eng
Выпуск #9/2015
Ю.Завалин, В.Немудров, А.Гришаков, Д.Куликов
Полузаказные СнК – основа мелкосерийного производства СБИС специального назначения
Полузаказные СнК – основа мелкосерийного производства СБИС специального назначения
Просмотры: 3069
Рассматриваются полузаказные СБИС на основе базовых матричных кристаллов (БМК), разработанные в АО “НИИМА “Прогресс”. Отмечены преимущества их использования в отечественной электронной компонентной базе по сравнению с решениями на основе ПЛИС и заказных специализированных СБИС.
Теги: gate array system-on-chip (soc) vlsi базовый матричный кристалл (бмк) сбис “система-на-кристалле” (снк)
При создании радиоэлектронных систем специального назначения перед отечественными разработчиками возникает целый комплекс проблем, связанных с непрерывно растущими требованиями к производительности систем, их функциональности, надежности, гибкости, и все более сжатыми сроками разработок в условиях конкуренции. Острый дефицит отечественной функционально-сложной электронной компонентной базы (ЭКБ) вынуждает применять готовые импортные компоненты из ограниченной номенклатуры, что приводит к негативным последствиям. При этом не так опасна гипотетическая возможность "закладок" в микросхемах, как нарушение процессов выпуска и модернизации аппаратуры из-за снятия с производства или прекращения поставок элементной базы, не имеющей аналогов у других производителей.
В связи с введенными Евросоюзом и США в отношении России санкциями политического, экономического и военного характера остро встал вопрос об ограничении использования отечественными предприятиями ОПК иностранных технологий, в частности, изделий ЭКБ. Для решения этой задачи разрабатывается программа по реализации импортозамещения ЭКБ. К сожалению, не все однозначно в ее реализации. Если взять курс на полное копирование аналогов импортных образцов изделий ЭКБ, возникнет серьезная проблема: отставание от оригинала минимум на срок разработки нового изделия и его запуска в производство – не менее 3–5 лет. К этому добавляется моральное устаревание микросхемы.
Отставание на указанный срок при копировании допустимо в условиях длительного выпуска копируемого изделия, что было обычной практикой на раннем этапе развития полупроводниковой промышленности. Кроме того, ограниченная номенклатура ЭКБ иностранного производства заставляла конструкторов использовать одну и ту же ЭКБ в разнообразной аппаратуре. Сегодня номенклатура применяемой иностранной ЭКБ насчитывает примерно 1200 типономиналов, что делает идею простого копирования бессмысленной.
Поэтому руководством микроэлектронной отрасли рассматриваются возможности проведения поэтапной модернизации аппаратуры на основе существующей и разрабатываемой отечественной ЭКБ и формирования заданий на разработку ЭКБ для будущей модернизации аппаратуры. Решение верное, но оно связано со значительными материальными затратами и длительным временем ожидания, пока завершатся цикл изготовления опытных образцов микросхем различных типов, их полноценные испытания и внедрение в серийное производство. В то же время для аппаратуры специального назначения требуется всего несколько десятков микросхем каждого типа.
В свое время необходимость в широкой номенклатуре типономиналов ЭКБ при крайне малой количественной потребности и ограниченных инвестициях в разработки вынудили разработчиков применять в изделиях программируемые логические ИС (ПЛИС) зарубежного производства. Для электронных устройств на основе ПЛИС характерны короткие сроки реализации проекта, низкие затраты и высокая гибкость проектирования. К сожалению, достойной замены иностранным ПЛИС в России нет. Поэтому наиболее простой и понятный путь импортозамещения в части ПЛИС – замена ПЛИС отечественными СБИС на основе базовых матричных кристаллов (БМК), что позволяет частично решить данную проблему при мелкосерийности выпуска.
Двигаясь дальше в этом направлении, АО "НИИМА "Прогресс" предложило импортозамещающую технологию перевода функциональных аппаратных модулей, реализованных на базе набора "микроконтроллер, ПЛИС и память", на полузаказную программируемую ЭКБ. Институт давно работает над созданием полузаказных СБИС класса "система-на-кристалле" (СнК), позволяющих разработчикам аппаратуры с минимальными затратами оптимизировать используемую ЭКБ исходя из требуемой функциональности. В качестве такого решения предлагается унифицированная полузаказная СБИС типа СнК, состоящая из микропроцессорного ядра; программируемой логики, реализованной на основе БМК; набора типовых интерфейсов и шин.
