Первые интегральные схемы, которые, как мы уже рассказывали, появились 30 лет назад, представляли собой всего лишь пару логических ячеек на одном кристалле и в одном корпусе. Быстрый рост степени интеграции привел к потере их универсальности, они становились все более и более специализированными, привязанными к конкретной аппаратуре. В результате объем их производства, оказывался жестко связанным с объемами выпуска данной аппаратуры. Наряду с «узкоспециализированными» ИМС, широко стали применяться интегральные схемы памяти и ИМС относительно низкого уровня интеграции. Так произошло деление интегральных схем на две крупные категории: общего и частного применения.
Оговоримся, что речь здесь идет в основном о цифровых ИМС в монолитном исполнении. Что касается гибридных, то для цифровой техники их развитие остановилось на сравнительно низких уровнях интеграции, а объем сбыта на мировом рынке ограничился всего 4 % от общего количества реализованных изделий интегральной электроники. Предприятия, специализирующиеся на разработке и производстве интегральных схем, ориентируются, естественно, на ИМС общего применения, затраты на разработку и организацию производства которых раскладываются на значительные объемы выпуска. Схемы же частного применения являются для них явно невыгодным видом продукции. Серьезные трудности возникают между заказ- чиком и производителем и в связи с длительными сроками разработки, высокой стоимостью из-за небольших объемов, а также из-за отсутствия гарантий, что заказ на выпуск не придется снижать. До некоторой степени эти сложности снимаются, если изготовитель аппаратуры самостоятельно разрабатывает и изготовляет для себя необходимые интегральные схемы, когда действует вертикальная интеграция. Однако далеко не все предприятия аппаратостроения могут себе это позволить по техническим, технологическим и экономическим соображениям. На первый взгляд, остается единственный путь: использовать номенклатуру ИМС, выпускаемых предприятиями электронной индустрии. Однако и это оказывается зачастую не-оправдано и технически, и экономически. В одном случае приходится использовать большее количество схем относительно универсальных, но с низким уровнем интеграции, а это противоречит современным тенденциям, в другом — разработчик обращается к двум-трем БИС, созданным для другой аппаратуры и за счет избыточности функций "Добивается нужного эффекта, который можно было бы получить гораздо экономнее с помощью специально разработанного изделия. Какой же выход может быть предложен? В качестве промежуточного решения использовать так называемые матричные БИС (МаБИС), их называют «полузаказными». В МаБИС основой для проектирования является базовый матричный кристалл . (БМК), представляющий собой регулярную матрицу базовых ячеек в центральной части кристалла и ряд периферийных ячеек. — входных и выходных контактных площадок или согласующих элементов (рис. 1). Базовая ячейка может содержать определенное количество нескоммутированных компонентов: транзисторов, диодов, резисторов. Различные варианты их возможного соединения в схему логического элемента (ЛЭ) составляют библиотеку логических элементов. Так, например, БМК серии К 1515ХМ1 содержит в каждой базовой ячейке по шесть р-ка-нальных и п-канальных транзисторов. Библиотека ЛЭ содержит двух- и трехвходовыё И-НЕ, ИЛИ-НЕ вентили, инверторы, усилители; логические схемы И-ИЛИ-НЕ, ИЛИ-И-НЕ, различные модификации триггеров. Степень интеграции БМК оценивается по максимальному числу (N) эквивалентных вентилей (максимальному числу элементарных двух- или трех-входовых ЛЭ типов И-НЕ, ИЛИ-НЕ), реализуемых при полном использовании всех как внутренних, так и. периферийных ячеек. Для рассматриваемого типа БМК число двухвхо-довых вентилей составляет 3200. Базовые ячейки обычно объединяются в группы по четыре. Между столбцами и строками матрицы оставляется пространство для горизонтальной и вертикальной трассировки — каналы трассировки межсоединений. Число токоведущих дорожек (ТВД) в канале может составлять от 4...6 — в периферийных каналах и до 12... 14 — во внутренних каналах. Возможно, построение БМК и на биполярных транзисторах на основе ТТЛШ логики, что можно продемонстрировать на примере БМК типов К1532ХМ1 и К1540ХМ1. Эти БМК содержат соответственно по 560 и 864 базовых ячейки. В первом случае ячейки размещены в 10 столбцов по 14 строк (по 4 ячейки в каждом фрагменте матрицы), во втором — в 12 столбцов по 18 строк. В первом случае базовая ячейка представляет собой уже скоммутирован-ный вентиль с функцией ЗИ-НЕ. Во втором — каждая базовая и периферийная ячейка содержит набор нескоммутированных резисторов, диодов и транзисторов. Степень интеграции для этих двух случаев, определяемая в эквивалентных ЛЭ (вентилях 2И-НЕ), составляет 840 и 1720 соответственно. Программирование этих БМК в соответствии с требуемой логической конфигурацией осуществляется с помощью спроектированных для этого случая фотошаблонов и соответствующих проводящих и диэлектрических слоев, завершающих процесс изготовления МаБИС. Более высоким уровнем интеграции обладает БМК на базе ТТЛШ-логики К1547ХМ1 с числом эквивалентных вентилей типа 2И-НЕ, равным 2740 (1320 базовых ячеек, расположенных в 15 столбцов и 22 строки плюс периферийные ячейки). Следует заметить, что наиболее распространенными в настоящее время все же являются БМК на основе