактор разрешающей способности литографии, сохраняющий свое постоянное значение на каждом этапе развития полупроводниковой технологии. В качестве такого фактора используется произведение минимального литографического размера  на размер стороны кристалла L_кр , т.е.

L_кр.  = Const . ( 1 )

Действительно, размер кристалла микросхемы всегда можно выразить через некоторое число (напр., к ) минимальных литографических размеров  :

L_кр = к .. ( 2 )

Полагая для начальной стадии развития технологии, характеризующейся значениями к = 1, а  = ₀, размер кристалла составит

L_кр0 = _{0 ,} ( 3 )

а с учетом умножения правой и левой части этого равенства на ₀ получим

L_кр0 ₀ = ₀² ( 4 )

Суть базового фактора разрешающей способности полупроводниковой литографии для начального и i-го этапа технологии можно представить выражением

L_кр0 ₀ = L_крi _i = ₀² = Const , ( 5 )

откуда в общем виде имеем

L_кр = ₀² /  . ( 6 )

Полупроводниковые технологии (первые транзисторы) создавались и осваивались в мире в конце 50-х – начале 60-х годов. Для этого начального этапа разрешающая способность фотолитографии характеризовалась широким диапазоном значений _0, составляющим ₀ = 50  100 мкм. Принимая это во внимание взаимосвязь минимального литографического размера кристалла и самого размера кристалла можно представить как

L_кр = (2500 10000) / , ( 7 )

где L_кр = [ мкм ],  = [ мкм ]. Для практических оценок этой взаимосвязи и тенденции ее развития более целесообразно размерность L_кр обозначать в мм, а размерность  - в мкм. Поэтому для такого случая выражение ( 7 ) имеет вид

L_кр=(2,510)/. ( 8 )

Рассмотрим теперь взаимосвязь степени интеграции элементов на крис-талле ( N ) с уровнем полупроводниковой технологии кристалла (  ).

Такую взаимосвязь можно получить исходя из размеров кристалла, связанного как с размером логического элемента ( L_лэ ), так и количеством этих элементов (т.е. степенью интеграции) на кристалле, представляемого в виде квадратной матрицы, а именно:

L_кр = L_лэ 

или, полагая L_лэ = к , имеем

L_кр = к  

где к – количество значений  в размере данного ЛЭ, принятого за единицу измерения степени интеграции кристалла микросхемы.

Величина « к » в выражении ( 9 ) играет исключительно важную роль. Его значение отражает такие факторы как:

• тип логического элемента (ЛЭ), определяющего степень интеграции кристалла. Такой ЛЭ может иметь 2, 3 или 4 входа и выполнять элементар-

ную логическую функцию (напр., И-НЕ). От числа входов в ЛЭ зависит число используемых транзисторов, а значит и размер самого ЛЭ;

• топологические нормы на размеры отдельных элементов металлизации (напр., нормы на размеры контактных площадок, ширину проводников метал-лизации, величину зазоров между контактными площадками и проводниками и др.), используемые при проектировании топологии кристаллов микросхем;

• наличие резервных элементов, напр., контактных площадок под выводы транзисторов с целью облегчения задачи трассировки соединений на слоях металлизации и др.

Что касается топологических норм и резервных элементов, то здесь могут быть некоторые различия в представлении разработчиков, однако они не так существенны во влиянии на размеры кристалла как, напр., в случае с типом ЛЭ. Часто в качестве единицы измерения функционального объема микросхемы (т.е. степени интеграции кристалла) используются 2-х входовые ЛЭ. Если для оценки уровня интеграции кристалла (микросхемы или др. устройств) это удобно и приемлемо, то для оценки других характеристик тех же микросхем и др. различных устройств (напр., числа каскадов ЛЭ в тракте передачи информации, являющихся одними из основных при определении параметров быстродействия устройств: конструктивного, системного, функционального, тактового и др.) это не приемлемо. Не случайно уровень интеграции БИС и СБИС ведущими западными фирмами (напр., IBM), как правило, оцениваются логическим базисом на 4-е входа, независимо от типа схемотехники микросхемы. Поэтому автором здесь и далее (если нет особой оговорки) под типом ЛЭ понимается и используется 4-х входовой ЛЭ, выполняющий элементарную логическую функцию, напр., 4И-НЕ. Такой ЛЭ рассматривается здесь как базовый, именуется как «эквивалентный логический элемент» (ЭЛЭ) и используется для оценки степени интеграции (функционального объема) всех устройств, включая ИС, БИС, СБИС и др., кроме запоминающих устройств (ЗУ).