Массив ворот - Gate array

Sinclair ZX81 ULA

А массив ворот подход к проектированию и изготовлению специализированные интегральные схемы (ASIC) с использованием сборный чип с компонентами, которые позже соединяются в логические устройства (например, Ворота NAND, шлепки и т. д.) по индивидуальному заказу путем добавления металлических межсоединений на заводе.

Подобные технологии также использовались для разработки и производства аналоговых, аналого-цифровых и структурированных массивов, но, как правило, они не называются вентильными матрицами.

Массивы вентилей также известны как незафиксированные логические массивы (ULA) и частично настраиваемые микросхемы.

Дизайн

Матрица затвора - это готовый кремниевый чип с большинством транзисторы не имеющий заранее определенной функции. Эти транзисторы могут быть соединены металлическими слоями в стандартные NAND или же НИ логические ворота. Эти логические вентили затем могут быть соединены в полную схему на том же или более поздних металлических слоях. Создание схемы с заданной функцией достигается путем добавления этого последнего слоя или слоев металлических межсоединений к микросхеме в конце производственного процесса, что позволяет настраивать функцию микросхемы по желанию. Эти слои аналогичны медным слоям печатная плата.

Самые ранние вентильные матрицы включали биполярные транзисторы, обычно настраивается как высокопроизводительный транзисторно-транзисторная логика, эмиттерная логика или же логика текущего режима логические конфигурации. CMOS (дополнительный металл-оксид-полупроводник ) вентильные матрицы были позже разработаны и стали доминировать в отрасли.

Мастер-слайсы вентильного массива с незавершенными микросхемами, размещенными на вафля обычно изготавливаются заводским способом и хранятся в больших количествах независимо от заказов клиентов. Проектирование и изготовление по индивидуальным требованиям заказчика может быть выполнено в более короткие сроки, чем стандартная ячейка или же полный обычай дизайн. Подход с вентильной матрицей сокращает количество разовых инженерных работ. маска затрат, поскольку необходимо производить меньше индивидуальных масок. Кроме того, сокращаются время изготовления и затраты на изготовление инструментов для испытаний - одни и те же приспособления для испытаний можно использовать для всех изделий с вентильными матрицами, изготовленных на одном и том же умереть размер. Массивы вентилей были предшественниками более сложных структурированный ASIC; В отличие от массивов вентилей, структурированные ASIC имеют тенденцию включать предопределенные или настраиваемые блоки памяти и / или аналоговые блоки.

Схема приложения должна быть построена на матрице вентилей, у которой есть достаточное количество вентилей, проводки и контактов ввода / вывода. Поскольку требования различаются, массивы вентилей обычно бывают семьями, при этом более крупные элементы имеют больше всех ресурсов, но, соответственно, более дороги. В то время как разработчик может довольно легко подсчитать, сколько нужно затворов и выводов ввода-вывода, количество необходимых дорожек маршрутизации может значительно различаться даже среди проектов с одинаковым объемом логики. (Например, поперечный переключатель требует гораздо большей маршрутизации, чем систолический массив с тем же числом ворот.) Поскольку неиспользуемые дорожки маршрутизации увеличивают стоимость (и снижают производительность) детали без каких-либо преимуществ, производители решеток стараются предоставить ровно столько дорожек, чтобы большинство конструкций подходило для ворот и Выводы / O можно направлять. Это определяется оценками, например, полученными из Правило аренды или экспериментируя с существующими проектами.

Основными недостатками вентильных матриц являются их несколько более низкая плотность и производительность по сравнению с другими подходами к проектированию ASIC. Однако этот стиль часто подходит для небольших объемов производства.

История

Разработка

Массивы вентилей имели несколько параллельных путей разработки. Ферранти в Великобритании впервые начали коммерциализацию биполярный Технология ULA, а затем отказалась от этого лидерства в производстве полузаказных чипов. IBM разработала запатентованные биполярные мастер-слайсы, которые использовала в производстве мэйнфреймов в конце 1970-х - начале 1980-х годов, но никогда не продавала их за пределами страны. Fairchild Semiconductor также ненадолго заигрывал в конце 1960-х с биполярными массивами диодно-транзисторная логика и транзисторно-транзисторная логика под названием Micromosaic и Polycell.^[1]

CMOS (дополнительный металл-оксид-полупроводник ) технология открыла двери для широкой коммерциализации вентильных матриц. Первые вентильные матрицы CMOS были разработаны Робертом Липпом.^[2][3] в 1974 году для International Microcircuits, Inc.^[1] (IMI) магазин фото-масок в Саннивейл, основанный бывшими сотрудниками IBM Фрэнком Деверсом, Джимом Таттлом и Чарли Алленом. Эта первая производственная линия использовала 7,5 микрон одноуровневой металлической КМОП-технологией и колеблется от 50 до 400 ворота. Системы автоматизированного проектирования (CAD) технология в то время была очень рудиментарной из-за низкой доступной вычислительной мощности, поэтому разработка этих первых продуктов была лишь частично автоматизирована.

