Сложные устройства на одном кристалле становятся реальностью

   

Джим Липман

Сложные устройства на одном кристалле становятся реальностью

Системы полного проектирования однокристальных устройств позволяют дополнятьотработанные цифровые модули аналоговыми схемами, памятью, а иногда и СВЧ блоками.Передовые технологические процессы позволяют этим совершенно разным устройствам сосуществоватьна одном кристалле кремния.

астоящая технология однокристальных систем (SOC) на основе стандартных ячеек подразумеваетразмещение на кремниевой подложке не только одной огромной цифровой логической схемы. Дляполучения законченных электронных систем разработчики должны иметь возможность проектировать икомпоновать на кристаллах блоки принципиально других типов — прецизионные аналоговые схемы, специальныемодули памяти, — а для некоторых приложений — и СВЧ-модули (рис. 1). Для успешной реализации проектоводнокристальных устройств необходимы хорошие системы САПР и специальная методология проектирования.Однако, главную часть полного проекта однокристального устройства составляет технологический процессобработки кристалла кремния, который позволяет реализовать все эти различные технологии на одной подложке.


Рис. 1 Этот выносной декодер компании SAMSUNG включает 32-битное RISC ядро (ARM7TDMI),быстродействующую цифровую логику, блок обработки смешанных сигналов, флэш-память и DRAM. Изготовлениетакой системы на одном кристалле требует процесса, который может реализовать все эти технологии

Процессы, которые необходимы для разработки различных технологических модулей на кристалле кремния,требуют от “кремниевых мастерских” модификации современных процессов изготовления высокоскоростныхцифровых логических устройств. Как правило, эти изменения представляют собой введение дополнительныхтехнологических циклов в традиционный процесс, в результате чего стоимость всего базового цифрового процессаувеличивается. Наряду с увеличением стоимости производства самого кристалла, некоторые характеристики аналоговыхмодулей, изготовленных с помощью этих дополнительных производственных циклов, могут оказаться несколько худшимипо сравнению с отдельными изделиями, изготовленными по специально оптимизированным для данного типа устройствтехнологическим процессам. Несмотря на это, суммарный выигрыш в конечной стоимости, потребляемой мощности ибыстродействии однокристальных устройств зачастую перевешивает альтернативные системы на дискретных кристаллах,оптимизированных для цифровых, аналоговых или иных функций.
Существующие технологии изготовления однокристальных устройств

Большинство компаний, занимающихся разработкой и изготовлением специализируемых интегральныхсхем (ASIC), решают задачу однокристальных устройств по модульному принципу. Компании начинают с технологическогоцикла по изготовлению быстродействующего цифрового КМОП модуля, затем с помощью наложения защитных масок наопределенные области кристалла последовательно выполняют все шаги, реализующие другие технологии поверх цифровогопроцесса. Эти технологии могут включать изготовление прецизионных аналоговых устройств; статических и динамическихОЗУ, флэш-памяти с высокой плотностью размещениях; а также BiCMOS-устройств для СВЧ и сильноточных приложений.Из всех этих устройств наиболее важным дополнением для однокристальных систем являются аналоговые. И к сожалению,именно добавление аналоговых функций к цифровому устройству на базе КМОП порождает массу технологических ипроектных проблем (см. врезку “Проблемы аналоговых модулей в проектировании однокристальных систем”). Несколькоприведенных ниже примеров иллюстрируют, как компании — производители полупроводников — реализуют полныевозможности однокристальных устройств, и как модульный принцип отражается на стоимости кристалла и его характеристиках.

Технологический процесс компании Lucent Technologies начинается с 0,25-микронного КМОП цикла с использованием пятислоев металлизации (эффективная длина канала при этом составляет 0,18 микрон). Компания дополняет этот базовыйпроцесс изготовления устройств с быстродействием до 300 МГц добавочными технологическими циклами, которые могут быть включены как отдельно, так и в комбинации. Сюда входят: изготовление прецизионных аналоговых модулей наоснове транзисторов с малым пороговым напряжением и прецизионных конденсаторов (технология metal-to-metal) дляобеспечения высокой линейности по напряжению и хорошего согласования элементов; изготовление биполярных транзисторовпо BiCMOS технологии, работающих на частотах до 35 ГГц, для СВЧ и линейных (слаботочных) приложений; реализациювысокоплотных модулей статических ОЗУ с ячейками на шести транзисторах с малым временем доступа и объемом памятидо 4 Мбит, флэш-памяти с напряжением питания 5 В и объемом до 8 Мбит; изготовление программируемых устройств наоснове схем на стандартных ячейках и программируемых лазером вентильных матриц (LPGA), выполненных по лицензионнойтехнологии компании Chip Express ().

