Описание стандартного технологического маршрута проектирования МОП и КМОП

Эскизное проектирование

На данном этапе производится следующее решение задач:

1. Разрабатывается эскиз проектируемой системы (устройства) с детальной разработкой ее возможностей, осуществляется поиск и выбор более детальной информации.

2. На основе анализа полученной информации принимают предварительные проектные решения и оформляют первые проектные документы.

3. Для выработки проектных документов производят различные расчеты, содержание, объем и трудоемкость которых зависят от характеристик проектируемого объекта.

Рабочее проектирование – заключительная стадия проектирования, которая помимо требуемой ГОСТ 34.601-90 разработки рабочей документации на систему и её части в общем случае предусматривает уточнение и детализацию результатов предыдущих этапов, создание и испытания опытного и/или опытно-промышленного образца объекта автоматизации, разработку и отработку программных продуктов, технологической и эксплуатационной документации.

 

Уровни иерархии: кремниевый (топология)– транзиторный (подключение транзисторов, резисторов и конденсаторов) – вентильный(подключение логических элементов) – регистровый (счетчики, АЛУ, мультиплексоры)- процессорный (устройство КЭШ-памяти, последовательные порты) – системный (процессоры, память, коммутаторы).

Виды моделирования: компонентное – схемотехническое – логическое – регистровое – эмуляция – системное.

2) Маршруты и этапы проектирования.Восходящее и нисходящее проектирование. Методы и этапы проектирования.

Этап проектирования – часть процесса проектирования, включающая в себя формирование всех требующихся описаний объекта, относящихся к одному или не-скольким иерархическим уровням и аспектам. Часто названия этапов совпадают с названиями соответствующих иерархических уровней и аспектов.

Проектирование системы (или устройства) состоит из двух основных этапов:

· обоснование исходных данных (технических условий, технического задания) для проектирования;

· проектирование системы для сформулированных исходных данных.

Первый этап называют внешним проектированием, а второй этап — внутренним проектированием.

При рассмотрении задачи проектирования системы необходимо задать класс допустимых исходных данных (класс технических условий), класс допустимых решений (класс проектов) и способ построения какого-либо проекта из класса допустимых решений по произвольному техническому условию из класса допустимых исходных данных. Автоматизированное проектирование тогда сводится к заданию конкретного технического условия из класса допустимых исходных данных и применению к нему алгоритма перехода к классу решений.

Исходные данные обосновываются путем всестороннего рассмотрения условий работы системы и требований, предъявляемых к системе исходя из ее назначения. Вновь создаваемая система, как правило, содержит элементы уже существующих систем, поэтому этап уяснения задачи при проектировании включает в себя обследование всего достигнутого ранее в поисках методов, аналогов и элементов для разрабатываемой системы, а также предусматривает выявление потребностей. Этот этап характеризуется тем, что превращает начальную неопределенную ситуацию в набор данных, которые позволяют сформулировать цели, определяющие весь процесс проектирования. Следовательно, уяснение задачи начинается со сбора информации, касающейся проектируемой системы. При этом необходимо проведение анализа уже существующих систем и используемых методов в них, достигнутый уровень технического и технологического развития, природное окружение, экономические условия, общественные и индивидуальные человеческие факторы — все эти условия необходимо учитывать при проектировании системы.

Процесс обоснования исходных данных (внешнее проектирование) существенно зависит от того, является ли проектируемая система частью более сложной системы, т.е. подсистемой (или устройством), или она задумана автономной, т.е. может использоваться заказчиком самостоятельно. В том случае, когда разрабатываемая система будет составляющей (подсистемой) более сложной системы, перед тем как формулировать исходные данные для таких составляющих, надо систему разбить на эти части. Для сложных объектов выполнить одновременно оптимальное проектирование для всех частей не удается. Особенно это относится к тем случаям, когда требуется не только выбрать параметры системы, но и синтезировать ее структуру. Поэтому при проектировании систем средней и особенно большой сложности их обычно разбивают на подсистемы или сегменты.

