Элементная база современной ЭТ Лекция 1 Основные тенденции развития современной МЭА. А. В. БОРОДИН, В. П. КАРНАУШЕНКО Факультет электронной техники, кафедра МЭПУ, ХНУРЕ Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk @ kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Основные тенденции развития МЭА Цель лекции – получить общие сведения о структуре и архитектуре различных видов современных приборов электронной техники, тенденциях развития. Содержание: l Основные тенденции развития МЭА l Элементная база современной МЭА l Специализированные БИС и СБИС ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Основные тенденции развития МЭА l Происходит непрерывное усложнение функциональной cложности МЭА l Одновременно возрастают требования l l l увеличения надежности, уменьшения энергопотребления, уменьшения массы и габаритов ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. Основные тенденции развития МЭА Противоречия основных тенденций l С увеличением сложности увеличивается количество компонентов, контактных соединений и снижается надежность l С уменьшением габаритов увеличивается удельная мощность рассеяния – это приводит к перегреву активных компонентов, что снижает надежность аппаратуры l Уменьшение габаритов приводит к увеличению системных помех
Основные тенденции развития современной МЭА. Основные тенденции развития МЭА l Массовое применение цифровой обработки сигнала требует: разработки АЦП повышенного быстродействия и повышенной точности; l прецизионных операционных усилителей повышенного быстродействия; l специализированных процессоров цифровой обработки сигналов. l
Основные тенденции развития современной МЭА. Устранение противоречий l Эти противоречивые требования устраняются применением специализированных микросхем высокой степени интеграции (БИС, СБИС), разработанных для применения в конкретной аппаратуре l реализацией специализированных БИС и СБИС l
Основные тенденции развития современной МЭА. Устранение противоречий l При реализациии специализированных СБИС l Снижение потребляемой мощности достигается l l l Применение новых материалов и технологий, для l l применением переключателей напряжения; снижением рабочих напряжений и токов ИС. увеличения крутизны транзисторов, уменьшения Снагр и tпер ЛЭ до субнаносекундных величин; увеличения быстродействия межсоединений. Применение усовершенствованных архитектур, для l увеличение функционального быстродействия.
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Элементная база современной МЭА l Основой МЭА является аналоговые и цифровые СБИС. l Основные тенденции - использование функционально и конструктивно законченных СБИС. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. Элементная база современной МЭА l Все СБИС можно подразделить на: l l универсальные (микропроцессоры, контроллеры, процессоры ЦОС, ИС ЗУ (интегральные схемы запоминающих устройств)); специализированные (СБИС которые используются для выполнения конкретных функций в конкретной МЭА); заказные СБИС (БИС на основе БМК (базовых матричных кристаллах) и ПЛИС (программируемые логические схемы)); специализированные сигнальные процессоры (Digital Signal Processor) ориентированны на обработку оцифрованных потоков информации.
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Элементная база современной МЭА Интегральные схемы специального назначения l l l ИС устройств записи и воспроизведения звука ИС систем идентификации объектов ИС схемы специализированных контроллеров сервисной электроники ИС интерфейсов и коммуникаций ИС интеллектуальных датчиков …. . ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные. Введение развития современной МЭА. тенденции в ПЛИС октябрь, 2005 Семейство логических ИС ASIC- интегральные схемы специального назначения PLD- программируемые логические устройства SPLD- простые программируемые устройства CPLD- комплексные программируемые устройства FPGA- программируемые вентильные матрицы Full Custom IC- полностью заказные ИС Cеll- Based IC- аналог БМК (ИС на базовых ячейках) ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и l Специализированные БИС ASIC полузаказные БИС (Application. Specific Integrated Circuit) создаются для применения в конкретной аппаратуре. l Их изготавливают на заводах, производящих ИС, небольшими партиями по заказу предприятий аппаратостроения, поэтому такие БИС часто называют заказными. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС l Специализированные БИС обычно выполняют сложную законченную логическую (или аналоговую) функцию. l Применение специализированных БИС позволяет резко сократить количество ИС и тем самым уменьшить l l l габариты, массу и потребляемую мощность всего устройства. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. Специализированные заказные и полузаказные БИС l Объединение элементов в БИС повышает l l l системное быстродействие, надежность, помехоустойчивость, так как сокращается длина соединительных проводников, величина их паразитных емкостей и индуктивностей, а так же число монтажных соединений на печатных платах.
