Джон Ф.Уэйкерли Проектирование цифровых устройств. Том I (2002) (1095889), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Специализированныеинтегральные схемы 39 ма кристаллов, а все время расширяющиеся возможности сконструировать свою собственную микросхему. Микросхемы, предназначенные для применений частного характера или для использования лишь в изделиях определенного типа, называются полузаказными ИС 1зет1сизгот 1Сл) или специализированными ИС (арр11са11оп-красу)с 1Сз, АБ1Сз). В общем случае применение ИС типа АЯС сокращает совокупную стоимость используемых компонентов и изготовления изделия за счет уменьшения числа микросхем, размеров и потребляемой мощности; часто, используя ИС типа АЯС, удается получить лучшие характеристики. Единовременные затраты на проектирование 1иопгесигг1пя епягпееггпя (ЛЖЕ) сом] одной ИС типа АЯС могут превышать стоимость разработки на основе отдельных серийных ИС на 5...250 тысяч долларов.
Зги средства должны быть уплачены производителю ИС или тем людям, которые возьмут на себя ответственность за проектирование внутренней структуры микросхемы, создание оснастки типа металлизированных фотошаблонов, используемых при выращивании кристалла, разработку средств тестирования готовой продукции и фактическое изготовление нескольких первых образцов. Единовременные затраты на проектирование типичной ИС типа АБ!С средней сложности объемом около 100 000 вентилей составляют от 30 до 50 тысяч долларов. В обычных условиях проектирование заказной ИС имеет смысл только в том случае, когда указанные затраты можно будет покрыть засчет экономии на себестоимости каждого изделия при ожидаемом объеме продаж.
Если речь идет о проектировании заказной БИС (силгот 1Щ то есть микросхемы, функции которой,внутренняяархитекгураиструктуракристалланауровне транзисторов определяются индивидуальным заказом потребителя, то единовременные затраты на проектирование оказываются очень большими и могут составить 250 тысяч долларов и более. Поэтому проектирование специализированной БИС с нуля осуществляется только в том случае, когда ее применение имеет хорошую коммерческую перспективу или большой объем продаж изделий с ее использованием (например, цифровые наручные часы, сетевой интерфейс или схема сопряжения с системной шиной персонального компьютера).
Чтобы сократить начальные затраты на проектирование, производителями ИС были составлены библиотеки стандартных элементов (згапйл г1 се1Ь), которые включали широко используемые блоки средней степени интеграции типа дешифраторов, регистров и счетчиков, а также блоки, реализующие наиболее употребительные функции БИС, такие как запоминающие устройства, программируемые логические матрицы и микропроцессоры. При проектировании с использованием стандартных ы смен тон (з1апг1ап1се11 с ез1йп) разработч ик соединяет библиотечные блоки между собой точно так же, как это осуществлялось бы при проектировании с использованием отдельных СИС и БИС. Специализированные элементы создаются только в случае крайней необходимости (за дополнительную плату, конечно).
Затем все элементы размещается в крисилле, причем схема их расположения оптимизируется с целью сокращения задержек распространения сигналов и размеров микросхемы. Минимизация размеров кристалла позволяет сократить стоимость одного изделия, так как при этом увеличивается число кристаллов, которые можно изготовить на одной полупроводниковойй пластине.
В типичном случае затраты на проектирование с испол ьзованием стандартных элементов составляют порядка 150 тысяч долларов. 40 Глава 1. Введение Но 150 тысяч долларов -это все еще большие деньги для многих людей. Поэтому производители ИС сделали еще один шаг по продвижению идеи проектирования специализированных микросхем в массы. Были предложены вентц»»им«матрицы (Кагс аггауз), то есть ИС, внутренняя структура которых представляет собой решетку вентилей, соединения между которыми первоначально не заданы. Разработчик логического устройства определяет типы вентилей и устанавливает соединения между ними. В результате проектирование кристалла осуществляется на таком очень низком уровне, но разработчик остается при этом на высоком уровне, оперируя «макроэлементами», реализующими те же функции, что и отдельные СИС и БИС или стандартные библиотечные элементы; для переноса с высокого уровня проектирования на низкий используется соответствующее программное обеспечение.
Главное отличие проектирования с использованием стандартных элементов от проектирования на основе вентильных матриц заключается в том, что в последнем случае макроэлементы и размещение в кристалле не оптимизируются в той степени, в какой это осуществляется в изделии, созданном на основе стандартных элементов. В результате размеры кристалла могут увеличиться (на 25;/» и более) и поэтому может возрасти его стоимость. Кроме того, при проектировании на основе вентильных матриц нет возможности создавать собственные элементы. Но с другой стороны, такой проект можно выполнить быстрее, а начальные затраты на его осуществление могут оказаться меньшими и лежать в пределах от 5 тысяч долларов (о которых было сказано в самом начале) до 75 тысяч долларов.
(Когда все будет сделано, вы обнаружите, что потрачено именно столько.) Основные методы проектирования цифровых устройств, которые вы изучите с помощью этой книги, вполне подходят для функционального конструирования специализированных ИС. Однако при проектировании таких ИС обычно необходимо принять во внимание дополнительные возможности или ограничения, зависящие, как правило, от юнкретного заказчика и условий осуществления проекта.
