маршрут проектирования имс

Лекция №3
МАРШРУТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИМС
Основные этапы разработки ИМС.
Разработка ИМС включает ряд обязательных этапов. Последовательность
этапов указана на рисунке.
Определение техн и ч еск и х
характеристик ИМС, расчет сроков разработки и стоимости ИМС, выбор технологии
Функциональное
проектирование
(н а
уровне регистров), разби®ение системы на блоки
Логическое проектирование
(н а
уровне вентилей)
®
Изготовление
ИМС
Проектирование топологии ИМС, изготовле¬ние фотошаблонов
Разработка элект р и ч е с к и х с х е м (н а
ур¬овне транзисторов)
Контроль параметров, проверка соответствия техническому зад ан и ю
Производство
Рис. 3.1. Основные этапы разработки ИМС.
На первом этапе определяются не только электрические параметры
ИМС, но и детализируется маршрут проектирования, устанавливаются его
сроки, а также рассчитываются экономические показатели производства изделий. Этап проектирования топологии требует гораздо больших экономических и временных затрат, чем любые другие этапы разработки. Результаты проектирования топологии с использованием автоматически действующей
программы существенно хуже результатов, достигнутых с использованием
ручного труда. Однако при ручном проектировании увеличивается число
ошибок и сроки разработки, что для СБИС делает такой подход просто невозможным. В маршруте проектирования функции человека и компьютера должны быть надлежащим образом разделены для достижения наилучших экономических показателей изделия. Стоимость ИМС складывается из стоимо-
сти их проектирования и стоимости производства. Стоимость проектирования определяется степенью его автоматизации. Стоимость производства
почти пропорциональна числу изготовленных изделий. Стандартизация топологии при автоматизированном проектировании может увеличить площадь
кристалла в 2е3 раза по сравнению с оптимальным ручным проектом, что
снижает процент выхода годных изделий. Для небольших серий ИМС выгоднее снижать стоимость разработки, жертвуя при этом площадью кристалла и
процентом выхода годных. Стоимость производства ИМС слабо зависит от
объема выпуска и определяется площадью кристалла и типом используемого
корпуса. С увеличением площади кристалла стоимость изготовления ИМС
быстро возрастает, а стоимость одного логического элемента имеет минимум,
определяемый процентом выхода годных, (рис. 3.2).
рис. 3.2.
Для схем невысокой степени интеграции стоимость кристалла меньше
стоимости корпуса и операций контроля. В этом случае увеличение площади
кристалла за счет применения автоматических методов проектирования слабо
сказывается на суммарной стоимости ИМС.
Определение номенклатуры ИМС и методы их реализации.
Процедура разбиения вычислительного устройства на составляющие микросхемы определяется требованиями к его вычислительной производительности и стоимостью комплектующих изделий. Методы реализации ИМС выбираются с учетом минимальной стоимости всего комплекта (Рис. 3.3).
Основные методы реализации ИМС следующие:
а) Оптимально спроектированные универсальные ИМС, используемые в
разнообразной аппаратуре (микропроцессоры, ОЗУ).
б) Микросхемы, программируемые потребителем, выпускаемые большими
сериями и используемые в разнообразной аппаратуре (ППЗУ, ППЛМ,
ППВМ).
рис. 3.3.
в) Микросхемы на основе базовых матричных кристаллов для изготовления требуют индивидуальных фотошаблонов только электрических
межсоединений. Проектирование легко поддается автоматизации. ИМС выпускаются сериями в сотни и единицы тысяч штук.
г) Использование при проектировании библиотеки стандартизированных
блоков. Для изготовления ИМС требуется полный набор фотошаблонов. Эффективность автоматизации определяется составом библиотеки блоков. Соз-
дание библиотеки может быть дороже проектирования ИМС. Метод эффективен для разработки большой номенклатуры ИМС на основе единого набора
блоков. ИМС выпускаются сериями в тысячи и десятки тысяч штук.
д) Оптимальное проектирование на заказ схемы для специального применения, но выпускаемой большой серией, больше ста тысяч штук. Например, схемы управления двигателями.
График на рис. 3.3. имеет самый общий характер и не учитывает степень
интеграции используемых ИМС и сроки их производства. Со временем уровень производства и процент выхода годных повышаются, стоимость кристаллов снижается. Минимум на графике 3.2. смещается в сторону повышения степени интеграции. Поэтому, стоимость комплектующих изделий
рассчитывается не на момент их разработки, а на предполагаемое время их
максимального выпуска. Экономические характеристики производства при
этом приходится прогнозировать.
Разбиение вычислительного устройства на составляющие микросхемы и
определение методов их реализации - это задача, решаемая в условиях недостатка информации. Решение часто находится на основе субъективных факторов (например, на основе предыдущего опыта).