Чем на большее число частей разбита система, тем труднее правильно сформулировать исходные данные для каждого сегмента, но тем легче провести оптимизацию для тех исходных данных, которые для него установлены. Поэтому в каждом конкретном случае проектирования определяют наиболее целесообразное число сегментов, на которое следует разбить систему, чтобы получить решение, наиболее близкое к оптимальному. Нередко это целесообразное число частей удается получить лишь в процессе совместного проведения ряда последовательных этапов внешнего и внутреннего проектирования.

Исходные данные (исходное описание) не должны нести избыточной информации. В то же время должны быть заданы все основные параметры и характеристики будущей системы и технические условия проектирования, ограничивающие проектные решения. Если процесс проектирования разбивается на этапы, исходные данные каждого этапа должны содержать минимально необходимую информацию для его прохождения.

Язык представления исходных данных (в том числе язык исходных данных каждой из подсистем) должен быть близок к системе понятий, употребляемой инженерами-проектировщиками.

Внешний вид записи исходных и конечных данных на каждом этапе должен быть близким к обычно применяемым проектировщиками техническим описаниям. Например, готовый проект должен представлять совокупность описаний в виде чертежей, смет, пояснительных записок, содержащих всю технико-экономическую информацию, необходимую для изготовления, отладки и сдачи системы в эксплуатацию, и делиться на отдельные специализированные части: функциональные схемы, структурные схемы, спецификации, сметы, принципиальные схемы, алгоритмы управления, программы управления.

 

Маршрут проектирования (design flow) - та или иная последовательность проектных процедур или этапов проектирования (рис.2.2). Термин «front-end проектирование» или точнее FEED имеет два значения: первое - «техническое (эскизное) проектирование», которое в основном используется в старой отечественной литературе, и второе - часть проектирования, ориентированное непосредственно на заказчика (характерно для западной литературы). Этот термин широко используется для описания создания компиляторов и информационных систем. Более того, явное разделение front-end (интерфейс) и back-end (механизм) дает их аппаратную независимость и сокращает примерно на 70% временные затраты на проектирование. Оба подхода редко противоречат друг другу, поскольку выделение основных подсистем и решаемых ими задач является сутью эскизного проектирования и прототипирования, но одновременно может представлять интерес для заказчика. Для простоты можно считать, что front-end проектирование охватывает системный, алгоритмический и частично функциональнологический уровни проектирования.

 

Различают восходящее (bottom-up) и нисходящее (top-down, water-fall) проектирование. Восходящее проектирование (проектирование снизу вверх) имеет место, если выполнение процедур в низких иерархических уровнях предшествует выполнению процедур, относящихся к более высоким иерархическим уровням. Восходящее проектирование обычно применяется на тех иерархических уровнях, на которых проектируются типовые объекты, предназначенные для использования в качестве элементов во многих объектах

на более высоких иерархических уровнях (например, серийные микросхемы, стандартные ячейки БИС матричного типа и т.д.). Нисходящее проектирование охватывает те уровни, на которых проектируются объекты, ориентированные на использование в качестве элементов в одной конкретной системе. ТЗ формируется лишь на систему самого верхнего уровня, на всех остальных уровнях решается задача преобразования ТЗ на систему в ТЗ на элемент.

С практической точки зрения исходной точкой нисходящего проектирования служит RTL-код, задающий функциональное описание компонентов ИС, и более подробный HDL-код, описывающий структуру подсистемы на уровне логических вентилей (gate level).

Затем этот код обогащается/оптимизируется с помощью подключаемых библиотек стандартных ячеек (target logic cells), происходит логический синтез, т.е. генерация на вентильном уровне описания всей ИС. Следующая операция состоит в составлении списка цепей на том же уровне (gate level netlist), возможно, с добавлением вспомогательного HDL-кода. Затем происходит логическая симуляция для проверки общей функциональности схемы. После этого приступают к размещению (placement) и трассировке (routing) стандартных элементов на плате; зачастую эти операции выполняются автоматически с помощью специализированных САПР. Только после этого можно вычислить задержки на активных элементах и определить так называемые критические пути, чтобы приготовиться к финальной логической симуляции (post-layout simulation).

 

3) Модели электронной компонентой базы на различных этапах проектирования.