эмиттерно-связ-ной логики (ЭСЛ). Примером такого БМК является кристалл К1520ХМ4, содержащий 300 эквивалентных ЛЭ в 144 матричных ячейках центральной части и 24 периферийных ячеек. Судя по зарубежным публикациям 1989 г., до последнего времени ЭСЛ доминировала в логических элементах БМК. В ближайшие годы предполагается создание сверхскоростных полевых БИС и СБИС К-МОП типа, которые долгое время считались непригодными для сверхскоростных и интегральных схем. Для описанных выше БМК площадь кристалла в зависимости от степени интеграции составляет от 20 до 50 мм2. Вместе с тем в мировой практике можно заметить тенденцию к увеличению площади кристалла до 100 мм2. В подавляющем большинстве случаев в БМК используется двухуровневая металлизация. Это также отвечает имеющимся в мировой практике тенденциям. Судя по зарубежным публикациям, трехуровневая металлизация должна прочно войти в практику серийного производства в период 1995—2000 гг. Один уровень металлизации проходит по горизонтальным, второй — по вертикальным трассировочным каналам. В приведенных выше ИМС использовались два типа корпусов с 48 и 64 выводами. Как можно видеть, степень интеграции в данном случае не превышала 3-Ю3 ЛЭ на кристалл, что далеко не является пределом. Расчеты показывают, что она может быть повышена для площади кристалла в 100 мм2 при топологической норме в 1 мкм примерно на порядок. Однако дальнейший рост степени интеграции ограничивается увеличением числа межсоединений. Так, если N=103 (при топологической норме, равной 5 мкм), площади, занятые межсоединениями и активными элементами, составляют 50 % к 50 %, а при N=104 (Д=2 мкм) соотношение площадей изменится и составит 82 % к 18 %. С ростом степени интеграции изменится и количество внешних связей. При этом необходимо отметить, что для ИМС, работающих в составе высокопроизводительных ЭВМ, при возрастании степени интеграции на порядок количество внешних связей возрастает в два раза быстрее, чем для ИМС ЭВМ средней производительности. Таким образом, степень интеграции, быстродействие и число внешних связей оказываются связанными между собой. По некоторым зарубежным источникам в качестве основной элементной базы центрального процессора ЭВМ 1985—1990 гг. будут использоваться МаБИС на основе ЭСЛ БМК со степенью интеграции до 103 ЛЭ и задержкой на ЛЭ в 1 не. Примером такого БМК может являться описанный выше БМК К1520ХМ4 — модернизированный вариант одного из первых отечественных БМК. Типовое значение быстродействия для него составляет 0,3 не. При этом можно рассчитывать на техническую реализацию машинного цикла ЭВМ в 40...50 не. и соответственно на производительность процессора в 8...10 млн операций в секунду. Для центрального процессора ЭВМ, рассчитанного уже на 100 млн операций в секунду, необходимы МаБИС на основе БМК со степенью интеграции (5...10) • 10 и быстродействием на логический элемент в 0,1... 0,2 не. Описанный выше - БМК К1547ХМ1 с ТТЛШ-логикой имеет близкое к названному число эквивалентных ЛЭ (2740), но время задержки базовой ячейки составляет пока лишь 2,5 не. Для разработки ИМС на основе БМК остаются, естественно, в силе и. все основные принципы проектирования интегральных схем, такие, например, как стремление к минимальному числу уровней разводки, меж-уровневых переходов, уменьшению суммарной длины межсоединений на кристалле, длины самого протяженного элемента трассировки (межсоединения). Для надежной работы межсоединений желательно добиться небольшой величины плотности тока в межсоединениях менее 105 А/см2. Одной из серьезных проблем является также правильность выбора материала и структуры межсоединений. Здесь необхо- димо считаться с тем, что при повышенных плотностях тока возникают эффекты электропереноса материала, что приводит к разрушению токоведущих дорожек и контактов металлизации к полупроводниковым областям. Выход из этого находят подбором материала, используют подслои из тугоплавких металлов (титан, вольфрам), применяют силициды металлов и поликремния и т. п. Не менее серьезной проблемой является и разработка системы тестов, однозначно подтверждающей полную работоспособность изготовляемых ИМС. Чем выше степень интеграции, тем сложнее должна быть система тестов. В ряде случаев приходится специально проектировать ИМС для испытательного оборудования. Естественно также, что работа над созданием матричных БИС может быть только тогда эффективной, когда имеется дот статочно обширный каталог БМК, включающий в себя кристаллы с биполярными и полевыми транзисторами, сверхбыстродействующие и микромощные варианты, кремниевые и ар-сенид-галлиевые и т. п. Только в этом случае можно получить реальную экономическую выгоду и ускорить цикл проектирования БИС без серьезных потерь их технических параметров. Имеющиеся сегодня БМК могут сократить сроки проектирования схем в 3...4 раза. Если проектирование заказной БИС занимает около года, то проектирование функционально эквивалентной ей БИС на основе БМК займет немногим более квартала. В то же время необходимо отметить, что несмотря на перспективность МаБИС, они не снимают с повестки дня, особенно при создании мощных вычислительных комплексов, проблемы проектирования полностью заказных БИС, СБИС и УБИС. Совершенно очевидно, что предельные значения степени интеграции, быстродействия и многих других важных параметров могут быть достигнуты только при «индивидуальном» проектировании.