1.9. Печатные платы Обычно ИС устанавливается на печатной плате (рг/пгег/-с/плац Ьаагс/(РСВ) или рг/пгей-напил Ьаагг/(Р!гй)), где соединяется с другими ИС, образуя систему. В типичных цифровых системах используются многослойные печатные платы; на тонкие слои из стекловолокна наносятся медные полупроводники, и затем несюл ько таких слоев спрессовы даются в одну плату толщиной порядка 1/16 дюйма Отдельные проводящие соединения, или дорахски на печатной плате (РСВ иасш), как правило, очень узки, и для типичной печатной платы их ширина составляет от ! 0 до 25 милов. 11 мил (тй) равен 1/1000 люйма ) У плат, изготовленных по специальной технологии, позволяющей наносить танки«линии (/!п«йпез), дорожки крайне узки: нх ширина всего лишь 4 мила, и расстояние между соседними дорожками также равно 4 милам.
Таким обраюм, в одном слое печатной платы в полосе шириной ! дюйм можно провести до 125 соединений. Когда нужно, чтобы плотность соединений была больше, используют большее число слоев. Большинство применяемых в настоящее время компонентов рассчитаны на технологию поверхностного люнтанса (зигуасе-тоип/ гесйпа!аКу, ЯМ/). Вместо 1.10. уровни проектирования цифровых устройств 41 длинных выводов корпусов 01Р, проходящих сквозь плату и припаиваемых с обратной стороны, выводы корпусов ЗМТ изогнуты так, чтобы обеспечить плоский контакт с верхней поверхностью печатной платы. Перед тем, как такие компоненты устанавливаются на печатную плату, на контактные площадки на плате наносится специальная «паяльная паств>; для этого используется трафарет с отверстиями, располагающимися против нужных контактных площалок. Далее компоненты в корпусах 8М Т устанавливаются на соответствующие контактные площадки (вручную или с помощью автомата), где они удерживаются паяльной пастой (иногда приклеиваются).
Наконец, полностью собранную плату пропускают через печь, где паяльная паста плавится, а затем по мере остывания затвердевает. Технология поверхностного монтажа компонентов и нанесение на печатную плату тонких линий дают возможность очень плотно разместить интегральные схемы и другие детали на плате. Такое плотное размещение позволяет не только сэкономить на объеме. В схемах с большим быстродействием плотность упаковки играет важную роль в отношении минимизации неблагоприятных аналоговых явлений, в том числе эффектов, возникающих в цепях с распределеннымии параметрами, и влияния задержек из за распространения сигнала с конечной скоростью.
Самым строгим требованиям по скорости и плотности удовлетворяют многокристальные модули (ти!г!с)йр тес!иlез, МСМ). Согласно этой технологии кристаллы ИС не помещаются в отдельные пластиковые или керамические корпуса. Вместо зтого, кристаллы ИС, предназначенные для быстродействующей подсистемы (скажем, процессор и его кэш-память) закрепляются непосредственно на подложке с требуемыми соединениями, размещенными в нескольких слоях. Многокристальный модуль герметизируется и снабжается необходимыми внешними выводами для питания, земли и тех сигналов, которые требуются системе. 1.10.
Уровни проектирования цифровых устройств Проектирование цифровых устройств может выполняться на нескольких различных уровнях представления и абстракции. Хотя вы можете выучиться проектированию и работать на каком-то определенном уровне, время от времени у вас будет возникать необходимость перейти паолин-два уровня вверх или вниз, чтобы завершить работу. Кроме того, рост плотности схем и увеличение нх фу нкциональной сложности постоянно подталкивают промышленность и проектировщиков к тому, чтобы переходить на более высокие уровни абстракции. Самый низкий уровень представления при проектировании цифровых устройств — это физика того, что происходит в логической схеме, и процессы, протекающие при изготовлении ИС. Заслугой в первую очередь этого уровня является поразительный прогресс в отношении быстродействия и плотности ИС за последние десятилетия.
Это стремительное движение отражает закон Мура !Меосе 8 азизе), впервые сформулированный основателем фирмы !иге! Гордоном Муром (богдол Мооге) в 1965 году, и состоящий в том, что число транзисторов, приходящихся на квадратный дюйм в ИС, каждый гол улваивается. В последние годы темп этого движения вперед замедлился: удвоение происходит теперь каждые 18 42 Глава 1. Введение месяцев; но важно отметить, что одновременно с удвоением плотности также вдвое увеличивается быстродействие схем. В нашей книге мы не будем касаться этого уровня, но необходимо сознавать его важность.
Проектируя системы и планируя производство, важно иметь представление о вероятном прогрессе в области технологии и о других изменениях. Например, недавно уменьшение геометрии в кристалле привело к переходу на более низкие напряжения питания логических схем, вызвав значительные изменения в том, как разработчики проектируют модульные системы, описывают и модернизируют их. Мы совершим скачок в представлениях и абстракции сразу на уровень транзисторов и пройдем весь путь до уровня логического проектирования с использованием языков описания схем. Лишь коротко мы остановимся на следующем уровне, который включает проектирование компьютеров н систем в целом. «Центральным» в нашем рассмотрении будет уровень функциональных структурных блоков.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