Кроме этого, наметилась тенденция к смешиванию методов проектирования. Например, блоками заказной СБИС могут стать ПЛМ, ОЗУ, БМК с соответствующей разводкой и целиком универсальный микропроцессор.
Усложнение методов проектирования определяется повышением возможностей САПР.
Языки описания ИМС.
Многие проблемы автоматизации проектирования схожи с проблемами
программирования. Маски для изготовления СБИС очень сложны и содержат
миллионы элементов. Поэтому большой проект выполняется несколькими
исполнителями и может быть успешно завершен, если для его описания используются языки высокого уровня.
Уровни абстракции при описании ИМС.
а) Язык задания геометрии.
Оперирует прямоугольниками и фигурами из прямоугольников. Производство масок возможно непосредственно на основе описания, выраженного
на этом языке.
Пример: язык CIF, язык SOURSE.
Редактор описания топологии ИМС “СТАЛКЕР”.
б) Язык отрезков.
На этом уровне представления ИМС транзисторы и контактные окна
представлены точками координатной сетки, а проводники представляются
линиями. Информация о ширине проводников и конфигурации транзисторов
задается программой-компилятором, которая выдает описание проекта на
языке геометрии.
Редактор описания ИМС: PCAD.
в) Язык описания электрических схем.
Определяет только наличие электрических связей, но вообще не описывает геометрию кристалла ИМС. Такой язык использован для программ схемотехнического моделирования, таких как PSPICE.
г) Язык описания логических функций.
Определяет наличие электрических связей, но не на уровне транзисторов
и резисторов, а на уровне логических элементов.
В системе PCAD присутствует возможность такого описания. На этом
уровне моделируются логические функции устройства.
д) Язык задания машин с конечным числом состояний.
Разработан для задания управления микропроцессором или аналогичной
микросхемой. Язык может компилироваться в языки более низкого уровня.
Язык оперирует связями на уровне передачи данных между регистрами.
е) Специализированный язык задания ПЛМ.
Предназначен для реализации переключательной логики и последовательных машин. Например, управляющий блок микропроцессора.
Организация систем проектирования.
Проблема совершенствования систем автоматизированного проектирования состоит не в том, чтобы описать проект на языке высокого уровня с использованием соответствующего редактора, а в том, чтобы разработать эффективный компилятор, преобразующий описание проекта на язык более низкого уровня без ошибок и излишеств. К сожалению, возможности имеющихся
программ и возрастающие требования к сложности проектов и плотности топологии кристаллов никогда не приходят в соответствие. Можно выделить
три основных подхода к автоматизации процесса проектирования:
А) Система, поддерживающая проектирование на низком уровне абстр ак ц и и .
Б) Система, поддерживающая проектирование на нескольких уровнях абстракции (Помощник разработчика).
В) Система, обеспечивающая проектирование только на высоком уровне
и автоматически компилирующая описание проекта на языке низкого уровня
(Кремниевый компилятор).
Рис. 3.4.
А) Структура системы проектирования, ориентированной на язык низкого уровня, представлена на рис. 3.4. В данной системе большинство решений
выполняется на низком уровне абстракции, хотя могут использоваться специализированные языки, такие, как язык задания ПЛМ или язык отрезков, которые компилятор превращает в язык задания геометрии.
Б) Структура системы “Помощник разработчика” показана на рисунке
3.5. В этой системе несколько уровней описания ИМС связаны вместе через
базу данных и программу “Помощник”. “Помощник” позволяет изменить и
дополнить деталями проект, выполненный на высоком уровне абстракции
для получения описания ИМС на языке низкого уровня. При идеальных условиях “Помощник” может перепроектировать все низкие уровни автоматически, если изменения более высоких уровней не слишком велики.
Рис. 3.5.
в) Система “Кремниевый компилятор” является воображаемой и получается из системы с “Помощником”, если вообще устранить вмешательство
человека на всех уровнях проектирования, кроме первого.
В настоящее время концепция полностью автоматического проектирования еще не может быть реализована для новых сложных проектов. Однако
разрабатывать простые ИМС в расширение существующей серии и модернизировать разработанные ранее изделия уже можно полностью автоматически.
Развитие систем проектирования идет по пути уменьшения вмешательства
человека в процесс преобразования задания на проект с языка высокого уровня в язык задания геометрии.
Сравнительные затраты на разработку.
ПЗУ, ПЛМ
30е50 тысяч $
»100 штук
БМК
100е150 тысяч $
»1000 штук
Библиотечные блоки
150е200 тысяч $
»1000 штук
Заказная БИС
800е1 млн. $
»10000 штук
(10 тысяч вентилей)
Универсальный микроп р о ц ессо р
100 млн. $
»1 млн. штук
(250 тысяч вентилей)
Вклад разработки в стоимость изделия не более 100200 $ на изделие.