В этом продукте впервые появилось несколько функций, которые впоследствии стали стандартом для будущих проектов. Самыми важными были: строгая организация n-канал и p-канальные транзисторы в 2-3 пары рядов поперек фишки; и запуск всех межсоединений в сетях, а не на минимальном настраиваемом интервале, который до того был стандартом. Это более позднее нововведение проложило путь к полной автоматизации в сочетании с разработкой двухслойных матриц CMOS. Настройка этих первых частей была несколько утомительной и подверженной ошибкам из-за отсутствия хороших программных инструментов.^[1] Компания IMI использовала методы разработки печатных плат, чтобы минимизировать ручную настройку. В то время микросхемы создавались путем рисования всех компонентов вручную и соединения между собой на листах майлара с точной сеткой с использованием цветных карандашей для обозначения каждого слоя обработки. Затем листы рубилита были разрезаны и отслоены, чтобы создать (обычно) представление технологического слоя в масштабе от 200x до 400x. Затем его фото уменьшили, чтобы сделать маску 1x. Оцифровка, а не резка рубилита, только входила в число новейших технологий, но первоначально она удаляла только стадию рубилита; чертежи по-прежнему делались вручную, а затем «вручную» оцифровывались. Платы ПК тем временем перешли с нестандартного рубилита на ленту для межкомпонентных соединений. IMI создала масштабные фотоувеличения базовых слоев. Используя декали соединений логических вентилей и ленту ПК для соединения этих вентилей, пользовательские схемы могут быть быстро разложены вручную для этих относительно небольших схем и уменьшены на фотографиях с использованием существующих технологий.

После ссоры с IMI Роберт Липп в 1978 году основал компанию California Devices, Inc. (CDI) с двумя молчаливыми партнерами, Берни Аронсоном и Брайаном Тайге. CDI быстро разработала линейку продуктов, конкурентоспособную по сравнению с IMI, и вскоре после этого линию продуктов с однослойным кремниевым затвором 5 микрон и плотностью до 1200 затворов. Пару лет спустя компания CDI разработала "бесканальные" вентильные матрицы, которые уменьшили блокировку строк, вызванную более сложной кремниевой подложкой, которая предварительно подключила отдельные транзисторные соединения к местам, необходимым для общих логических функций, что упростило металлическое соединение первого уровня. . Это увеличило плотность стружки на 40%, что значительно снизило производственные затраты.^[2]

Проблемы с ранними вентильными матрицами, попытки инноваций

Ранние вентильные матрицы были низкопроизводительными, относительно большими и дорогими по сравнению с современной технологией n-MOS, которая тогда использовалась для заказных микросхем. Технология CMOS была основана на приложениях с очень низким энергопотреблением, таких как часовые чипы и портативные приборы с батарейным питанием, а не на производительности. Они также хорошо отставали от существующей доминирующей логической технологии - семейств транзисторно-транзисторных логических схем. Однако было много нишевых приложений, в которых они были неоценимы, особенно в области малой мощности, уменьшения размера, портативных и аэрокосмических приложений, а также продуктов, требующих срочного вывода на рынок. Даже эти небольшие массивы могли бы заменить плату, полную транзисторно-транзисторных логических вентилей, если бы производительность не была проблемой. Распространенным приложением было объединение ряда более мелких схем, которые поддерживали большую схему LSI на плате, которую ласково называли «сборкой мусора». А низкая стоимость разработки и специальные инструменты сделали эту технологию доступной для самых скромных бюджетов. Ранние вентильные матрицы сыграли большую роль в Увлечение CB в 1970-х а также средство для внедрения других более поздних продуктов массового производства, таких как модемы и сотовые телефоны.

Ферранти ULA 2C210E на Timex Sinclair 1000 материнская плата

К началу 1980-х годов вентильные массивы начали выходить из своей ниши на общий рынок. Несколько факторов в технологиях и рынках сходились. Размер и производительность увеличивались; автоматизация зрела; технология стала «горячей», когда в 1981 году IBM представила свой новый флагман. 3081 мэйнфрейм с процессором, состоящим из массивов вентилей; они использовались в потребительском продукте ZX81; и новые участники рынка повысили узнаваемость и авторитет.