Устройства, изготовленные по технологии компании Lucent имеют весьма хорошие характеристики. Так, например,технологический цикл по изготовлению аналоговых модулей позволяет реализовывать сигма-дельта АЦП до 18 разрядов,а цикл BiCMOS позволяет создавать СВЧ модули, работающие на частоте 1,9 ГГц. Однако, дополнительная обработкаподложки повышает стоимость изготовления. К основному 0,25-микронному технологиче-скому процессу с 17 маскамикаждый из этих циклов добавляет от двух (для статических ОЗУ) до пяти (для флэш-памяти) шагов маскирования.Каждый такой шаг увеличивает стоимость обрабатываемой подложки на 2–5%. Таким образом, введение дополнительныхтехнологиче-ских циклов приводит к удорожанию конечного изделия приблизительно на 7 и 18% для высокоплотныхмодулей статических ОЗУ и флэш-памяти, соответственно. Для выполнения модулей динамических ОЗУ компания в настоящиймомент осваивает лицензионную технологию и планирует ввести ее в работу в начале этого года.

В основе технологического процесса компании Samsung также лежит 0,25-микронный КМОП процесс с пятью слоямиметаллизации с некоторыми отличиями, направленными на реализацию быстродействующих цифровых логических модулей.Аналогичным образом, компания начинает изготовление кристалла с логиче-ской схемы, а в последующем — добавляетэтапы изготовления аналоговой схемы, статического и динамиче-ского ОЗУ и флэш-памяти в различных комбинациях.Основной процесс (STD120) имеет один полисиликоновый слой; совмещение логической схемы и флэш-памяти (MFL120)добавляет два полисиликоновых слоя; совмещение логической схемы и динамического ОЗУ (MDL120) добавляет четыреполисиликоновых слоя.

Совмещенный процесс изготовления логики и динамических ОЗУ увеличивает объем технологических операций относительнобазового процесса на 35%, что делает его дороже почти на треть. Технология позволяет создавать на кристалле модулипамяти размером 128 Мбит с шириной слов ввода/вывода 1024 бит. Изготовление флэш-памяти требует на 30% большегоколичества масок и технологических операций. В настоящий момент компания Samsung реализует эту технологию наоснове 0,35-микронного процесса и одновременно осуществляет переход на 0,25-микронный процесс. Изготовлениеаналоговых схем требует двух дополнительных шагов маскирования: один — для изготовления конденсаторов metal-to-metal,другой — для полисиликоно-вых конденсаторов poly-to-poly. По оценкам компании Samsung, внедрение 0,25-микронногопроцесса позволит создавать совмещенные модули статических ОЗУ объемом до 1,5 Мбит с логическими схемами с числомвентилей до 0,5 млн. или модули динамических ОЗУ объемом 64 Мбит с логическими схемами с числом вентилей до 1 млн.Использование 0,25-микронного процесса позволит обеспечить максимальный размер флэш-памяти до 32 Мбит. Для блоковобработки смешанных сиг-налов, изготовленных по этому процессу, компания Samsung оценивает верхний предел рабочихчастот как 0,25–0,5 ГГц, позволяя разработчикам осуществлять некоторые высокочастотные функции на том же кристалле.
Компания NEC аналогично компаниям Lucent и Samsung добавляет к 0,25-микронному процессу изготовления цифровых КМОПсхем технологические циклы изготовления аналоговых и BiCMOS схем, а также динамических ОЗУ и флэш-памяти.

Для исполнения быстродействующих аналоговых схем компания NEC использует две дополнительных маски, с помощьюкоторых получает прецизионные конденсаторы и полисиликоновые резисторы. Флэш-память требует еще двух дополнительныхэтапов маскирования. Изготовление биполярных транзисторов по технологии BiCMOS для СВЧ модулей требует четырехдополнительных этапов. Технология BiCMOS позволяет разработчикам проектировать устройства с рабочей частотой до 2,4 ГГц.Технология изготовления динамических ОЗУ компании NEC выглядит несколько сложнее по сравнению с технологиейкомпании Samsung — здесь используется вдвое большее число масок, чем при изготовлении логических схем, что приводитк ее удорожанию на 60—80%.