Данный подход обеспечивает получение СБИС различного функционального назначения путем зашивки прикладных программ процессорного ядра, ориентированных на определенные задачи, во внутреннюю память СБИС, а БМК конфигурируются только путем изменения коммутирующих слоев металлизации. В АО "НИИМА "Прогресс" разработана полузаказная СБИС класса СнК – К5512БП1Ф (рис.1, 2), в состав которой входят:
•отечественный 32-разрядный RISC-микроконтроллер KVARC с тактовой частотой до 150 МГц;
•сопроцессор модульной арифметики с разрядностью 1024 и тактовой частотой 50 МГц;
•четыре блока БМК по 300 тыс. вентилей;
•масочное ПЗУ 128 Кбайт × 32;
•ОЗУ 64 Кбайт × 32;
•интерфейсы SPI, I2C, GPIO, JTAG;
•таймеры, в том числе сторожевой (Watchdog Timer, WDT).
Основные технические характеристики К5512БП1Ф:
•техпроцесс КМОП 0,18 мкм HCMOS8D ОАО "НИИМЭ и Микрон";
•корпус металлокерамический CPGA-325;
•число выводов – 325;
•напряжение питания – 1,8/3,3 В;
•рабочая частота процессора – до 150 МГц;
•рабочая частота сопроцессора модульной арифметики – 50 МГц;
•ток потребления – не более 155 мА;
•рабочий температурный диапазон – от –40 до 125°C;
•средняя потребляемая мощность – не более 400 мВт;
•число внешних выводов БМК – 4 × 40.
Разработан маршрут проектирования заказных схем на базе СБИС К5512БП1Ф (рис.3).
Самый простой вариант применения данной микросхемы – реализация логических схем в БМК. При этом микропроцессор используется для выполнения сервисных функций. Расширенный вариант – программно-аппаратная реализация законченного функционального узла. В этом случае задействуются как микропроцессор, так и БМК.
Если возможностей одной микросхемы недостаточно для реализации схемы, используется несколько микросхем и организуется обмен данными между ними через штатные интерфейсы или через дополнительный интерфейс в одном из БМК.
Когда требуется реализация только логических схем, организуется общее поле БМК, коммутируемое путем соединения БМК из нескольких микросхем между собой через 40 внешних выводов в каждой БМК. Законченная схема реализуется с использованием общего поля БМК.
Для аэрокосмического применения ЭКБ (в том числе специализированная) должна обладать повышенной надежностью в части сбое-отказоустойчивости и стойкости к воздействующим факторам космического пространства. Для этих целей в АО "НИИМА "Прогресс" разработана вторая модификация полузаказной СБИС типа СнК – 5512БП2Ф (рис.4).
Повышенная стойкость к специальным внешним воздействующим факторам обеспечивается за счет архитектурных, схемотехнических и технологических решений: резервирование и мажорирование основных блоков; использование DICE-ячеек; применение блоков памяти с кодированием Хемминга для контроля и исправления ошибок; технология КМОП КНИ.
Микросхема построена на основе троированного процессорного ядра с архитектурой Комдив-32 (32 бита/66 МГц). По системе команд и средствам проектирования ПО ядро 5512БП2Ф полностью совместимо с микропроцессором 1900ВМ2Т, который успешно используется для бортовой аппаратуры КА. Микросхема поставляется в металлокерамическом 325-выводном корпусе CPGA-325, аналогичном корпусу СБИС К5512БП1Ф.
Состав микросхемы:
•троированное 32-разрядное процессорное ядро;
•масочное ПЗУ 64 Кбайт × 32 бит;
•статическое ОЗУ (СОЗУ) 32 Кбайт × 32 бит;
•троированный БМК;
•блок статистики;
•два троированных интерфейса SPI;
•троированный сторожевой таймер;
•троированные восьмиразрядные порты общего назначения;
•служебный интерфейс UART.
Основные технические характеристики 5512БП2Ф:
•техпроцесс КМОП КНИ 0,24 мкм ОАО "НИИМЭ и Микрон";
•напряжение питания – 3,3 В;
•встроенная система ФАПЧ для БМК – 150 МГц;
•число внешних выводом БМК – 3 × 24;
•ток потребления – 160 мА в штатном режиме;
•рабочий температурный диапазон – от –55 до 125°C.
