eng
Выпуск #2/2016
В.В.Алексеев, В.А.Телец, В.И.Эннс, В.В.Эннс
Импортозамещение ЭКБ: базовые матричные кристаллы
Импортозамещение ЭКБ: базовые матричные кристаллы
Просмотры: 3883
Рассмотрена возможность использования базовых матричных кристаллов (БМК) для замещения электронной компонентной базы (ЭКБ) импортного производства. Отмечено, что полузаказными схемами на основе БМК можно заместить существенную часть номенклатуры импортных микросхем.
Б
МК подразделяются на цифровые и аналого-цифровые (АЦБМК). Первые представляют собой микросхемы, в состав которых входят только цифровые ячейки, вторые содержат также аналоговые блоки. Конфигурирование БМК в готовую полузаказную микросхему выполняется посредством разработки металлических соединений между ячейками (разработки "зашивки").
Применение цифровых и аналого-цифровых БМК позволяет решить несколько задач. Во-первых, сложный модуль, состоящий из многих микросхем, трансформируется в одну компактную микросхему. Во-вторых, широкая номенклатура различных универсальных микросхем может быть воспроизведена путем применения соответствующих "зашивок". Большинство используемых в аппаратуре импортных микросхем изготовлено по технологиям 10–15-летней давности, поэтому полузаказные микросхемы на основе БМК, выполненные по современным технологиям, имеют схожие или улучшенные характеристики. В-третьих, упрощается унификация, поскольку технические решения предусматривают единые напряжения питания, входы-выходы, элементы, одни и те же показатели стойкости к неблагоприятным воздействиям и надежности.
В России разработкой и производством БМК занимаются несколько компаний [1–4]. Современные кристаллы изготавливают по технологиям КМОП и КМОП КНИ с проектными нормами 180 и 90 нм.
Предварительный анализ перечня используемых импортных микросхем показал, что в 40% случаев для их замены можно применять БМК (рис.1). По ряду позиций есть готовые решения в виде "зашивок", в остальных случаях необходимо разрабатывать новые "зашивки" или дорабатывать существующие БМК.
Емкость цифровой части современных АЦБМК составляет порядка 100 тыс. цифровых вентилей, емкость цифровых БМК – до 10 млн. вентилей. Это соответствует ПЛИС XCV200 и Virtex 6 фирмы Xilinx.
Библиотека элементов цифровых БМК содержит более 500 последовательностных и комбинационных элементов, более 50 ячеек ввода-вывода, а также сложнофункциональные (СФ) блоки, такие как LVDS-интерфейс, ОЗУ, FIFO-буфер, синтезаторы частот, супервизоры питания и др. Для проектирования "зашивок" цифрового БМК используются современные САПР разработки универсальных и заказных схем.
В состав современных аналого-цифровых БМК могут входить различные блоки (см. таблицу) [5]. На основе одной "зашивки" АЦБМК можно реализовать как несколько микросхем, так и отдельный функциональный модуль. Характерный пример – многоканальная схема аналого-цифрового преобразования (рис.2), замещающая собой сразу несколько типов микросхем АЦП и ЦАП. Основные характеристики схемы:
• количество входных каналов АЦП: 16;
• количество выходных каналов ЦАП: 8;
• разрядность: 14 бит;
• интегральная нелинейность: не более ±4 МЗР;
• дифференциальная нелинейность: не более ±1 МЗР;
• время преобразования на канал: 4 мкс;
• задействованная емкость БМК: 80%.
Еще один пример – схема обработки данных датчиков температуры, представляющая собой законченный модуль сбора телеметрической информации (рис.3). Схема имеет следующие характеристики:
• возможность работы с резистивными и диодными датчиками;
• одновременное обслуживание 18 датчиков;
• регулировка токов и диапазонов измерений температуры;
• два цифровых интерфейса ввода-вывода информации;
• частота выборок сигналов до 15 Квыб/с при тактовой частоте 1 МГц;
• задействованная емкость БМК: 70%.
По сравнению с решениями на стандартных микросхемах при аналогичных технических характеристиках указанные "зашивки" отличаются меньшими стоимостью, площадью модуля, более высокой надежностью и стойкостью к внешним факторам. В частности, за счет использования КНИ КМОП технологии гарантируется работоспособность при температурах окружающей среды от –60 до 125°C и более. Также микросхемы обладают высокой стойкостью к специальным воздействующим факторам, включая факторы космического пространства (гарантированное отсутствие отказов при воздействии тяжелых заряженных частиц и стойкость к накопленной дозе) и высокой надежностью – наработка на отказ составляет до 200 тыс. ч. Применение "зашивки" БМК вместо платы с несколькими микросхемами повышает надежность модуля в несколько раз.