Для проектирования однокристальных устройств с СВЧ модулями наиболее подходит 0,18-микронный технологическийпроцесс G12 компании LSI Logic (при этом эффективная длина канала составляет 0,13 микрон). Значение граничнойчастоты транзисторов с каналом n-типа составляет 70 ГГц, а для транзисторов с каналом p-типа — 40 ГГц. Применениедиэлектриков с низким значением коэффициента диэлектрической проницаемости позволяет снизить паразитную межслойнуюемкость, а специальная технология изоляции позволяет обеспечить развязку между СВЧ и цифровым модулем на уровне110 дБ. Все это дает возможность компании LSI реализовывать достаточно сложные СВЧ устройства на КМОП кристалле.Для изготовления динамических ОЗУ на ячейках с одним транзистором в настоящий момент компания LSI использует0,25-микронный процесс G11 и в скором времени планирует перейти на процесс G12. Для реализации аналоговых схемкомпания использует полисиликоновые резисторы, выполняемые по технологии, аналогичной технологии компании NEC.
Специализированное ОЗУ

Большинство библиотек специализируемых интегральных микросхем включает такие параметрыстатических ОЗУ, которые реализуются с помощью фиксированных блоков или с помощью специального компилятораячеек [1]. Компании, занимающиеся производством специализированных микросхем развивают эту технологиюсамостоятельно, приобретают ее у третьих фирм-продавцов встраиваемой памяти или заключают технологическиесоглашения. Компания Artisan, продавец встраиваемых статических ОЗУ, предлагает своим клиентамвысококачественные модули памяти, ориентированные на базовый технологический процесс клиента.Для 0,25-микронных процессов компания предлагает одно- и двухпортовые модули статических ОЗУ HS300,работающие на частоте 300 МГц (худший случай). В типовых условиях эти модули имеют объем 64 кбит и могутработать на частоте 500 МГц. Недавно анонсированное семейство одно- и двухпортовых модулей HS500,предназначенных для 0,18-микронных процессов, работает со скоростью 500 МГц (худший случай) и 850 МГц(в типовых условиях). Компания Artisan также предлагает малопотребляющее семейство статических ОЗУ LP133,ориентированное на 0,25-микронный процесс. Эти однопортовые устройства имеют объем памяти 64 кбит и рассеиваютмощность 0,2 мВт/МГц при напряжении питания 1,8 В. Однако, это семейство достаточно дорого — за один целевойтехнологический процесс и сопутствующие материалы придется заплатить 500 тыс. долл.

Несмотря на то, что некоторые компании — производители полупроводников — уже комбинируют изготовлениединамических ОЗУ с изготовлением цифровых логических схем, начинающая компания Silicon Access анонсироваласвою новую серию DRAMatic однотранзисторных запоминающих устройств с высокой плотностью размещения [2].Устройства серии DRAMatic занимают целую область на диаграмме, представленной на рис. 2 и показывающейсоотношение размеров адресных слов. Высокая разрядность слова ввода/вывода модуля особенно интереснадля однокристальных приложений, так как она обеспечивает наибольшую скорость доступа к памяти, а так жеиз-за того, что для связи с логической схемой не понадобится никакого интерфейса. Исполнение модулей логикии динамического ОЗУ на одном кристалле дает выигрыш в рассеиваемой мощности по сравнению с исполнениеманалогичного устройства на отдельных кристаллах. Объединение этих двух модулей на одном кристалле позволяеттакже уменьшить суммарное количество выводов корпуса микросхемы, а значит и снизить конечную ее стоимость“в корпусе”.


Рис. 2 Модули динамического ОЗУ DRAMatic производства компании SILICON ACCESS предоставляютразработчикам широкий выбор параметров

Реализация устройств серии DRAMatic в системах, объединяющих цифровую схему и динамическое ОЗУ,возможна как за счет введения дополнительных технологических циклов в базовый процесс изготовления цифровыхлогических схем, так и наоборот, за счет введения дополнительных слоев металлизации для реализации цифровойлогики в базовый процесс изготовления статических ОЗУ. От большинства однокристальных устройств требуетсямаксимальная скорость работы логической схемы, поэтому целесообразно использовать первый способ, так какиспользование процесса изготовления динамических ОЗУ в качестве базового отрицательно сказывается набыстродействии цифрового модуля. Дополнительные технологические циклы для изготовления модулей серииDRAMatic включают нанесение десяти масок и увеличивают стоимость производства на 20–40% по сравнению собычным 0,25-микронным процессом. Компания Silicon Access предлагает серию DRAMatic как ядро для целевыхприложений или как компилятор динамических ОЗУ. Стоимость ядра составляет приблизительно от 100 до 150 тыс. долл.,цена на компилятор пока не определена.
Могут ли однокристальные устройства быть совместимы с программируемыми вентильными матрицами?