Полузаказные СБИС можно классифицировать на СБИС на основе библиотечных элементов и СБИС на основе матричных структур. Полузаказные СБИС имеют различного рода ограничения на используемые библиотеки, в них широко применяются так называемые ядра интеллектуальной собственности, в то же время разработчик лишен возможности «долизывать» компоненты таких СБИС для достижения экстремальных характеристик, впрочем, на практике это и не требуется. IP-блоки могут быть двух типов: «мягкие» (soft), описанные на RTL-уровне, и «жесткие» (hard) - на топологическом уровне. Иногда выделяют «фирменные» firm IP, в состав которых входят разные типы представлений от RTL до списка цепей с планировкой субблоков. При проектировании СБИС на основе библиотечных элементов используют соответствующие библиотеки предварительно разведенных библиотечных компонентов (cells) или специализированные генераторы таких элементов (cell generators), например модулей памяти, которые формируют трассировку элемента по его функциональному описанию. Разработка на базе библиотечных элементов, в свою очередь, подразумевает либо использование стандартных элементов, либо использование генераторов ячеек для реализации примитивов. Традиционно генераторы используются для синтеза ячеек памяти, массивов программируемой логики, сложных устройств распределения и обработки потоков данных (datapath components), таких, как перемножители, мультиплексоры и т.п. Генераторы ячеек полностью параметризованы и могут обеспечить, например, различную разрядность устройств, типы памяти и т.д. В отличие от СБИС на основе библиотечных элементов, полузаказные СБИС на основе матричных структур представляют предварительно размещенные, но не соединенные базовые логические элементы, расположенные в виде матрицы. К таким СБИС относятся, соответственно, базовые матричные кристаллы, масочные и лазерно-программируемые ПЛИС (MPGA, LPGA), а также перепрограммируемые структуры ПЛИС (FPGA на основе технологий SRAM и antifuse) и т.д. Для СБИС на основе БМК процесс проектирования и изготовления состоит из двух частей, причем по заказу выполняется только вторая, более простая часть: 1. Разработка и изготовление БМК, т.е. стандартной заготовки, из которой впоследствии можно сделать разнообразные микросхемы. В каждом БМК имеется ряд нескоммутированных ячеек. Изготовление таких БМК производится по стандартной технологии массового производства БИС. На основе БМК изготавливаются тестовые микросхемы, которые подвергаются всем видам аттестационных испытаний. На БМК выпускаются групповые технические условия (ТУ). Таким образом, все наиболее дорогостоящие и длительные процедуры проектирования, производства и аттестации БИС выполняются на этапе создания БМК. 2. Для создания полузаказной БИС выбирается соответствующий БМК. Проектирование заключается в разработке топологии 1-2 верхних слоев металлизации кристалла (определяется электрической схемой самого устройства и по назначению эквивалентна то- пологии печатной платы). Карта заказа, по которой производится разработка и изготовление полузаказной БИС, одновременно является приложением к групповым ТУ, аттестационных испытаний проводить не требуется. Разработка прототипов и изготовление полузаказной БИС, одновременно является приложением к групповым ТУ, аттестационных испытаний проводить не требуется.

4) Анализ и проектирование основных вариантов МОП инверторов.

Основными параметрами МОП инвертора являются: напряжение питание, напряжения на входе/выходе логического 0 и 1, положительная/отрицательная помеха, среднее время переключения, а также электрофизические параметры (удельное сопротивление, концентрация основных носит заряда, диэл проницаемость).

Рисунок 1.22 – Инвертор (а) и схемы ИЛИ-НЕ (б), И-НЕ (в) на n-МОП

МОП инвертор совмещает в себе два МОП транзистора. Один управляющий с индуцированным n-каналом, а другой нагрузочный.

Необходим для замены логических элементов в схеме. Работает при напряжении до 2 В, а слеовательно можно подключать к основной схеме, которая работает при 5 В.

 

 

Эскизное проектирование

На данном этапе производится следующее решение задач:

1. Разрабатывается эскиз проектируемой системы (устройства) с детальной разработкой ее возможностей, осуществляется поиск и выбор более детальной информации.