Функциональные особенности использования и маршрут проектирования аналогичны СБИС К5512БП1Ф.
В заключение хочется отметить, что предлагаемые АО "НИИМА "Прогресс" изделия являются новым классом (рис.5) полузаказных СБИС для проектирования специализированных СнК, которые позволят реализовать качественно новый подход к разработке РЭА. Переход от серийных, стандартных микросхем к специализированным БИС и СБИС даст возможность не только максимально эффективно использовать преимущества новых технологических процессов (40 нм и менее), но и повысить эффективность применения уже освоенных процессов (250–65 нм).
В связи с введенными Евросоюзом и США в отношении России санкциями политического, экономического и военного характера остро встал вопрос об ограничении использования отечественными предприятиями ОПК иностранных технологий, в частности, изделий ЭКБ. Для решения этой задачи разрабатывается программа по реализации импортозамещения ЭКБ. К сожалению, не все однозначно в ее реализации. Если взять курс на полное копирование аналогов импортных образцов изделий ЭКБ, возникнет серьезная проблема: отставание от оригинала минимум на срок разработки нового изделия и его запуска в производство – не менее 3–5 лет. К этому добавляется моральное устаревание микросхемы.
Отставание на указанный срок при копировании допустимо в условиях длительного выпуска копируемого изделия, что было обычной практикой на раннем этапе развития полупроводниковой промышленности. Кроме того, ограниченная номенклатура ЭКБ иностранного производства заставляла конструкторов использовать одну и ту же ЭКБ в разнообразной аппаратуре. Сегодня номенклатура применяемой иностранной ЭКБ насчитывает примерно 1200 типономиналов, что делает идею простого копирования бессмысленной.
Поэтому руководством микроэлектронной отрасли рассматриваются возможности проведения поэтапной модернизации аппаратуры на основе существующей и разрабатываемой отечественной ЭКБ и формирования заданий на разработку ЭКБ для будущей модернизации аппаратуры. Решение верное, но оно связано со значительными материальными затратами и длительным временем ожидания, пока завершатся цикл изготовления опытных образцов микросхем различных типов, их полноценные испытания и внедрение в серийное производство. В то же время для аппаратуры специального назначения требуется всего несколько десятков микросхем каждого типа.
В свое время необходимость в широкой номенклатуре типономиналов ЭКБ при крайне малой количественной потребности и ограниченных инвестициях в разработки вынудили разработчиков применять в изделиях программируемые логические ИС (ПЛИС) зарубежного производства. Для электронных устройств на основе ПЛИС характерны короткие сроки реализации проекта, низкие затраты и высокая гибкость проектирования. К сожалению, достойной замены иностранным ПЛИС в России нет. Поэтому наиболее простой и понятный путь импортозамещения в части ПЛИС – замена ПЛИС отечественными СБИС на основе базовых матричных кристаллов (БМК), что позволяет частично решить данную проблему при мелкосерийности выпуска.
Двигаясь дальше в этом направлении, АО "НИИМА "Прогресс" предложило импортозамещающую технологию перевода функциональных аппаратных модулей, реализованных на базе набора "микроконтроллер, ПЛИС и память", на полузаказную программируемую ЭКБ. Институт давно работает над созданием полузаказных СБИС класса "система-на-кристалле" (СнК), позволяющих разработчикам аппаратуры с минимальными затратами оптимизировать используемую ЭКБ исходя из требуемой функциональности. В качестве такого решения предлагается унифицированная полузаказная СБИС типа СнК, состоящая из микропроцессорного ядра; программируемой логики, реализованной на основе БМК; набора типовых интерфейсов и шин.
Данный подход обеспечивает получение СБИС различного функционального назначения путем зашивки прикладных программ процессорного ядра, ориентированных на определенные задачи, во внутреннюю память СБИС, а БМК конфигурируются только путем изменения коммутирующих слоев металлизации. В АО "НИИМА "Прогресс" разработана полузаказная СБИС класса СнК – К5512БП1Ф (рис.1, 2), в состав которой входят:
•отечественный 32-разрядный RISC-микроконтроллер KVARC с тактовой частотой до 150 МГц;
•сопроцессор модульной арифметики с разрядностью 1024 и тактовой частотой 50 МГц;
•четыре блока БМК по 300 тыс. вентилей;
•масочное ПЗУ 128 Кбайт × 32;
•ОЗУ 64 Кбайт × 32;
•интерфейсы SPI, I2C, GPIO, JTAG;
•таймеры, в том числе сторожевой (Watchdog Timer, WDT).