Современные программируемые логические устройства могут содержать сотни тысяч логических вентилей,поэтому вполне логично задать вопрос, существуют ли какие-либо разработки однокристальных устройств на основепрограммируемых вентильных матриц (FPGA или CPLD)? В контексте данной статьи, где рассматриваются кристаллы сбольшим объемом цифровой логики, аналоговых схем и различных модулей памяти, напрашивается только один ответ — нет.Многие из ве-дущих производителей программируемой логики, такие как Actel (), Altera (),и Xilinx (), проводят агрессивные программы совместно с третьими фирмами, поставщиками программныхи аппаратных решений на основе программируемых матриц. Однако, в настоящее время все эти разработки включают толькоцифровые логические модули. Кроме того, статические ОЗУ — единственный тип памяти, доступный для реализации в этихцифровых программируемых логических устройствах.

Даже если производители программируемой логики преодолеют множество технических проблем, связанных с совмещеннымизготовлением аналоговых и смешанных модулей на базе вентильных матриц, спрос на такие устройства, скорее всего,останется низким, так как при приблизительно равных размерах каналов они работают медленнее по сравнению сустройствами на основе стандартных ячеек. А последние, именно из-за этого разрыва в параметрах, в ближайшембудущем останутся единственным средством реализации проектов однокристальных устройств.
Выбор технологического процесса

Итак, если вы окончательно решили заняться разработкой смешанных однокристальных устройств,до того как получится первое изделие вам предстоит проделать огромный объем работы. Одновременно с выборомметодологии и инструментов проектирования, библиотек ячеек и ядер, являющихся интеллектуальной собственностьюдругих компаний, необходимо определиться с технологическим процессом, на базе которого будет осуществлен ваш проект.

Параметры цифровых логических КМОП схем различных производителей специализированных микросхем при сходныхтехнологических процессах почти одинаковы. Большинство различий в характеристиках следует из расхождений междуархитектурой и топологией библиотечной ячейки и ее реализации в конечном проекте. Некоторые отличия в быстродействиии потреблении могут наблюдаться для разных исполнений одного и того же устройства с помощью одного технологическогопроцесса, что связано с разным количеством слоев металлизации или другим шагом металлизации. Большее количествослоев металлизации или меньший шаг делает топологию кристалла более плотной, что положительно сказывается наконечных параметрах устройства. Реализация аналоговых модулей, однако, имеет принципиальные отличия.

Несмотря на то, что разные производители на сходных процессах получают похожие параметры цифровых модулей,каждый из них имеет собственный подход к изготовлению аналоговых блоков на основе дополнительных технологическихциклов к базовому цифровому процессу. Различия в этих технологиях требуют от разработчика проверки способностипроизводителя удовлетворить требования к аналоговой части вашего проекта однокристального устройства. Это особенноважно, когда требуется получить хорошую развязку между цифровой и аналоговой частями кристалла.

Наконец, необходимо определить все технологиче-ские требования к модулям памяти вашего однокристальногоустройства и найти производителя, способного выполнить их. Определите тип компилятора, размеры блоков и ограниченияконфигурации памяти, затем разделите ваш проект так, чтобы вписаться в эти пределы. Запомните, что на одномкристалле невозможно реализовать и максимальный объем памяти, и максимальный объем логической схемы, поэтомуследует убедиться, что выбранный вами производитель микросхем сможет изготовить ваше устройство на одном кристаллекремния в том виде, в котором вам необходимо поддерживать все эти технологии.
Резюме для специалистов:

Современные проекты однокристальных систем позволяют реализовывать высокоскоростные цифровыемодули совместно с аналоговыми схемами и блоками памяти.

Изменение существующего технологического процесса изготовления цифровых логических схем — наиболее простоерешение задачи производства однокристальных устройств, но оно приводит к некоторому увеличению стоимости производства.Полные возможности технологических процессов производства однокристальных устройств отстают от передовыхпроцессов изготовления цифровых логиче-ских схем на одно или два поколения.

Так как технологии изготовления однокристальных устройств у разных производителей отличаются, требуется времядля полного осознания всех возможностей выбранного вами производителя.

Литература

  • Lipman Jim, Not just your basic ASIC libraries, EDN, June 5, 1997, pp. 52.
  • Dipert Brian, Embedded memo-ry: the all-purpose core, EDN, March 13, 1998, pp. 34.

EDN, сентябрь 1998
Перевод Ю. Потапова






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.