2. На основе анализа полученной информации принимают предварительные проектные решения и оформляют первые проектные документы.

3. Для выработки проектных документов производят различные расчеты, содержание, объем и трудоемкость которых зависят от характеристик проектируемого объекта.

Рабочее проектирование – заключительная стадия проектирования, которая помимо требуемой ГОСТ 34.601-90 разработки рабочей документации на систему и её части в общем случае предусматривает уточнение и детализацию результатов предыдущих этапов, создание и испытания опытного и/или опытно-промышленного образца объекта автоматизации, разработку и отработку программных продуктов, технологической и эксплуатационной документации.

 

Уровни иерархии: кремниевый (топология)– транзиторный (подключение транзисторов, резисторов и конденсаторов) – вентильный(подключение логических элементов) – регистровый (счетчики, АЛУ, мультиплексоры)- процессорный (устройство КЭШ-памяти, последовательные порты) – системный (процессоры, память, коммутаторы).

Виды моделирования: компонентное – схемотехническое – логическое – регистровое – эмуляция – системное.

2) Маршруты и этапы проектирования.Восходящее и нисходящее проектирование. Методы и этапы проектирования.

Этап проектирования – часть процесса проектирования, включающая в себя формирование всех требующихся описаний объекта, относящихся к одному или не-скольким иерархическим уровням и аспектам. Часто названия этапов совпадают с названиями соответствующих иерархических уровней и аспектов.

Проектирование системы (или устройства) состоит из двух основных этапов:

· обоснование исходных данных (технических условий, технического задания) для проектирования;

· проектирование системы для сформулированных исходных данных.

Первый этап называют внешним проектированием, а второй этап — внутренним проектированием.

При рассмотрении задачи проектирования системы необходимо задать класс допустимых исходных данных (класс технических условий), класс допустимых решений (класс проектов) и способ построения какого-либо проекта из класса допустимых решений по произвольному техническому условию из класса допустимых исходных данных. Автоматизированное проектирование тогда сводится к заданию конкретного технического условия из класса допустимых исходных данных и применению к нему алгоритма перехода к классу решений.

Исходные данные обосновываются путем всестороннего рассмотрения условий работы системы и требований, предъявляемых к системе исходя из ее назначения. Вновь создаваемая система, как правило, содержит элементы уже существующих систем, поэтому этап уяснения задачи при проектировании включает в себя обследование всего достигнутого ранее в поисках методов, аналогов и элементов для разрабатываемой системы, а также предусматривает выявление потребностей. Этот этап характеризуется тем, что превращает начальную неопределенную ситуацию в набор данных, которые позволяют сформулировать цели, определяющие весь процесс проектирования. Следовательно, уяснение задачи начинается со сбора информации, касающейся проектируемой системы. При этом необходимо проведение анализа уже существующих систем и используемых методов в них, достигнутый уровень технического и технологического развития, природное окружение, экономические условия, общественные и индивидуальные человеческие факторы — все эти условия необходимо учитывать при проектировании системы.

Процесс обоснования исходных данных (внешнее проектирование) существенно зависит от того, является ли проектируемая система частью более сложной системы, т.е. подсистемой (или устройством), или она задумана автономной, т.е. может использоваться заказчиком самостоятельно. В том случае, когда разрабатываемая система будет составляющей (подсистемой) более сложной системы, перед тем как формулировать исходные данные для таких составляющих, надо систему разбить на эти части. Для сложных объектов выполнить одновременно оптимальное проектирование для всех частей не удается. Особенно это относится к тем случаям, когда требуется не только выбрать параметры системы, но и синтезировать ее структуру. Поэтому при проектировании систем средней и особенно большой сложности их обычно разбивают на подсистемы или сегменты.

Чем на большее число частей разбита система, тем труднее правильно сформулировать исходные данные для каждого сегмента, но тем легче провести оптимизацию для тех исходных данных, которые для него установлены. Поэтому в каждом конкретном случае проектирования определяют наиболее целесообразное число сегментов, на которое следует разбить систему, чтобы получить решение, наиболее близкое к оптимальному. Нередко это целесообразное число частей удается получить лишь в процессе совместного проведения ряда последовательных этапов внешнего и внутреннего проектирования.