Основные технические характеристики К5512БП1Ф:
•техпроцесс КМОП 0,18 мкм HCMOS8D ОАО "НИИМЭ и Микрон";
•корпус металлокерамический CPGA-325;
•число выводов – 325;
•напряжение питания – 1,8/3,3 В;
•рабочая частота процессора – до 150 МГц;
•рабочая частота сопроцессора модульной арифметики – 50 МГц;
•ток потребления – не более 155 мА;
•рабочий температурный диапазон – от –40 до 125°C;
•средняя потребляемая мощность – не более 400 мВт;
•число внешних выводов БМК – 4 × 40.
Разработан маршрут проектирования заказных схем на базе СБИС К5512БП1Ф (рис.3).
Самый простой вариант применения данной микросхемы – реализация логических схем в БМК. При этом микропроцессор используется для выполнения сервисных функций. Расширенный вариант – программно-аппаратная реализация законченного функционального узла. В этом случае задействуются как микропроцессор, так и БМК.
Если возможностей одной микросхемы недостаточно для реализации схемы, используется несколько микросхем и организуется обмен данными между ними через штатные интерфейсы или через дополнительный интерфейс в одном из БМК.
Когда требуется реализация только логических схем, организуется общее поле БМК, коммутируемое путем соединения БМК из нескольких микросхем между собой через 40 внешних выводов в каждой БМК. Законченная схема реализуется с использованием общего поля БМК.
Для аэрокосмического применения ЭКБ (в том числе специализированная) должна обладать повышенной надежностью в части сбое-отказоустойчивости и стойкости к воздействующим факторам космического пространства. Для этих целей в АО "НИИМА "Прогресс" разработана вторая модификация полузаказной СБИС типа СнК – 5512БП2Ф (рис.4).
Повышенная стойкость к специальным внешним воздействующим факторам обеспечивается за счет архитектурных, схемотехнических и технологических решений: резервирование и мажорирование основных блоков; использование DICE-ячеек; применение блоков памяти с кодированием Хемминга для контроля и исправления ошибок; технология КМОП КНИ.
Микросхема построена на основе троированного процессорного ядра с архитектурой Комдив-32 (32 бита/66 МГц). По системе команд и средствам проектирования ПО ядро 5512БП2Ф полностью совместимо с микропроцессором 1900ВМ2Т, который успешно используется для бортовой аппаратуры КА. Микросхема поставляется в металлокерамическом 325-выводном корпусе CPGA-325, аналогичном корпусу СБИС К5512БП1Ф.
Состав микросхемы:
•троированное 32-разрядное процессорное ядро;
•масочное ПЗУ 64 Кбайт × 32 бит;
•статическое ОЗУ (СОЗУ) 32 Кбайт × 32 бит;
•троированный БМК;
•блок статистики;
•два троированных интерфейса SPI;
•троированный сторожевой таймер;
•троированные восьмиразрядные порты общего назначения;
•служебный интерфейс UART.
Основные технические характеристики 5512БП2Ф:
•техпроцесс КМОП КНИ 0,24 мкм ОАО "НИИМЭ и Микрон";
•напряжение питания – 3,3 В;
•встроенная система ФАПЧ для БМК – 150 МГц;
•число внешних выводом БМК – 3 × 24;
•ток потребления – 160 мА в штатном режиме;
•рабочий температурный диапазон – от –55 до 125°C.
Функциональные особенности использования и маршрут проектирования аналогичны СБИС К5512БП1Ф.
В заключение хочется отметить, что предлагаемые АО "НИИМА "Прогресс" изделия являются новым классом (рис.5) полузаказных СБИС для проектирования специализированных СнК, которые позволят реализовать качественно новый подход к разработке РЭА. Переход от серийных, стандартных микросхем к специализированным БИС и СБИС даст возможность не только максимально эффективно использовать преимущества новых технологических процессов (40 нм и менее), но и повысить эффективность применения уже освоенных процессов (250–65 нм).
Отзывы читателей