В 1981 г. Уилфред Корриган, Билл О'Мира Основали Роб Уокер и Митчелл «Мик» Бон LSI Logic.^[4] Первоначально они намеревались коммерциализировать матрицы логических вентилей с эмиттерной связью, но обнаружили, что рынок быстро движется в сторону КМОП. Вместо этого они лицензировали линию CMOS с кремниевым затвором CDI в качестве второго источника. Этот продукт зарекомендовал себя на рынке, когда они разработали собственную запатентованную линию по производству двухслойного металла толщиной 5 микрон. Эта последняя продуктовая линейка была первым коммерческим продуктом, поддающимся полной автоматизации. LSI разработала набор собственных инструментов разработки, которые позволили пользователям создавать собственные микросхемы на собственном оборудовании путем удаленного входа в систему LSI Logic.

Sinclair Research портировал расширенный ZX80 дизайн к микросхеме ULA для ZX81, а позже использовал ULA в ZX Spectrum. Совместимый чип был произведен в России как T34VG1.^[5] Желудь Компьютеры использовал несколько микросхем ULA в BBC Micro, а затем единый ULA для Желудь Электрон. Многие другие производители со времен домашний компьютер период бума использовали ULA в своих машинах. В IBM PC заняли большую часть рынка персональных компьютеров, а объемы продаж сделали полностью нестандартные микросхемы более экономичными. В серии Amiga от Commodore использовались вентильные матрицы для пользовательских микросхем Гэри и Гейл, как можно предположить из их кодовых названий.

Бум

В то время как рынок бурно развивался, отрасли не хватало прибыли. Полупроводники прошли серию прокатки спады в течение 1980-х годов это привело к циклу подъема-спада. За общими рецессиями 1980 и 1981-1982 годов последовали высокие процентные ставки, ограничивавшие капитальные расходы. Это сокращение нанесло ущерб полупроводниковому бизнесу, который в то время сильно зависел от капитальных затрат. Производители, отчаянно пытающиеся поддерживать свои производственные предприятия и позволить себе постоянную модернизацию в быстро развивающейся отрасли, стали гиперконкурентоспособными. Множество новых участников рынка снизили цены на вентильные матрицы до предельных издержек производителей кремния. Компании Fabless, такие как LSI Logic и CDI, выживали за счет продажи дизайнерских услуг и компьютерного времени, а не доходов от производства.^[2]

Косвенная конкуренция возникла с развитием программируемая вентильная матрица (ПЛИС). Xilinx была основана в 1984 году, и ее первые продукты были очень похожи на ранние массивы вентилей, медленные и дорогие, подходящие только для некоторых нишевых рынков. Тем не мение, Закон Мура быстро сделали их силой и к началу 1990-х годов серьезно подорвали рынок воротных решеток.

Дизайнеры по-прежнему хотели найти способ создавать свои собственные сложные микросхемы без затрат на полностью настраиваемый дизайн, и в конечном итоге это желание было удовлетворено с появлением не только ПЛИС, но и сложное программируемое логическое устройство (CPLD), металлические конфигурируемые стандартные ячейки (MCSC) и структурированные ASIC. В то время как вентильная матрица требовала внутреннего производства полупроводниковых пластин для нанесения и травления межсоединений, FPGA и CPLD имели межсоединения, программируемые пользователем. Сегодняшний подход заключается в создании прототипов на ПЛИС, поскольку риск невелик, а функциональность может быть проверена быстро. Для устройств меньшего размера стоимость производства достаточно низкая. Но для больших FPGA производство очень дорогое, энергоемкое и во многих случаях не достигает требуемой скорости. Чтобы решить эти проблемы, несколько компаний, занимающихся ASIC, любят BaySand, Фарадей, Гигоптики и другие предлагают услуги преобразования FPGA в ASIC.

Отклонить

В начале 21-го века рынок вентильных матриц был пережитком своего прошлого, движимый преобразованиями FPGA, сделанными по соображениям стоимости или производительности. IMI перешла от вентильных матриц к схемам смешанных сигналов и позже была приобретена Cypress Semiconductor в 2001 году; CDI закрыла свои двери в 1989 году; и LSI Logic отказались от рынка в пользу стандартных продуктов и в конечном итоге были приобретены Broadcom.^[6]

Рекомендации

внешняя ссылка

• СМИ, связанные с Массивы ворот в Wikimedia Commons