Время и затраты на разработку и производство одной полузаказной микросхемы существенно ниже, чем при использовании альтернативных решений: заказной микросхемы без сложнофункциональных блоков и микросхемы, выполненной на основе СФ-блоков (рис.4).
На одной полупроводниковой пластине могут располагаться до 10 различных проектов "зашивок", что существенно снижает стоимость производства небольших партий микросхем. При этом в БМК значительно уменьшается стоимость фотошаблонов, так как при проектировании новой "зашивки" используется всего одна десятая часть комплекта фотошаблонов.
Проектирование микросхем на основе БМК стимулирует вовлечение в разработку инженеров предприятий по производству аппаратуры, что объясняется наличием инфраструктуры, упрощающей процесс разработки: библиотек элементов, правил проектирования и набора типовых решений. Это особенно важно в области аналогового проектирования, где наблюдается острый дефицит навыков и специалистов. Если предприятие активно участвует в разработке микросхем, предназначенных для использования в собственной аппаратуре, существенно повышаются качество проектирования и вероятность быстрого внедрения, а также технический уровень аппаратуры.
Применение БМК оправданно, в частности, при изготовлении специализированных узкоцелевых микросхем за счет предприятий-потребителей, так как в рамках государственных программ, как правило, финансируются разработки микросхем широкого применения.
Сроки реализации проектов на основе БМК или АЦБМК составляют от трех месяцев для несложных изделий до шести-девяти месяцев – для сложных схем, требующих нескольких итераций отладки.
Несмотря на обширную номенклатуру доступных микросхем, за рубежом направление БМК активно развивается, прежде всего в области космических и научных разработок. На рынке представлены такие компании, как Triad Semiconductor (США), eASIC (США), Toshiba (Япония) и др., разработавшие широкую номенклатуру БМК.
В заключение отметим, что полузаказными схемами на основе БМК можно заместить существенную часть номенклатуры импортных микросхем, при этом необходимое время и затраты на разработку и поддержание производства будут существенно меньше по сравнению с альтернативными вариантами. Использование БМК целесообразно для создания значительной части малых, средних и больших универсальных микросхем, для разработки новой аппаратуры с улучшенными характеристиками и для замены выполненных по старым техническим решениям блоков современными компактными на основе БМК.
Литература
1. Темирбулатов М.С., Эннс В.И. Космическая программа и радиационная стойкость современных интегральных микросхем // Электронная техника. 2015. Вып. 2 (158). С. 105–121. (Серия 3).
2. www.dcsoyuz.com
3. www.tcen.ru
4. www.angstrem.ru
5. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем // Краткий справочник разработчика. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005.
МК подразделяются на цифровые и аналого-цифровые (АЦБМК). Первые представляют собой микросхемы, в состав которых входят только цифровые ячейки, вторые содержат также аналоговые блоки. Конфигурирование БМК в готовую полузаказную микросхему выполняется посредством разработки металлических соединений между ячейками (разработки "зашивки").
Применение цифровых и аналого-цифровых БМК позволяет решить несколько задач. Во-первых, сложный модуль, состоящий из многих микросхем, трансформируется в одну компактную микросхему. Во-вторых, широкая номенклатура различных универсальных микросхем может быть воспроизведена путем применения соответствующих "зашивок". Большинство используемых в аппаратуре импортных микросхем изготовлено по технологиям 10–15-летней давности, поэтому полузаказные микросхемы на основе БМК, выполненные по современным технологиям, имеют схожие или улучшенные характеристики. В-третьих, упрощается унификация, поскольку технические решения предусматривают единые напряжения питания, входы-выходы, элементы, одни и те же показатели стойкости к неблагоприятным воздействиям и надежности.
В России разработкой и производством БМК занимаются несколько компаний [1–4]. Современные кристаллы изготавливают по технологиям КМОП и КМОП КНИ с проектными нормами 180 и 90 нм.
Предварительный анализ перечня используемых импортных микросхем показал, что в 40% случаев для их замены можно применять БМК (рис.1). По ряду позиций есть готовые решения в виде "зашивок", в остальных случаях необходимо разрабатывать новые "зашивки" или дорабатывать существующие БМК.
Емкость цифровой части современных АЦБМК составляет порядка 100 тыс. цифровых вентилей, емкость цифровых БМК – до 10 млн. вентилей. Это соответствует ПЛИС XCV200 и Virtex 6 фирмы Xilinx.
Библиотека элементов цифровых БМК содержит более 500 последовательностных и комбинационных элементов, более 50 ячеек ввода-вывода, а также сложнофункциональные (СФ) блоки, такие как LVDS-интерфейс, ОЗУ, FIFO-буфер, синтезаторы частот, супервизоры питания и др. Для проектирования "зашивок" цифрового БМК используются современные САПР разработки универсальных и заказных схем.