Исходные данные (исходное описание) не должны нести избыточной информации. В то же время должны быть заданы все основные параметры и характеристики будущей системы и технические условия проектирования, ограничивающие проектные решения. Если процесс проектирования разбивается на этапы, исходные данные каждого этапа должны содержать минимально необходимую информацию для его прохождения.

Язык представления исходных данных (в том числе язык исходных данных каждой из подсистем) должен быть близок к системе понятий, употребляемой инженерами-проектировщиками.

Внешний вид записи исходных и конечных данных на каждом этапе должен быть близким к обычно применяемым проектировщиками техническим описаниям. Например, готовый проект должен представлять совокупность описаний в виде чертежей, смет, пояснительных записок, содержащих всю технико-экономическую информацию, необходимую для изготовления, отладки и сдачи системы в эксплуатацию, и делиться на отдельные специализированные части: функциональные схемы, структурные схемы, спецификации, сметы, принципиальные схемы, алгоритмы управления, программы управления.

 

Маршрут проектирования (design flow) - та или иная последовательность проектных процедур или этапов проектирования (рис.2.2). Термин «front-end проектирование» или точнее FEED имеет два значения: первое - «техническое (эскизное) проектирование», которое в основном используется в старой отечественной литературе, и второе - часть проектирования, ориентированное непосредственно на заказчика (характерно для западной литературы). Этот термин широко используется для описания создания компиляторов и информационных систем. Более того, явное разделение front-end (интерфейс) и back-end (механизм) дает их аппаратную независимость и сокращает примерно на 70% временные затраты на проектирование. Оба подхода редко противоречат друг другу, поскольку выделение основных подсистем и решаемых ими задач является сутью эскизного проектирования и прототипирования, но одновременно может представлять интерес для заказчика. Для простоты можно считать, что front-end проектирование охватывает системный, алгоритмический и частично функциональнологический уровни проектирования.

 

Различают восходящее (bottom-up) и нисходящее (top-down, water-fall) проектирование. Восходящее проектирование (проектирование снизу вверх) имеет место, если выполнение процедур в низких иерархических уровнях предшествует выполнению процедур, относящихся к более высоким иерархическим уровням. Восходящее проектирование обычно применяется на тех иерархических уровнях, на которых проектируются типовые объекты, предназначенные для использования в качестве элементов во многих объектах

на более высоких иерархических уровнях (например, серийные микросхемы, стандартные ячейки БИС матричного типа и т.д.). Нисходящее проектирование охватывает те уровни, на которых проектируются объекты, ориентированные на использование в качестве элементов в одной конкретной системе. ТЗ формируется лишь на систему самого верхнего уровня, на всех остальных уровнях решается задача преобразования ТЗ на систему в ТЗ на элемент.

С практической точки зрения исходной точкой нисходящего проектирования служит RTL-код, задающий функциональное описание компонентов ИС, и более подробный HDL-код, описывающий структуру подсистемы на уровне логических вентилей (gate level).

Затем этот код обогащается/оптимизируется с помощью подключаемых библиотек стандартных ячеек (target logic cells), происходит логический синтез, т.е. генерация на вентильном уровне описания всей ИС. Следующая операция состоит в составлении списка цепей на том же уровне (gate level netlist), возможно, с добавлением вспомогательного HDL-кода. Затем происходит логическая симуляция для проверки общей функциональности схемы. После этого приступают к размещению (placement) и трассировке (routing) стандартных элементов на плате; зачастую эти операции выполняются автоматически с помощью специализированных САПР. Только после этого можно вычислить задержки на активных элементах и определить так называемые критические пути, чтобы приготовиться к финальной логической симуляции (post-layout simulation).

 

3) Модели электронной компонентой базы на различных этапах проектирования.