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС Специализированные БИС подразделяют на: l l полностью заказные ИС, ИС на стандартных элементах (ячейках), масочно- программируемые ИС (базовые матричные кристаллы), программируемые пользователем ИС (программируемые логические интегральные схемы). ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС Полностью заказные ИС по своим рабочим характеристикам превосходят другие классы специализированных БИС. l При их проектировании учитываются l l l особенности функционирования электрической схемы и возможности выбранной полупроводниковой технологии. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС l Разработка и запуск в производство полностью заказной БИС, начиная от функциональной схемы и до готового изделия - это весьма трудоемкий процесс, занимающий до 40. . . 60 недель. l l Высокая стоимость такой разработки окупается только при большом объеме выпуска микросхем порядка сотен тысяч и миллионов штук. Примером таких БИС могут служить микросхемы для кварцевых часов, калькуляторов, БИС запоминающих устройств и т. п. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС При создании заказных специализированных БИС широко используются (САПР) и системы (АУТП). l В конструкции новой БИС применяются l l l вновь создаваемые узлы, узлы БИС, имеющиеся в банке данных САПР, уже реализованные и апробированные в предыдущих разработках. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС l Заказные БИС на стандартных элементах имеют l l меньшую плотность упаковки; большую стоимость производства кристалла одной БИС l l l из-за увеличения площади кристалла и уменьшения процента выхода годных кристаллов; меньшее время и затраты на проектирование. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС l При разработке этого типа заказных БИС используют библиотеки стандартных фрагментов, представляющих собой набор топологий типовых узлов и блоков (логические и буферные элементы, триггеры, счетчики, регистры, арифметические устройства, контроллеры, оперативные и постоянные запоминающие устройства и т. п. ) l БФЭ являются постоянно пополняемым компонентом систем проектирования БМК ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС l При проектировании топологии БИС осуществляется компоновка необходимых функциональных элементов в виде рядов ячеек постоянной высоты и переменной ширины на поле кристалла и трассировка межфрагментных электрических соединений. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. Специализированные заказные и полузаказные БИС Пример заказной БИС на стандартных элементах УВВ УВВ АЛУ ПЗУ ПЛМ Таймер ОЗУ Счетчики Регистры
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС l Для изготовления специализированных заказных БИС на стандартных элементах lпроектируется и изготавливается полный комплект фотошаблонов, lиспользуется полный цикл технологических операций от подготовки полупроводниковых пластин до скрайбирования и т. д. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС Базовые матричные кристаллы (БМК) являются универсальными кристаллами-заготовками, расположенными на полупроводниковой пластине. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. Специализированные заказные и полузаказные БИС l Такие кристаллы называются базовыми, поскольку все фотошаблоны для его изготовления, за исключением слоев коммутации, являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. l Простейшие элементы (базовые ячейки) располагаются в узлах прямоугольной решетки, поэтому
Основные тенденции развития современной МЭА. Специализированные заказные и полузаказные БИС Базовый матричный кристалл Матрица базовых ячеек Ячейки ввода вывода Внешние контактные площадки
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС l Для изготовления специализированных БИС на основе БМК проектируются и изготавливаются фотошаблоны, необходимые для формирования электрических связей по заданной принципиальной электрической схеме. l Как правило, для реализации электрических соединений ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС l Функциональные элементы различной степени сложности формируются из базовых ячеек на основе библиотеки топологий функциональных элементов, спроектированных применительно к конкретному составу и расположению ячеек матрицы. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС Полузаказные БИС на основе БМК выгодно применять при средних объемах производства (тысячи. . десятки тысяч штук). l Время разработки устройства в виде матричной БИС сокращается до нескольких недель. l ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) также имеют матричную структуру, но межсоединения элементов имеют шинную организацию (каждый элемент соединяется с горизонтальными и вертикальными шинами). l В ПЛИС используются программируемые матрицы И, ИЛИ и их комбинации. l ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС Существует два типа БИС ПЛИС: l l масочные ПЛИС, которые программируются в условиях производства с помощью одного заказного слоя металлизации; ПЛИС, программируемые непосредственно потребителями. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Специализированные заказные и полузаказные БИС l ПЛИС, программируемые потребителем, являются универсальными устройствами, алгоритм функционирования которых задается программатором. l Специализированная БИС на основе ПЛИС при автоматизированном проектировании может быть разработана и изготовлена в течение нескольких дней. l Эти ПЛИС выгодно использовать при малых объемах производства (десятки-сотни штук). ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Сравнение специализированных БИС на основе БМК и масочных ПЛИС l БМК выгодно применять при проектировании БИС высокого быстродействия, которое достигается минимизацией длины пленочных проводников на кристалле. l В ПЛИС используются длинные соединительные шины с большими паразитными емкостями, которые снижают быстродействие. l Кроме того, в БИС на основе БМК можно реализовать более широкий класс сложных функций. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Основные. Введение развития современной МЭА. тенденции в ПЛИС октябрь, 2005 Контрольные вопросы l Какие основные тенденции развития МЭА? Что является основной элементной базой МЭА? l Для чего применяются специализированные БИС? l Какие преимущества и недостатки полностью заказных БИС? l Охарактеризуйте специализированную БИС, разработанную на стандартных элементах. l Какие особенности специализированных БИС, выполненных на основе БМК? l В чем состоит изготовление специализированных БИС на основе ПЛИС? l l ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua 34
Основные. Средства разработки проектов на ПЛИС-2 тенденции развития современной МЭА. октябрь, 2005 Рекомендуемая литература l l l Полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и технология их производства: Учебник / Ю. Е. Гордиенко, А. М. Гуржий, А. В. Бородин, С. С. Бурдукова. – Харьков: «Компания СМИТ» , 2004. – 620 с. Быстродействующие матричные БИС и СБИС. Теория и проектирование. Под ред. Б. Н. Файзулаева и И. И. Шагурина. М. : Радио и связь, 1989. - 304 с. Пономарев М. Ф. , Коноплев Б. Г. Базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы. – М. : Высш. шк. , 1987. – 94 с. Стешенко В. Б. ПЛИС фирмы «ALTERA» : элементная база, система проектирования и языки описания аппаратуры. – М. : Издательский дом «Додэка» , 2002. – 576 с. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. – СПБ, БХВ, Петербург, 2001. - 528 с. ХНУРЭ, факультет ЭТ, кафедра МЭПУ, тел. 702 -13 -62, e-mail: vpk@kture. kharkov. ua
Скачать презентацию Элементная база современной ЭТ Лекция 1 Основные тенденции
Л 1 Ввод.PPT