В состав современных аналого-цифровых БМК могут входить различные блоки (см. таблицу) [5]. На основе одной "зашивки" АЦБМК можно реализовать как несколько микросхем, так и отдельный функциональный модуль. Характерный пример – многоканальная схема аналого-цифрового преобразования (рис.2), замещающая собой сразу несколько типов микросхем АЦП и ЦАП. Основные характеристики схемы:
• количество входных каналов АЦП: 16;
• количество выходных каналов ЦАП: 8;
• разрядность: 14 бит;
• интегральная нелинейность: не более ±4 МЗР;
• дифференциальная нелинейность: не более ±1 МЗР;
• время преобразования на канал: 4 мкс;
• задействованная емкость БМК: 80%.
Еще один пример – схема обработки данных датчиков температуры, представляющая собой законченный модуль сбора телеметрической информации (рис.3). Схема имеет следующие характеристики:
• возможность работы с резистивными и диодными датчиками;
• одновременное обслуживание 18 датчиков;
• регулировка токов и диапазонов измерений температуры;
• два цифровых интерфейса ввода-вывода информации;
• частота выборок сигналов до 15 Квыб/с при тактовой частоте 1 МГц;
• задействованная емкость БМК: 70%.
По сравнению с решениями на стандартных микросхемах при аналогичных технических характеристиках указанные "зашивки" отличаются меньшими стоимостью, площадью модуля, более высокой надежностью и стойкостью к внешним факторам. В частности, за счет использования КНИ КМОП технологии гарантируется работоспособность при температурах окружающей среды от –60 до 125°C и более. Также микросхемы обладают высокой стойкостью к специальным воздействующим факторам, включая факторы космического пространства (гарантированное отсутствие отказов при воздействии тяжелых заряженных частиц и стойкость к накопленной дозе) и высокой надежностью – наработка на отказ составляет до 200 тыс. ч. Применение "зашивки" БМК вместо платы с несколькими микросхемами повышает надежность модуля в несколько раз.
Время и затраты на разработку и производство одной полузаказной микросхемы существенно ниже, чем при использовании альтернативных решений: заказной микросхемы без сложнофункциональных блоков и микросхемы, выполненной на основе СФ-блоков (рис.4).
На одной полупроводниковой пластине могут располагаться до 10 различных проектов "зашивок", что существенно снижает стоимость производства небольших партий микросхем. При этом в БМК значительно уменьшается стоимость фотошаблонов, так как при проектировании новой "зашивки" используется всего одна десятая часть комплекта фотошаблонов.
Проектирование микросхем на основе БМК стимулирует вовлечение в разработку инженеров предприятий по производству аппаратуры, что объясняется наличием инфраструктуры, упрощающей процесс разработки: библиотек элементов, правил проектирования и набора типовых решений. Это особенно важно в области аналогового проектирования, где наблюдается острый дефицит навыков и специалистов. Если предприятие активно участвует в разработке микросхем, предназначенных для использования в собственной аппаратуре, существенно повышаются качество проектирования и вероятность быстрого внедрения, а также технический уровень аппаратуры.
Применение БМК оправданно, в частности, при изготовлении специализированных узкоцелевых микросхем за счет предприятий-потребителей, так как в рамках государственных программ, как правило, финансируются разработки микросхем широкого применения.
Сроки реализации проектов на основе БМК или АЦБМК составляют от трех месяцев для несложных изделий до шести-девяти месяцев – для сложных схем, требующих нескольких итераций отладки.
Несмотря на обширную номенклатуру доступных микросхем, за рубежом направление БМК активно развивается, прежде всего в области космических и научных разработок. На рынке представлены такие компании, как Triad Semiconductor (США), eASIC (США), Toshiba (Япония) и др., разработавшие широкую номенклатуру БМК.
В заключение отметим, что полузаказными схемами на основе БМК можно заместить существенную часть номенклатуры импортных микросхем, при этом необходимое время и затраты на разработку и поддержание производства будут существенно меньше по сравнению с альтернативными вариантами. Использование БМК целесообразно для создания значительной части малых, средних и больших универсальных микросхем, для разработки новой аппаратуры с улучшенными характеристиками и для замены выполненных по старым техническим решениям блоков современными компактными на основе БМК.
Литература
1. Темирбулатов М.С., Эннс В.И. Космическая программа и радиационная стойкость современных интегральных микросхем // Электронная техника. 2015. Вып. 2 (158). С. 105–121. (Серия 3).
2. www.dcsoyuz.com
3. www.tcen.ru
4. www.angstrem.ru
5. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем // Краткий справочник разработчика. – М.: Горячая линия-Телеком, 2005.
Отзывы читателей