Полузаказные СБИС можно классифицировать на СБИС на основе библиотечных элементов и СБИС на основе матричных структур. Полузаказные СБИС имеют различного рода ограничения на используемые библиотеки, в них широко применяются так называемые ядра интеллектуальной собственности, в то же время разработчик лишен возможности «долизывать» компоненты таких СБИС для достижения экстремальных характеристик, впрочем, на практике это и не требуется. IP-блоки могут быть двух типов: «мягкие» (soft), описанные на RTL-уровне, и «жесткие» (hard) - на топологическом уровне. Иногда выделяют «фирменные» firm IP, в состав которых входят разные типы представлений от RTL до списка цепей с планировкой субблоков. При проектировании СБИС на основе библиотечных элементов используют соответствующие библиотеки предварительно разведенных библиотечных компонентов (cells) или специализированные генераторы таких элементов (cell generators), например модулей памяти, которые формируют трассировку элемента по его функциональному описанию. Разработка на базе библиотечных элементов, в свою очередь, подразумевает либо использование стандартных элементов, либо использование генераторов ячеек для реализации примитивов. Традиционно генераторы используются для синтеза ячеек памяти, массивов программируемой логики, сложных устройств распределения и обработки потоков данных (datapath components), таких, как перемножители, мультиплексоры и т.п. Генераторы ячеек полностью параметризованы и могут обеспечить, например, различную разрядность устройств, типы памяти и т.д. В отличие от СБИС на основе библиотечных элементов, полузаказные СБИС на основе матричных структур представляют предварительно размещенные, но не соединенные базовые логические элементы, расположенные в виде матрицы. К таким СБИС относятся, соответственно, базовые матричные кристаллы, масочные и лазерно-программируемые ПЛИС (MPGA, LPGA), а также перепрограммируемые структуры ПЛИС (FPGA на основе технологий SRAM и antifuse) и т.д. Для СБИС на основе БМК процесс проектирования и изготовления состоит из двух частей, причем по заказу выполняется только вторая, более простая часть: 1. Разработка и изготовление БМК, т.е. стандартной заготовки, из которой впоследствии можно сделать разнообразные микросхемы. В каждом БМК имеется ряд нескоммутированных ячеек. Изготовление таких БМК производится по стандартной технологии массового производства БИС. На основе БМК изготавливаются тестовые микросхемы, которые подвергаются всем видам аттестационных испытаний. На БМК выпускаются групповые технические условия (ТУ). Таким образом, все наиболее дорогостоящие и длительные процедуры проектирования, производства и аттестации БИС выполняются на этапе создания БМК. 2. Для создания полузаказной БИС выбирается соответствующий БМК. Проектирование заключается в разработке топологии 1-2 верхних слоев металлизации кристалла (определяется электрической схемой самого устройства и по назначению эквивалентна то- пологии печатной платы). Карта заказа, по которой производится разработка и изготовление полузаказной БИС, одновременно является приложением к групповым ТУ, аттестационных испытаний проводить не требуется. Разработка прототипов и изготовление полузаказной БИС, одновременно является приложением к групповым ТУ, аттестационных испытаний проводить не требуется.

4) Анализ и проектирование основных вариантов МОП инверторов.

Основными параметрами МОП инвертора являются: напряжение питание, напряжения на входе/выходе логического 0 и 1, положительная/отрицательная помеха, среднее время переключения, а также электрофизические параметры (удельное сопротивление, концентрация основных носит заряда, диэл проницаемость).

Рисунок 1.22 – Инвертор (а) и схемы ИЛИ-НЕ (б), И-НЕ (в) на n-МОП

МОП инвертор совмещает в себе два МОП транзистора. Один управляющий с индуцированным n-каналом, а другой нагрузочный.

Необходим для замены логических элементов в схеме. Работает при напряжении до 2 В, а слеовательно можно подключать к основной схеме, которая работает при 5 В.

 

 

Описание стандартного технологического маршрута проектирования МОП и КМОП

КМОП — набор полупроводниковых технологий построения интегральных микросхем и соответствующая ей схемотехника микросхем.

МОП- «Металл-Оксид-Полупроводник» — технология производства транзисторов.

Укрупненная схема возможного процесса изготовления КМОП ИС приведена на рисунке

 

Процесс начинается с Р- подложки,на поверхности которой формируется слаболегированный эпитаксиальный слой